CC BY
12
УДК 338:502.3
Ермошкина А.Н., Ермоленко Б.В.
ЗАДАЧА ОПТИМАЛЬНОГО ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЕГИОНАЛЬНОГО БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ПО ПЕРЕРАБОТКЕ ОТХОДОВ ЖИВОТНОВОДСТВА
Ермошкина Анна Николаевна, студент 1 курса магистратуры факультета биотехнологии и промышленной экологии, email: anna-ermoshkina@mail.ru
Ермоленко Борис Викторович, к.т.н., доцент, доцент кафедры промышленной экологии Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия.
На основании анализа объемов образования отходов животноводства на территории Российской Федерации, их негативного воздействия на окружающую среду и уровня энергетического потенциала образующихся биоотходов сформулирована задача оптимального эколого-экономического проектирования региональных биогазовых энергетических комплексов на стадии обоснования инвестиций. Предложено решать сформулированную задачу с применением методов и моделей частично целочисленного линейного программирования. Приведено описание блочной структуры разработанной экономико-математической модели.
Ключевые слова: отходы животноводства, воздействие на окружающую среду, биогазовый энергетический комплекс, переработка отходов, биогаз, тепловая энергии, электроэнергии, биоудобрения, экономико-математическая модель
OBJECTIVE OPTIMAL ECOLOGICAL DESIGN OF REGIONAL ECONOMIC BIOENERGY COMPLEX FOR PROCESSING ANIMAL WASTE Ermoshkina A.N., Ermolenko B.V
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Based on the analysis of the volume of the formation of livestock wastes on the territory of the Russian Federation, their negative impact on the environment and the level of the energy potential of the biowaste formed, the task of optimal ecological and economic design of regional biogas energy complexes at the investment justification stage is formulated. It is proposed to solve the formulated problem using methods and models of partially integer linear programming. The block structure of the developed economic-mathematical model is described.
Keywords: livestock waste, environmental impact, biogas electricity, biofertilizer, economic-mathematical model
Одним из перспективных и активно развивающихся во многих странах мира направлений возобновляемой энергетики является использование энергии биомассы, которая включает в себя отходы животноводства, растениеводства и пищевой промышленности. С экологической точки зрения, отходы животноводства являются более агрессивными по своему воздействию на окружающую среду, чем остальные виды упомянутых выше отходов. Свиной навоз и куриный помет в свежем состоянии относятся к III классу опасности. Класс опасности свежего и перепревшего навоза крупного рогатого скота - IV и V соответственно [1]. В процессе долгосрочного хранения этих отходов оказывается негативное воздействие на окружающую среду. В атмосферу выделяются такие парниковые газы, как метан CH4 и оксид (закись) азота N2O. Стоки, содержащие навоз, являются источниками передачи более 100 видов возбудителей болезней инфекций животных и человека. Хранение навоза и помета связано со значительным отторжением земель из сельскохозяйственного пользования.
energy complex, waste treatment, biogas, thermal energy,
По данным Всероссийского научно-исследовательского, конструкторского и проектно-технологического института органических удобрений и торфа (ВНИПТИОУ), в Российской Федерации функционирует более 160 крупных животноводческих хозяйств, свинокомплексов и птицефабрик с бесподстилочным содержанием. Ежедневно каждая корова производит в среднем 40 кг навоза, свинья - 10 кг, бройлер - 100 г. Каждый день только на этих крупных объектах в стране образуется более 450 тысяч тонн помета, навоза и загрязненных сточных вод, более половины которых не используется. Только один свиноводческий комплекс с содержанием около 100 тыс. голов производит от 600 до 1000 т (при условиях использования гидросмыва) навозных стоков в сутки, что равносильно загрязнению, которое производит город с населением 400-500 тыс. человек. Под хранение навоза в настоящее время занято более 1 млн га земли, площади. равной почти половине территории Московской области.
За рубежом широкое распространение получила переработка биологических отходов
животноводства. В реакторе биогазовой установки происходит брожение навозных стоков, в процессе брожения выделяется биогаз, который используется для производства электрической и тепловой энергии. Образующаяся переброженная масса является высококачественным органическим удобрением. Удобрение лишено нитритов, семян сорняков, патогенной микрофлоры, яиц гельминитов и специфических запахов, которые содержатся в навозе, и обеспечивает повышение урожайности на на 10-20 % [2].
