CC BY
93
ОТРАСЛИ И МЕЖОТРАСЛЕВЫЕ КОМПЛЕКСЫ
А.Л. Арутюнов
О ПЕРСПЕКТИВАХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОСНОВНЫХ И АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ВИДОВ ТОПЛИВА В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ РОССИИ
В статье рассматривается вопрос о целесообразности использования традиционных и альтернативных видов энергоресурсов для сельского хозяйства, а также производства биотоплива в России. Дан анализ и приведена экономическая характеристика технологий получения жидких углеводородов из биомассы.
Целесообразность развития биоэнергетики в сельском хозяйстве России. В результате проведенных в начале 1990-х годов реформ, связанных с макроэкономическими решениями по стабилизации денежного обращения, с трансформацией отношений собственности, в условиях экономики переходного периода 19911999 гг. начался резкий спад производства сельскохозяйственной продукции, т. е. снижение выпуска продукции животноводства и растениеводства, сопряженное с постоянным сокращением поголовья крупного рогатого скота, парков сельскохозяйственной техники, посевных площадей, использования минеральных и органических удобрений и т.д. Это привело к резкому сокращению потребления традиционных видов энергоносителей (электроэнергии, автомобильного бензина и дизельного топлива) в сельскохозяйственном производстве России. Затраты сельскохозяйственных организаций (СХО) на электроэнергию и приобретение дизельного топлива сократились в 4 раза, автомобильного бензина - в 6,3 раза (в постоянных ценах 2002 г.) [1]. Большая часть сельскохозяйственных организаций России в эти годы была нерентабельной, с отрицательным балансом, в частности, из-за использования при производстве традиционных энергоносителей, цены и тарифы на которые росли высокими темпами.
В последующие годы снижение потребления энергии происходило постоянно, несмотря на то, что производство продукции сельского хозяйства (в сопоставимых ценах 2002 г.) как в целом, так и в сельскохозяйственных организациях устойчиво росло начиная с 1999 г. После 1999 г. годовое потребление дизельного топлива и автомобильного бензина практически менялось очень мало, а потребление электроэнергии до 2005 г. продолжало падать (рис. 1, табл. 1).
Сокращение потребления дизельного топлива, бензина и электроэнергии было вызвано ростом цен на горюче-смазочные материалы и тарифов на потребляемые сельским хозяйством электроэнергию и газ. Более высокие темпы роста цен на потребляемые энергоресурсы по сравнению с ценами на реализуемую сельскохозяйственными организациями продукцию приводят к усилению диспаритета цен и росту ее себестоимости. Интенсивный спад потребления всех видов энергоносителей, используемых сельскохозяйственными организациями в процессе производства как в животноводстве, так и в растениеводстве начался с 1991 г.
1 Статья подготовлена при финансовой поддержке Российского гуманитарного научного фонда (проект № 08-02-00431 а).
О перспективах использования видов топлива в сельском хозяйстве
Млрд. кВт ч, Млрд. руб.
млн. т
Рис. 1. Потребление энергоресурсов сельскохозяйственными организациями и продукция сельского хозяйства:
— электроэнергия, млрд. кВт-ч; -о- автобензин, млн. т; дизельное топливо, млн. т; — продукция сельского хозяйства (правая шкала)
Таблица 1
Потребление сельскохозяйственными организациями энергии на производственные нужды в 1991-2005 гг.
Показатель 1991 г. 1992 г. 1993 г. 1994 г. 1995 г. 2000 г. 2001 г. 2002 г. 2003 г. 2004 г. 2005 г.
Электроэнергия, млрд. кВт-ч 70,5 69,9 69,2 61,4 53,0 30,2 25,4 22,7 20,3 19,0 16,9
% 100,0 99,1 98,1 87,1 75,2 42,8 36 32,2 28,8 26,9 24,9
Дизельное топливо млн. т 19,4 16,5 12,8 7,8 7,1 5,0 5,0 4,7 4,9 4,9 5,1
% 100,0 85,0 65,9 40,2 36,6 25,7 25,7 24,2 25,2 25,2 26,3
Автомобильный бензин млн. т 10,6 9,4 6,2 3,7 3,3 1,8 1,7 1,8 1,8 1,9 1,7
% 100,0 88,6 58,5 34,9 31,1 16,9 16,0 16,9 16,9 17,9 16,0
Источник: [2].
