Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

Экологическая и экономическая целесообразность использования биотоплива

Маслеева О.В. 1 Пачурин Г.В. 1
1 ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева», Нижний Новгород
В работе дана экологическая оценка эмиссии парниковых газов при использовании биотоплива. Рассмотрены достоинства его производства из возобновляемого сырья, например растений, навоза или органических отходов: навоз, птичий помёт, зерновая и меласная послеспиртовая барда, пивная дробина, свекольный жом, фекальные осадки, отходы рыбного и забойного цеха (кровь, жир, кишки), трава, бытовые отходы, отходы молокозаводов, отходы от производства соков, крахмала и патоки, переработки картофеля и др. Выполнен расчет парниковых газов. Дана оценка вклада в парниковый эффект объектов биоэнергетики. Проведено сравнение эмиссии парниковых газов живоноводческого комплекса для двух вариантов использования образующегося навоза: при сжигании биогаза, выделяющегося из навоза, при традиционных системах сбора, хранения и использования навоза животных. Показано, что применение установок по производству биогаза позволяет улучшить экологическую обстановку в районе, уменьшить эмиссию парниковых газов и сократить расход ископаемого топлива для производства электроэнергии.
парниковые газы
биотопливо
эмиссия парниковых газов
биоэнергетика
расход топлива
глобальное потепление
сжигание биогаза
1. Российское Энергетическое Агентство Пресс-Дайджест «Биотопливо», Март 2011 г. (http://solex-un.ru/sites/solex-un/files/energo_files/biotoplivo_mart.pdf).
2. Благутина В.В. Биоресурсы // Химия и жизнь. – 2007. – №1. – С. 36–39.
3. Мариненко Е.Е. Основы получения и использования биотоплива для решения вопросов энергосбережения и охраны окружающей среды в жилищно-коммунальном и сельском хозяйстве: учебное пособие. – Волгоград: ВолгГАСА, 2003. – 100 с.
4. Стребков Д.С., Ковалев А.А. Биогазовые установки для обработки отходов животноводства // Техника и оборудование для села. – 2006. – №11. – С. 28–30.
5. Панцхава Е.С. Возможности и перспективы развития биоэнергетики // Новости теплоснабжения. – 2007. – №2(78).
6. Малофеев В.М. Биотехнология и охрана окружающей среды: учебное пособие. – М.: Издательство Арктос, 1998. – 188 с.
7. http://www.elettracompany.com/node/87 – Альтернативная Энергетика.

Остростоящая в настоящее время проблема энергосбережения при снижении загрязнения окружающей среды заставляет не только искать пути более рационального использования традиционных энергоресурсов, но и находить другие, желательно возобновляемые и недорогие источники энергии.

Успешное развитие экономики любой страны напрямую связано с ростом потребления энергии. Однако запасы ископаемого топлива, во-первых, не безграничны, а во-вторых, их сжигание приводит к загрязнению окружающей среды и к парниковому эффекту на нашей планете. Последний приводит к глобальному изменению климата на Земле, и результат этого влияния мы ощущаем уже сегодня. Аномальные и достаточно мощные землетрясения, необычайно теплые зимы, грандиозные наводнения и ураганы стали частыми гостями во многих странах мира, которые раньше о таких бедах знали лишь понаслышке.

Российский агрокомплекс ежегодно производит 773 млн т отходов, из которых можно было бы получить 66 млрд кубометров биогаза, или около 110 млрд киловатт-часов электроэнергии [1]. Вместо этого ежегодный ущерб от отходов агропромышленного комплекса оценивается в 450 млрд руб., в частности, значительная доля ущерба приходится на загрязнение водных ресурсов.

Получение биогаза из органических отходов

Получение биогаза из органических отходов основано на свойстве последних выделять горючий газ в результате так называемого «метанового сбраживания» в анаэробных (без доступа воздуха) условиях [2, 3].