Россия обладает большим энергетическим потенциалом отходов животноводческого сектора. По оценке, проведенной в 2014 году, годовой
топливный технический потенциал отходов животноводства составляет 14,61 млн тонн условного топлива, электроэнергетический потенциал - 40362 млн кВтчас и теплоэнергетический потенциал - 70 млн Гкал. На рис. 1 показано, как распределяется этот энергетический потенциал по федеральным округам Российской Федерации.
При использовании энергетического потенциала биологических отходов решается и задача ресурсосбережения. Результаты оценки потенциала ресурсосбережении на территории России представлены на рис.2.
Рис. 1. Энергетический потенциал отходов животноводства
Потенциал ресурсосбережения за счет энергии отходов животноводства по ФО РФ
М- I ■ I I
(Мазут ■ Уголь нГаз
Рис. 2. Потенциал ресурсосбережения отходов животноводства
Однако, к сожалению, в настоящее время потенциал отходов животноводства в нашей стране практически не используется. В России действующих биогазовых электростанций -считанные единицы, хотя среди них уже есть успешно работающие. Первый российский реактор был запущен в 2009 году в деревне Дошино Калужской области. Позднее в Белгородской области построили биогазовые станции «Байнцуры» на базе свиноводческого комплекса, а затем в 2012 году - станцию «Лучки», энергетическая мощность которой к 2017 году достигла 3,6 МВт.
Необходимость решения стоящих перед страной проблем в области экологии и ресурсосбережения делает актуальной задачу разработки эффективных региональных программ развития биогазовых когенерационных энергетических станций в регионах с высоким энергетическим потенциалом
отходов животноводства. Учитывая
целесообразность включения в программу не только имеющихся в регионе крупных животноводческих хозяйств, но и размещенных в разных точках достаточно обширной территории многочисленных мелких источников образования биоотходов, задача разработки такой программы становится достаточно сложной и многовариантной. Для формирования программы и выбора оптимальных направлений инвестирования средств в ее реализацию предлагается использовать экономико-
математические модели и методы частично целочисленного линейного программирования. Модель должна включать в себя математическое описание потенциальных поставщиков биоотходов, производителей биогаза, электрической и тепловой энергии и биоудобрений, а также потребителей этих видов продукции. Важнейшими элементами модели
является описание материальных и финансовых потоков.
С учетом изложенного выше задача разработки региональной программы развития биогазовых когенерационных энергетических станций может быть сформулирована как задача оптимального эколого-экономического проектирования
регионального биоэнергетического комплекса на стадии обоснования инвестиций. Формулировка такой задачи имеет следующий вид:
При заданных:
- множестве видов биологических отходов животного происхождения, которые могут доставляться на биогазовые станции для переработки;
- максимально возможных объемах поставки биологических отходов их различными потенциальными поставщиками;
- множестве потенциальных площадок размещения биогазовых энергетических станций;
- множестве потенциальных технологий переработки биоотходов в биогаз, производства электрической, тепловой энергии и биоудобрений на биогазовых энергетических станциях;
- множестве видов и технико-экономических характеристиках технологического и энергетического оборудования, которое может быть использовано на биогазовых станциях для реализации выбранных технологий;
- потребности различных потенциальных потребителей в тепловой и электрической энергии, вырабатываемой на биогазовых станциях проектируемого комплекса;
- потребности различных потенциальных потребителей в биоудобрениях, производимых на биогазовых станциях проектируемого комплекса;
- ограничениях на финансовые возможности инвесторов
определить
- места размещения биогазовых станций;
- технологии переработки отходов животного происхождения и конкретное технологическое оборудование для производства биогаза и биоудобрений на различных биогазовых станциях;
- технологии производства тепловой и электрической энергию из биогаза и конкретное энергетическое оборудование;
- объемы производства тепловой, электрической энергии и биоудобрений на различных биогазовых станциях;
- потребителей продукции биогазовых станций и объемы поставок (сбыта)
тепловой, электрической энергии и биоудобрений различным потребителям;
- объемы инвестиций и направления инвестирования средств,
обеспечивающие
максимальный интегральный эффект (максимум чистого дисконтированного дохода) от реализации разрабатываемой региональной программы развития биогазовых
когенерационных энергетических станций.
В составе биогазовых станции, входящих в комплекс, в качестве объектов математического описания выступают:
1. Отделение приема и усреднения биологических отходов (навоза) по количественно-качественным параметрам с оборудованием для отделения посторонних включений, гомогенизации, измельчения и подачи навоза на дальнейшую обработку.
2. Отделение анаэробного сбраживания навоза с использованием метантенков.
3. Отделение обработки сброженной навозной массы на оборудовании для ее разделения и обезвоживания с получением жидких и гранулированных органических удобрений.