Снижение потребления энергоресурсов (до 2006 г.) сопровождалось спадом выпуска продукции (до 1998 г.) сельского хозяйства в целом и сельскохозяйственных организаций в частности, что привело к исчерпанию внутренних ресурсов в сельскохозяйственном производстве. Более того, динамика спада продукции в хозяйствах всех категорий идентична динамике спада продукции в СХО.
Дальнейший анализ динамики объемов сельскохозяйственной продукции в целом и в СХО показал, что в рассматриваемом ретроспективном периоде (1990-2005 гг.) они имели очень близкие конфигурации траекторий значений в течение 1990-1998 гг. и несколько расходящиеся после этого периода. Регрессионные зависимости для этих двух временных отрезков имеют следующие характеристики: 1990-1998 гг. коэффициент детерминации Л2=0,99, 1998-2005 гг. Л2=0,96. При этом темп роста продукции сельского хозяйства с 1998 по 2005 г. выше темпов роста продукции СХО за этот период.
Прогнозные оценки потребления традиционных видов энергоносителей сельскохозяйственными организациями до 2030 г. получены с помощью эконометрических моделей (регрессионных уравнений, показывающих зависимость потребления электроэнергии, автобензина и дизельного топлива от выпуска сельскохозяйственной продукции и других факторов) по данным за 1995-2005 гг. (табл. 2).
Таблица 2
Основные показатели деятельности сельскохозяйственных организаций
Показатель 1995 г. 1996 г. 1997 г. 1998 г. 1999 г. 2000 г. 2001 г. 2002 г. 2003 г. 2004 г. 2005 г.
Сельскохозяйственные угодья, млн. га 154,1 152,4 149,2 154,8 152,7 149,7 146,1 142,6 140,2 134,8 130,9
Посевная площадь, млн. га Внесение минеральных и органических удобре- 86,2 82,8 78,8 76,7 73,0 69,1 66,4 64,6 58,3 55,4 51,4
ний, млн. т 128,9 109,3 87,6 73,4 70,2 67,4 60,9 62,1 61,2 54,6 51,3
Валовой сбор продукции растениеводства*, млн. т 81,7 81,4 93,5 58,4 69,4 75,6 88,4 89,0 74,5 80,8 78,0
Парк сельхозтехники (на конец года), тыс. шт. 3349,6 3003,1 2813,9 2582,8 2328,5 2195,4 2048,3 1892,7 1721,1 1565,9 1414,6
Количество средств малой механизации, тыс. шт. 120,9 87,9 73,6 64,2 95,6 96,6 97,5 96,5 86,9 93,7 124,0
Поголовье скота, млн. голов 57,5 46,5 39,0 33,8 33,0 30,3 29,6 29,5 27,0 24,2 23,1
Поголовье тиц, млн. голов 260,0 219,0 215,0 215,0 208,0 205,0 216,0 217,0 218,0 223,0 241,0
Производство молока, млн. т Продукция животноводства, млрд, руб. 21,6 18,4 16,9 16,7 15,8 15,2 15,5 16,1 15,3 14,3 13,9
(в ценах 2002 г.) 1502,5 1434,9 1300,1 1242,9 1093,7 1006Д 955,6 969,3 8413 875,8 943,3
* Учтены злаковые (.пшеница, рожь, ячмень, овес и корнеплоды. т.д.) и масличные (подсолнечник, рапс, соя) культуры, льноволокно, конопля, сахарная свекла, кукуруза, кормовые
1. Модель, отражающая зависимость потребления электроэнергии в СХО от трех факторов:
У = 15,5315 +1,22Х1 + 0,03X2 - 0,17X3, где У - потребление электроэнергии в сельскохозяйственных организациях, млрд. кВт-ч; Х - поголовье скота в СХО, млн. голов; Х2 - поголовье птиц в СХО, млн. голов; Х3 - продукция животноводства в сельскохозяйственных организациях, млрд. руб. (в ценах 2002 г.).