В свою очередь, «метановое сбраживание» происходит при разложении органических веществ в результате жизнедеятельности двух основных групп микроорганизмов. Одна группа микроорганизмов, обычно называемая кислотообразующими бактериями, или бродильными микроорганизмами, расщепляет сложные органические соединения (клетчатку, белки, жиры и др.) в более простые, при этом в сбраживаемой среде появляются первичные продукты броже- ния - летучие жирные кислоты, низшие спирты, водород, окись углерода, уксусная и муравьиная кислоты и др. Эти менее сложные органические вещества являются источником питания для второй группы бактерий - метанообразующих, которые превращают органические кислоты в требуемый метан, а также углекислый газ и др.

После окончания реакции, на выходе из реактора получают уже готовые к использованию минеральные удобрения.

Сырьё для получения биотоплва

В отличие от традиционных нефти или газа, биотопливо производится из возобновляемого биологического материала, например растений, навоза или отходов [4].

Перечень органических отходов, пригодных для производства биогаза: навоз, птичий помёт, зерновая и меласная послеспиртовая барда, пивная дробина, свекольный жом, фекальные осадки, отходы рыбного и забойного цеха (кровь, жир, кишки, каныга), трава, бытовые отходы, отходы молокозаводов - соленая и сладкая молочная сыворотка, отходы производства биодизе- ля - технический глицерин от производства биодизеля из рапса, отходы от производства соков - жом фруктовый, ягодный, овощной, виноградная выжимка, водоросли, отходы производства крахмала и патоки - мезга и сироп, отходы переработки картофеля, производства чипсов - очистки, шкурки, гнилые клубни, кофейная пульпа [5].

Биогазовые установки могут устанавливаться как очистные сооружения на фермах, птицефабриках, спиртовых заводах, сахарных заводах, мясокомбинатах. Биогазовая установка может заменить ветеринарно-санитарный завод, т.е. падаль может утилизироваться в биогаз вместо производства мясо-костной муки.

Кроме отходов биогаз можно производить из специально выращенных энергетических культур, например, из силосной кукурузы или сильфия, а также водорослей. Выход газа может достигать до 300 м³ из 1 т. Выход биогаза для различных источников приведен в табл. 1.

Суточное выделение экскрементов от одного животного выбрано в соответствии с ОНТП 17-81 «Общесоюзные нормы технологического проектирования систем удаления, обработки, обеззараживания, хранения, подготовки и использования навоза и помета» и приведено в табл. 2. Химический состав биогаза представлен в табл. 3.

Таблица 1 Выход биогаза для различных источников

Источник биогаза

Выход, м3

Навоз крупного рогатого скота

54

Навоз свиной

62

Птичий помет клеточный

103

Свежая трава

200

Корнеплодные овощи

100

Таблица 2 Суточное выделение экскрементов от одного животного

Наименование животных

Масса навоза, кг/сутки

Крупный рогатый скот

35

Свиньи

5

Куры

0,15

Таблица 3 Химический состав биогаза

Химический состав биогаза

Химическая формула

Содержание, %

Метан

CH4

40-75

Углекислый газ

CO2

25-55

Водяной пар

Н2О

0-10

Азот

N2

< 5

Кислород

O2

< 2

Водород

H2

< 1

Сероводород

H2S

< 1

Аммиак

NH3

< 1

Достоинства производства топлива из органических отходов

Биотопливо можно использовать в качестве сырья в когенерационных установках, которые представляют собой оборудование для комбинированного производства тепла и электроэнергии. Электроэнергию можно использовать для собственных нужд, фермы, мясокомбината или продавать в общую распределительную сеть. Тепло можно использовать для обогрева предприятия, технологических целей, получения пара, сушки семян, сушки дров, для содержания скота, для отопления теплиц. В себестоимости тепличных огурцов, помидоров, цветов 90% затрат - это тепло и удобрения.

При сжигании биогаза преимущественно образовываются СО2, О2 и вода. Кроме того, еще образовываются вредные газы, как то СО, NO и NO2, SO2, формальдегид и углеводороды.

Условия получения биогазов и наличие в их составе вредных и балластных примесей диктуют необходимость предварительной обработки биогаза перед использованием в тепловых установках.

Сероводород (H2S) является важнейшей составляющей биогаза. Сероводород, смешивающийся в биогазе с водой, образует кислоту, вызывающую коррозию, что в первую очередь вызывает проблемы с арматурой, газовыми счетчиками, горелками и двигателями. Поэтому необходимо очищать биогаз от серы. Наиболее простым и экономичным способом очистки биогаза от сероводорода является сухая очистка в специальном фильтре. В качестве абсорбера применяется металлическая «губка», состоящая из смеси окиси железа и деревянной стружки. При использовании метода - адсорбции биогаз сначала проходит через специально обработанный активированный уголь, где H2S окисляется до серы, которая сорбируется порами угля.