4. Отделение хранения (склад) жидких и гранулированных биологических удобрений.
5. Отделение подготовки для использования и хранения (в газгольдерах) биогаза.
6. Отделение производства тепловой и электрической энергии - мини-ТЭЦ.
7. Автотранспортное хозяйство -автотранспорт, гараж, ремонтные мастерские, автомойка.
8. Административно-хозяйственно-бытовой блок.
Основные материальные потоки, которые будут рассматриваться в модели это потоки: биологических отходов, являющихся сырьем для производства продукции на биогазовой станции, биогаз, жидкие биоудобрения, гранулированные биоудобрения, электрическая энергия и тепловая энергия.
Разработанная для решения сформулированной задачи модель частично-целочисленного линейного программирования состоит их системы ограничений, задающей область допустимых решений задачи, и функционала.
Структура основных блоков математического описания области допустимых решений задачи и функционала представлена ниже.
Блок 1. Потребность в продукции
биогазовых станций
1. Потребность в жидких биоудобрениях
2. Потребность в твердых гранулированных биоудобрениях
3. Потребность в электрической энергии
4. Потребность в тепловой энергии Блок 2. Обеспечение биогазовых станций биоотходами
1. Объемы поставок биоотходов
2. Ограничение на возможности поставки биотходов
3. Ограничение на объемы переработки биотходов на биогазовой станции
Блок 3. Производство биогаза и биоудобрений на биогазовой станции
4. Прием, хранение и усреднение поступающих на станцию биологических отходов.
5. Выбор типа и мощности основного технологического оборудования по переработке биологических отходов
6. Производство биогаза
7. Выбор типа и мощности основного технологического оборудования по переработке сброженной навозной массы
8. Производство жидких биоудобрений
9. Производство твердых (гранулированных) биоудобрений
10. Хранение готовых жидких и гранулированных биологических удобрений
Блок 4. Производство тепловой и электрической энергии из биогаза
1. Часовая выработка электрической и тепловой энергии на биогазовых станциях
2. Выбор типа и мощности паротурбинных установок для производства электрической и тепловой энергии
3. Объемы производства электрической и тепловой энергии на паротурбинных установках
4. Выбор типа и мощности газотурбинных установок для производства электрической и тепловой энергии
5. Объемы производства электрической и тепловой энергии на газотурбинных установках
6. Выбор типа и мощности газовых микротурбинных установок для производства электрической и тепловой энергии
7. Объемы производства электрической и тепловой энергии на газовых микротурбинных установках.
8. Выбор типа и мощности газопоршневых установок для производства электрической и тепловой энергии
9. Объемы производства электрической и тепловой энергии газопоршневыми
установками. Выбор типа и мощности газопоршневых установок
10. Условия выбора типов, количества и мощности когенерационных установок, размещаемых на биогазовых станциях
11. Месячный и годовой объемы производства электрической и тепловой энергии на биогазовых станциях
12. Количество электрической и тепловой энергии, уходящее с биогазовых станций потребителям
Блок 5. Расход биогаза на производство электрической и тепловой энергии
1. Потребность в биогазе
2. Удовлетворение потребности в биогазе
3. Запас биогаза для производства электрической и тепловой энергии.
Блок 6. Инфраструктура биогазовых станций
1. Количество и типоразмеры автотранспортных средств для обслуживания перевозки биоотходов
2. Хозяйственно-бытовые здания
3. Трубопровод для передачи тепловой энергии
Блок 7. Финансово-экономические ограничения
Объем инвестиций в биогазовый комплекс
Ограничение на объем инвестируемых средств
Операционные (текущие) затраты биогазового комплекса
Доход от реализации продукции биогазового комплекса
Ограничения на срок окупаемости инвестиций
Функционал задачи оптимального проектирования биогазового комплекса
1. Доход от реализации продукции
2. Операционные затраты
3. Инвестиции в проект
4. Наполнение модели конкретной информацией позволяет решить оптимизационную задачу с применением методов частично-целочисленного линейного программирования и эффективных специализированных программных продуктов, реализующих эти методы.
Список литературы
1. Об утверждении федерального классификационного каталога отходов (с изменениями на 28 ноября 2017 года):Приказ Федеральной службы по надзору в сфере природопользования от 22 мая 2017 года N 242. -М.: ФГБУ Редакция Российской газеты. - 2017.
2. Баадер, В. Биогаз: теория и практика [Текст] / В. Баадер, Е. Доне, М. Бренндерфер. - М.: Колос, 1982. - 148 с.