2. Модель, отражающая зависимость потребления автомобильного бензина в СХО от трех факторов:
У = 6,223 - 0,069Х1 - 0,005X2 + 0,107Х3,
где У - потребление автобензина в сельскохозяйственных организациях, млн. т; Х - сельскохозяйственные угодья СХО, млн. га; Х2 - малая механизация СХО, тыс. шт.; Х3 - производство молока в СХО, млн. т.
3. Модель, отражающая зависимость потребления дизельного топлива в СХО от четырех факторов:
У = 20,93 - 0,121Х1 - 0,047X2 - 0,007Х3 + 0,006X4,
где У - потребление дизельного топлива в сельскохозяйственных организациях, млн. т; X - сельскохозяйственные угодья и посевные площади в СХО, млн. га; Х2 - внесение минеральных и органических удобрений под посевы в СХО, млн. т; Х3 - валовой сбор продуктов растениеводства в СХО (после переработки), млн. т; Х4 - парк сельскохозяйственной техники (на конец года) в СХО, тыс. шт.
При расчете параметров модели (3) учитывался факт проведения посевных и уборочных работ в сельскохозяйственных организациях (поэтому посевные площади СХО в модели учтены дважды). О статистической значимости регрессионного уравнения в целом и отдельно взятых факторов свидетельствует коэффициент Фишера (> ^,абл во всех трех уравнениях), коэффициенты Стьюдента (т^ > т табл во всех трех уравнениях), показывающие значимость параметров модели, и коэффициенты детерминации Я2 (Я1 = 96,7, Я22 = 95,5, Я32 = 98,8). Это значит, что данный набор факторов достаточно точно отражает как производственный процесс в целом, так и потребление энергоресурсов в сельскохозяйственных организациях.
В прогнозных расчетах использованы данные о темпах роста производства продукции сельского хозяйства до 2030 г., полученные на основе систем опережающих индикаторов для России [3] (табл. 3):
Таблица 3
Прогнозные оценки потребления традиционных видов энергоресурсов в СХО на период до 2030 г.
Год Темп роста сельского хозяйства, % Продукция сельского хозяйства*, млрд. руб. Потребление дизельного топлива, млн. т Потребление автобензина, млн. т Потребление электроэнергии, млрд. кВт-ч
2010 3,3 1292,2 9,3 4,7 19,9
2015 3,9 1564,6 11,4 6,1 24,1
2020 3,8 1885,3 13,8 7,8 29,0
2025 3,8 2271,8 16,8 9,8 34,9
2030 3,8 2737,5 20,5 12,3 42,1
* В ценах 2002 г.
Как показывают данные табл. 3, в 2030 г. потребление электроэнергии в СХО не достигнет уровня 1991 г.
В условиях постоянного роста цен и тарифов на традиционные виды энергоносителей возникает вопрос о целесообразности применения жидких углеводородов из биомассы; т. е. использования для нужд сельскохозяйственного производства как традиционных (основных), так и альтернативных топлив для снижения издержек.
В настоящее время в различных стадиях решений и коммерциализации находится несколько технических процессов, направленных на получение биотоплив-ных материалов различной природы для целей автомобильного транспорта, сельскохозяйственного производства, получения электроэнергии и тепла:
- биоэтанол из крахмалосодержащего сырья;
- биодизель на основе использования растительных масел;
- биогаз из различных отходов органической природы;
- биобутанол, получаемый из смеси ацетона и бутанола на основе использования зерна.
В ряде стран - лидеров по производству альтернативных энергоресурсов (Бразилия, США, Канада, Китай, Индия, а также Европы) существуют специальные правительственные программы по переходу на биотопливо, которые предусматривают доведение к 2010-2012 гг. доли производства и потребления биотоплива до 57 % в топливно-энергетических балансах вышеупомянутых стран [4].