К достоинствам получения топлива из органических отходов можно отнести следующие факторы [6, 7]:

  1. Биотопливо - возобновляемый ресурс, поэтому оно является долгосрочным и надежным источником энергии.
  2. Получение биогаза - для выработки электро и теплоэнергии, а также в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания. Биогазовые установки могут частично или полностью заменить устаревшие региональные котельные и обеспечить электроэнергией и теплом близлежащие деревни, поселки, небольшие города. Сжигание 1 м3 биогаза на современной когенерационной установке дает возможность получить 2,4 квт•ч. электроэнергии и 2,8 квт·ч (при 60% метана в биогазе) тепловой энергии в виде горячей воды. Биоэнергетика может оказать существенную помощь в решении проблем энергосбережения.
  3. Производство высококачественных биоудобрений с высоким содержанием азотной и фосфорной составляющей. Переброженная масса ? это готовые экологически чистые жидкие и твердые биоудобрения, лишенные нитритов, семян сорняков, патогенной микрофлоры, яиц гельминтов, специфических запахов. При использовании таких сбалансированных биоудобрений урожайность повышается на 10-20%. Биоудобрения можно продавать. Эти удобрения по качеству выше минеральных, а их себестоимость равна практически «0».
  4. Экономия затрат на очистных сооружениях.
  5. Выделение запаха сокращается до 80%.
  6. Снижение уровня вредных выбросов в атмосферу.
  7. Производство биогаза позволяет сократить выбросы парниковых газов.
  8. Средний срок окупаемости проекта 1,5-2 года, так как не надо платить за газ, электроэнергию, теплую воду, удобрения. Высокая рентабельность отечественных биогазовых технологий обеспечивается одновременным производством высокоэффективных органических удобрений. По расчетам специалистов в российских условиях наиболее рентабельными являются установки средней и большой мощности.

Методика расчета парниковых газов

Разработкой методик инвентаризации выбросов парниковых газов в соответствии с РКИК и Киотским протоколом занимается Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК). МГЭИК - специальный орган, учрежденный ЮНЕП и ВМО для проведения оценок результатов исследования изменения климата с целью представления этих оценок лицам, принимающим политические решения. «Пересмотренные Руководящие принципы национальных инвентаризаций парниковых газов МГЭИК», были приняты МГЭИК в 1996 г. на 12 сессии. Рабочие книги Пересмотренных Руководящих принципов МГЭИК включают пересмотренные методологии и типичные данные по сжиганию топлива, индустриальным процессам, сельскохозяйственным почвам, изменению землепользования и лесному хозяйству, отходам.

Модуль «Энергетика»

Исходными данными для данного расчета являются величины расхода топлива, а именно: расход угля, расход топливного мазута, природного газа или других видов топлива.

Этапы расчета выбросов:

  1. Определение фактического потребления топлива в натуральных единицах.
  2. Перевод в тонны условного топлива, тут
  3. Преобразование в общие энергетические единицы, ТДж.
  4. Умножение на пересчетные коэффициенты для расчета содержания углерода.
  5. Корректировка на неполное сгорание топлива (фракция окисленного углерода).
  6. Пересчет окисленного углерода в выбросы СО2.

Аналогично выполняется расчет для выбросов метана и закиси азота.

При расчете необходимо учитывать потенциал глобального потепления для каждого вещества (табл. 4). Потенциал глобального потепления оценивает радиационное (разогревающее) воздействие молекулы парникового газа относительно двуокиси углерода, осредненное за выбранный период времени после эмиссии.

Таблица 4 Потенциал глобального потепления для парниковых газов

Газ

Химическая формула

Период распада в атмосфере (в годах)

ПГП-100

Двуокись углерода

СО2

Различный, преобладают компоненты со сроком распада около 100 лет

1

Метан

СН4

12

21

Закись азота

N2О

120

310

Затем определяется суммарный выброс парниковых газов в СО2-эквиваленте.