Согласно прогнозно-аналитическим расчетам Международного Энергетического Агентства (International Energy Agency, IEA) производство биоэтанола и биодизеля в США, Канаде, Европейском Союзе и в других странах, подписавших Киотский протокол по выбросам парниковых газов в атмосферу, будет неуклонно расти до 2020 г. (рис. 2.). При этом также неуклонно будет расти и спрос населения на биотопливо [5, 6].
Млрд. л
Рис. 2. Мировое производство биоэтанола и биодизеля до 2020 г.
Основным поставщиком сырья для производства биоэтанола в России является сельское хозяйство (например, потенциальным источником сырья для производства биоэтанола являются выведенные из сельскохозяйственного оборота пахотные земли (табл. 3, 4)). Переработка органических отходов необходима также в целях защиты окружающей среды. С помощью высокорентабельных технологий при переработке органических отходов можно получить твердое, жидкое или газообразное топливо, электрическую и тепловую энергию и высокоэффективные органические удобрения (после вторичной переработки остатков). Учитывая, что до 70% территории России, в том числе около 30-35% крестьянских хозяйств, не имеют
постоянного централизованного энергоснабжения [1], создание безотходных предприятий АПК существенно повысит энерговооруженность страны.
Таблица 4
Показатели производства масличных культур в России
Показатель 2005 г. 2007 г. 2008-2012 гг.*
Посевные площади тыс.га н о о Я й 3 * о £ а о ю О н ° § И £ О ^ га Посевные площади тыс. га Урожайность, ц/га а о ю О н ° § И £ О ^ га Посевные площади тыс. га н о 0 И й 1 я о £ Валовой сбор, тыс. т
Подсолнечник 5546 12 6441 5200 14 7280 4800 15 7200
Рапс 244 13 303 1000 13 1300 2250 20 4500
Соя 720 11 689 800 12 960 1100 20 2200
Всего 6510 7433 7000 9540 8150 13900
* Прогноз Министерства сельского хозяйства РФ.
Развитие данной отрасли энергетики в России должно базироваться на трех основаниях: высокорентабельных промышленных технологиях, пригодных для любых климатических условий; эффективном и надежном оборудовании, востребованном на внутреннем рынке; масштабной сырьевой базе.
Потенциальной ресурсной базой органических отходов АПК, по отчетным данным региональных и окружных комитетов [7], являются отходы птицеводства (яичного и мясного направлений), скотоводства (крупного и мелкого рогатого скота), свиноводства, растениеводства (зернобобовых, подсолнечника, сахарной свеклы, картофеля, овощей), перерабатывающей промышленности (мукомольной, маслобойной, сахароварения, переработки мяса, спиртовой).
Общее количество органических отходов АПК на начало 2006 г., по данным работы [7], достигло 624,2 млн. т в год (из них 225 млн. т сухих веществ - с.в.) с общим валовым энергосодержанием 80,6 млн. т у.т. Отходы птицеводства составили 23,1 млн. т (5,8 млн. т с.в.) с энергосодержанием 1,5 млн. т у.т., животноводства - 349,7 млн. т (58,3 млн. т с.в.) с энергосодержанием 17,5 млн. т у.т., растениеводства - 222,2 млн. т (147 млн. т с.в.) с энергосодержанием 54,1 млн. т у.т., перерабатывающей промышленности - 29,2 млн. т (14 млн. т с.в.) с энергосодержанием 7,3 млн. т у.т.
Данные отходы перерабатываются в биогаз, пиллеты, синтез-газ, биоводород и биоэтанол.
Для производства биогаза можно использовать все органические отходы АПК. Потенциальный объем этого топлива в год может составить до 75 млрд. куб. м с энергосодержанием 59 млн. т у.т., что позволяет заменить до 52 млрд. куб. м природного газа (10% его современной добычи в РФ), до 37 млн. т автомобильного бензина. Из 75 млрд. куб. м биогаза при использовании когенерационных электрогенераторов можно получить 150 млрд. кВт-ч электрической и 150 Ркал. тепловой энергии в год. Для обеспечения фермерских хозяйств электроэнергией (3 кВт-ч/чел в сутки [7]) необходимо вырабатывать 42,7 млрд. кВт-ч в год, что втрое меньше возможного производства электроэнергии из биогаза. Согласно результатам исследований российских специалистов [8], 1 л бензина или
дизельного топлива может быть заменен 1 куб. м природного газа в сжатом состоянии, что эквивалентно 2 куб. м биогаза. Для нужд транспорта и
сельскохозяйственной техники необходимо до 16,6 млрд. куб. м биогаза в год (25% его возможного производства) [8].
Второе по значимости место, на наш взгляд, принадлежит производству пиллет (сухого вещества) и газификациии - пиролизу, далее - этанолу из отходов сахарной промышленности.
Переработка отходов растениеводства дает до 135 млн. т пиллет, конвертируемых в 133 млрд. куб. м синтезгаза, из которого в свою очередь можно получить до 69 млрд. куб. м биоводорода [7].
Вследствие экономических реформ общая площадь пашни в стране с 1992 г. сократилось на 37 млн. га, из которых 20 млн. га приходится на европейскую часть РФ [9]. Производство биоэтанола может стимулировать возобновление использования этих земель. К примеру, по расчетам аналитиков из международной биоэнергетической организации [10], завод мощностью 100 тыс. т биоэтанола в год использует в среднем 300-400 тыс. т пшеницы, для выращивания которой требуется 100-200 тыс. га пахотных земель. Возможно также использование и других видов сырья для выработки биоэтанола.
Также целесообразно использование семян рапса для производства, к примеру, биодизеля. В стране хорошие условия для выращивания рапса и производства рапсового масла для биодизельного топлива. Российский АПК ежегодно расходует в среднем 4,8 млн. т дизельного топлива. Чтобы обеспечить эту потребность, необходимо засевать рапсом до 12 млн. га при урожае семян 10 ц/га.
При использовании технологии прямого сжигания смеси отходов птицеводства и растениеводства в пароэлектрогенераторах сельское хозяйство страны может получать 210 млрд. кВт-ч электрической и 151,1 Ркал тепловой энергии в год.
Технология анаэробного сбраживания органических отходов. Одним из наиболее эффективных направлений научно-технического прогресса в энергетике является биоконверсия органических отходов промышленности, сельского хозяйства и коммунально-бытового сектора в топливо с целью экономии высококачественных жидких и газообразных энергоресурсов.
Сооружение биоэнергетических установок (БЭУ), осуществляющих биоконверсию органических отходов путем анаэробной ферментации, позволяет полностью перерабатывать отходы не только животноводств, но и полеводства и коммунально-бытового хозяйства сельских населенных пунктов. При этом в отличие от существующих способов аэробной очистки стоков получаются качественные обеззараженные удобрения и биогаз (метан), который позволяет полностью или частично заменить жидкое и газообразное топливо путем использования его в теплогенераторах, печах и двигателях внутреннего сгорания.
К оценке эффективности БЭУ следует подходить с народнохозяйственной точки зрения, когда эффект экономии органического топлива, повышения урожайности из-за внесения обеззараженного удобрения и улучшения качества окружающей среды оценивается не с позиций отдельного хозяйства, а с учетом интересов всей экономики и общества, для которых энергетическая, продовольственная и экологическая проблемы представляют первостепенную важность.
Кинетика анаэробной ферментации и факторы, влияющие на ее протекание2. Процесс анаэробной ферментации пока не получил точного математического формулирования, хотя уже существует ряд зависимостей, описывающих кинетику процесса. Одно из наиболее известных - уравнение Моно для сточных вод и отходов животных [13] - определяет значения удельной скорости роста микроорганизмов
2 Здесь и далее изложение дано в соответствии с [11, 12]; расчеты выполнены Ю.В. Синяком с учетом современных данных.
и постоянную полураспада органики в зависимости от условий протекания процесса ферментации. Однако значения этих параметров можно определить лишь для однородных субстратов, что затрудняет применение такого рода уравнений для моделирования сложных (применяемых при анаэробной ферментации) субстратов.
Из существующих кинетических уравнений наибольшего внимания заслуживает кинетическая зависимость Конто [13], описывающая процесс анаэробной ферментации отходов животных. Результаты расчетов по этой зависимости хорошо согласуются с экспериментальными данными. С некоторыми допущениями уравнение Конто может быть применено к более широкому классу исходных субстратов. Уравнение Конто описывает объемную скорость выхода биогаза в зависимости от важнейших параметров процесса анаэробной ферментации:
V = (Б0 s / т)[1 - k /(цТ -1 + Щ, (1)
где: V- объемная скорость выхода биогаза, куб. м /куб. м-сут; Б0 - предельный выход биогаза из единицы органического вещества заданного состава, куб. м /кг; 5 - исходная концентрация органического вещества в субстрате, кг/куб. м; Т - время экспозиции; ц - максимальная удельная скорость роста микроорганизмов в заданном процессе ферментации, сут.-1; k - кинетический параметр процесса.
Предельный выход биогаза (Б0) зависит от вида субстрата; рациона кормления животных; срока хранения отходов до ферментации; способа удаления и сбора отходов; количества инородных компонентов и т.п. Значения предельного выхода биогаза (В0) в первом приближении могут быть приняты равными (куб. м биогаза на кг сухого органического вещества):
Отходы мясного скота - 0,25±0,05 Сточные воды - 0,25±0,05
Отходы молочного скота - 0,35±0,05 Бытовые отходы - 0,20±0,05
Отходы свиноводства - 0,5±0,05 Отходы полеводства - 0,15±0,05
Отходы птицеводства - 0,7±0,05
Кинетический параметр (к) выражает зависимость выхода биогаза от концентрации органической массы в субстрате.
Совершенно очевидно, что технология анаэробной ферментации будет тем эффективнее, чем за меньшее время пройдет через установку поступаемое количество отходов с наибольшим выходом из них биогаза. Однако лишь при определенных значениях таких параметров, как концентрация органики в субстрате, скорость загрузки метантенка (сухого вещества после анаэробной ферментации), температура процесса, достигается устойчивый процесс ферментации, обеспечивающий максимальный выход биогаза. Именно поэтому исследование влияния этих параметров на объемную скорость выхода биогаза представляет интерес для выбора эффективных условий реализации технологии анаэробной ферментации в различных климатических условиях России.
В табл. 5 приведены сравнительные данные ферментации отходов животноводства, полученные экспериментально и рассчитанные с помощью уравнения Конто. В случае расчета на модели параметры Б0 и k не привязывались конкретно к каждому отдельному эксперименту.
Данные табл. 5 позволяют сделать вывод о достаточно высокой степени адекватности математического описания реальному процессу анаэробной ферментации. Вместе с тем необходимо провести специальные исследования, уточняющие отдельные параметры, входящие в модель Конто, с тем, чтобы повысить достоверность моделирования кинетики процесса анаэробной ферментации, особенно применительно к неоднородным по происхождению исходным субстратам.
Таблица 5
Сравнение экспериментальных и расчетных показателей по выходу биогаза при анаэробной ферментации
Температура процесса, оС Скорость загрузки метантенка, г/л* сут. Время экспозиции, сут. Выход биогаза, л/л*сут. Расхождение, %
по эксперименту* по расчетам на модели
Крупный рогатый скот мясного направления
35 3,1 20 0,69 0,65 6
55 3,4 20 1,07 0,95 11
55 5,2 12 1,54 1,7 9
55 11,8 7,0 3,48 3,2 8
55 16,8 5,0 4,35 4,0 8
Коровы молочного направления
35 6,4 12 0,77 0,98 21
35 4,3 15 0,83 0,69 17
35 6,1 10 0,77 0,89 22
35 3,4 30 0,66 0,53 20
35 3,7 30 0,47 0,52 10
Свиньи
40 4,8 6 1,42 1,66 15
40 2,4 12 0,91 1,03 12
35 4,0 15 1,36 0,77 13
35 2,1 15 0,89 0,91 2
35 1,1 30 0,57 0,49 14
* Использованы данные работы [13], где обобщены экспериментальные результаты по анаэробной фер-
ментации.
Материальный баланс БЭУ. Расчет материальных потоков удобно производить по сухому веществу, так как эта составляющая субстрата остается неизменной при изменении влажности субстрата на отдельных стадиях процесса. Для расчета материальный баланс БЭУ можно представить как систему, в которую поступает исходный субстрат с количеством сухого вещества О и концентрацией 5. Для обеспечения заданной концентрации субстрата 80, подаваемого в метантенк, происходит, как правило, разбавление его водой в количестве В (одновременно вода служит теплоносителем для подогрева смеси до температуры ферментации).
В результате процесса анаэробной ферментации получается биогаз в объеме V) с удельным весом gb и остаток (шлам), содержащий неразложившееся сухое вещество и бактериальную массу в количестве Оост при концентрации сухого вещества в остатке 5ост.
В общем виде уравнение материального баланса БЭУ выглядит следующим образом:
О[(1 - 5)/5] + Б = gbVo + Оост + Оост [(1-50СТ )/5ост ]. (2)
Слагаемые левой части уравнения определяют количество сухого вещества субстрата, количество естественной влаги субстрата и добавку воды для доведения концентрации до заданной, а правой части - выход биогаза, сухого вещества остатка и содержание влаги в остатке. В табл. 6 приведен материальный баланс БЭУ при ферментации различных отходов.
Функционирование БЭУ в зависимости от температуры процесса можно ориентировать на мезо- или термофильный режим, каждый из которых имеет положительные и отрицательные стороны. Мезофилъный процесс происходит при более низкой по сравнению с термофильным температуре (37°С), что требует меньше энергии на собственные нужды (обычно 20-30% валового выхода по сравнению с 35-45% при термофильном процессе) и обеспечивает большее количество товарного биогаза.
Таблица 6
Материальный баланс БЭУ при ферментации различных отходов объемом 500 т/год
Показатель КРС Свиньи Птица
т/год % т/год % т/год %
Поступление:
Сухое вещество 42 8,4 19 3,8 37,5 7,5
Естественная влага 214 42,8 75,5 15,1 31,5 6,3
Добавок воды 244 48,8 405,5 81,1 431 86,2
Итого: 500 100,0 500 100,0 500 100,0
Выход:
Биогаз 10 2,5 8 1,6 19,5 3,9
Сухой остаток 32 6,5 11 2,2 18 3,6
Влага 458 91,5 481 96,2 462,5 92,5
Итого 500 100,0 500 100,0 500 100,0
Распад органики,% 10 22,6 8 42 19,5 52,0
Примечание. Время экспозиции составляет: для КРС — 10 сут., для свиней — 8 сут., для птицы — 35 сут.
Вместе с тем в силу малой скорости процесса здесь необходим больший объем ме-тантенка, а следовательно, большие капиталовложения. Термофильный процесс (55°С) характеризуется большей интенсивностью, поэтому распад органики здесь выше, а выход остатка (следовательно, эффект повышения урожайности) меньше.
На модели (см. табл. 5) были проведены расчеты эффективности БЭУ для различных по климатическим условиям районов страны. Результаты расчетов показывают, что с точки зрения получения товарного биогаза эффективность технологии анаэробной ферментации изменяется несущественно при изменении климатических районов (табл. 7). Так, например, при ферментации отходов фермы крупного рогатого скота на 1 тыс. голов для климатических условий юга европейской части России расход биогаза на собственные нужды составляет 20,7% валового выхода при мезофильном и 37,2% - при термофильном режиме. Для районов Западной Сибири эти показатели соответственно следующие - 29,1 и 46,1%. Эффект внедрения технологии в этих районах различается незначительно, составляя соответственно 158,5 и 153,8 тыс. долл. в год для мезофильного и 151,3 и 147,1 тыс. долл. в год для термофильного режима.
Расчеты показали, что затраты в БЭУ при термофильном режиме ферментации в среднем на 12-15% ниже, чем при мезофильном процессе5.
Оценка эффективности БЭУ сильно зависит от стоимости вытесняемого топлива и сельскохозяйственной продукции, получаемой дополнительно за счет внесения остатка сбраживания отходов в виде удобрений. Чем выше эти показатели, тем более привлекательной выглядит технология анаэробного сбраживания органических отходов. Расчеты проводились при стоимости топлива 250 долл./т у.т. и продукции 350 долл./т. При этих показателях срок окупаемости инвестиций не превышает 2-3 лет. При снижении обоих показателей до 100 долл./т у.т. и 100 долл./т продукции срок окупаемости увеличивается до 4-6 лет, а при увеличении соответственно до 500 долл./т - сокращается до 0,5 года.
При оценке возможного вклада технологии анаэробной ферментации в энергетический баланс страны следует учитывать, что для сбора и утилизации доступна лишь часть отходов.
5 Расчеты проводились применительно к ферме КРС размером 1000 голов в климатических условиях различных районов России.
Таблица 7
Технико-экономические параметры БЭУ при анаэробной ферментации отходов крупного рогатого скота фермы на 1000 голов при мезофильном (37°С) и термофильном (55°С) режимах для различных климатических районов России
Расход на собственные нужды, % Капиталовложения, тыс. долл. Эффект тыс. долл./год
Режим Регионы РФ Валовый выход биогаза, тыс. куб. м/год Эксплуатационные издержки, тыс. долл/год й Й ц о п от урожая от топлива Срок окупаемости, лет
й л о 8 % Европейская часть: Северо-Запад 438,1 26,2 127,4 33,2 155,3 87,3 68,1 1,0
Центр 438,1 25,9 127,4 33,2 155,5 87,2 68,3 1,0
Юг 438,1 20,7 127,4 33,2 158,6 87,2 71,4 1,0
Западная Сибирь 438,1 29,1 127,4 33,2 153,8 87,3 66,5 1,0
« 3 & о £ Европейская часть: Северо-Запад 480,5 43,5 99,1 28,4 148,3 82,5 65,8 0,8
Центр 480,5 43,1 99,1 28,4 148,5 82,5 66,0 0,8
Юг 480,5 37,2 99,1 28,4 151,3 82,5 68,8 0,8
Западная Сибирь 480,5 46,1 99,1 28,4 147,1 82,5 64,6 0,8
Примечания:
1. Время экспозиции при мезофильном режиме 9, при термофильном — 7 дней.
2. Распад органического вещества при мезофильном режиме 35,5%, при термофильном — 39,0%.
3. С утилизацией тепла отходов.
В животноводстве осуществима в основном утилизация отходов при содержании животных в течение года в специальных помещениях, так как при пастбищном содержании сбор и утилизация отходов практически неэффективны. В коммунально-бытовом хозяйстве централизованный сбор сточных вод и бытовых отходов пока осуществим лишь в крупных городах. В полеводстве значительная часть отходов употребляется на нужды самого хозяйства в качестве подстилки, строительного материала, кормов.
Литература
1. Арутюнов А.Л. Потребление энергоресурсов в сельском хозяйстве России // Экономическая наука современной России. 2008. № 1(13).
2. Сельскохозяйственный бюллетень. 1995, 2001, 2008. М.: Росстат.
3. Смирнов С. Система опрежающих индикаторов для России // Вопросы экономики. 2001. № 3.
4. Hydrocarbon Processing Journal. Vol. 85. № 3.
5. International Energy Agency, www.worldenergyoutlook.org/graphs/
6. Oil & Gas Journal Oct. 2007, Feb. 2008.
7. Панцхава Е., Пожарнов В., Шипилов М. Развитие биоэнергетики в России // Агро Рынок. Февраль 2007. № 2.
8. Российская Биотопливная Ассоциация, www.biotoplivo.ru
9. Российский статистический ежегодник. М.: Росстат, 2007.
10. The Bioenergy International, (Международная биоэнергетическая организация) www.bioenergyinternational.com
11. Синяк Ю.В., Авизов А.Х. Возможная экономия природных энергоресурсов за счет анаэробной ферментации органосодержащих отходов. Достижения и перспективы // Энергетика. Топливо. 1984. № 6.
12. Синяк Ю.В. Энергия из отходов // Энергия: экономика, техника, экология. 1984. № 5.
13. Contois D.C.J. Gen. Microbiol. 1959. 21, 40.