Модуль «Сельское хозяйство»

В Рабочей книги Пересмотренных Руководящих принципов МГЭИК рассматриваются эмиссии парниковых газов в том числе от сельскохозяйственного животноводства и птицеводства, которые включает эмиссии при внутренней (кишечной) ферментации у сельскохозяйственных животных и домашнего скота, а также сборе, хранении и использовании продуктов жизнедеятельности животных и птицы (навоз и птичий помет).

Методика расчета эмиссий метана (CH4) и закиси азота (N2O) включает расчет от двух источников:

  • внутренней (кишечной) ферментации у сельскохозяйственных животных;
  • навоза и птичьего помета, как продукта жизнедеятельности сельскохозяйственных животных и птицы в зависимости от методов его сбора, хранения и использования.

Метан образуется при внутренней ферментации в желудках травоядных животных как побочный продукт процесса пищеварения. Объем выделенного метана зависит от вида животного. Разложение продуктов жизнедеятельности животных и птиц (навоза и птичьего помета) в анаэробных условиях также сопровождается выделением метана.

Расчет эмиссии метана и закиси азота состоит из следующих шагов.

  1. Определение фактических данных поголовья по каждому виду сельскохозяйственных животных и птицы.
  2. Расчет значений эмиссии CH4 при внутренней ферментации от каждой категории сельскохозяйственных животных и птицы с учетом средних значений коэффициентов эмиссии метана (CH4).
  3. Расчет эмиссии метана при сборе, хранении и использовании навоза и птичьего помета.
  4. Суммарные значения эмиссии CH4 при внутренней ферментации и от навоза и помета.
  5. Расчет эмиссии N2O при сборе, хранении и использовании про­дуктов жизнедеятельности животных и птицы (навоза и птичьего помета) с учетом выделения азота при применении определенной системы сбора, хранения и использования навоза или помета.
  6. Расчет эмиссии N2O от всех систем сбора, хранения и исполь­зования навоза и помета с учетом коэффициентов эмиссии закиси азота для каждого типа системы сбора, хранения и использования навоза и помета животных.

Расчет парниковых газов

Навоз, образующийся в огромных количествах на крупных животноводческих комплексах, можно использовать, традиционно собирая и храня, но при этом происходит загрязнение почвы и водного бассейна, что сопровождается неприятным запахом, а также необходимы экологические платежи и даже штрафы.

Более разумным вариантом является установка комплекса по получению биогаза из навоза и последующее сжигание биогаза на мини-ТЭЦ для получения теплоэлектроэнергии для самого животноводческого комплекса и жилых домов, расположенных рядом.

Поэтому для оценки вклада в парниковый эффект объектов биоэнергетики был выполнен расчет двух вариантов:

  1. Животноводческий комплекс, в котором применяются различные системы сбора, хранения и использования навоза животных,
  2. Животноводческий комплекс, в котором установлены установки для получения биогаза и мини-ТЭЦ для получения электро-теплоэнергии из биогаза.

В расчете принято, что в животноводческом комплексе может содержаться 500, 1000, 2000, 3000, 4000 голов молочного скота.

Для первого варианта необходимо выполнить расчет следующих парниковых газов:

  • метана (CH4) для процесса внутренней ферментации у сельскохозяйственных животных и навоза, как продукта жизнедеятельности сельскохозяйственных животных и птицы в зависимости от методов его сбора, хранения и использования;
  • закиси азота (N2O) из навоза, как продукта жизнедеятельности сельскохозяйственных животных в зависимости от методов его сбора, хранения и использования.

Результаты расчета в соответствии с модулем «Сельское хозяйство» для животноводческого комплекса, в котором применяются различные системы сбора, хранения и использования навоза животных, приведены в табл. 5 и на рисунке.

Таблица 5 Расчет эмиссии парниковых газов животноводческого комплекса

Поголовье животных, тыс. голов

Общая годовая эмиссия метана, т

Потенциал глобального потепления для СН4

Эмиссии СН4 в пересчете на СО2экв, т СО2

Эмиссии N2O, т

Потенциал глобального потепления для N2O

Эмиссии N2O в пересчете на СО2экв, т СО2

Всего СО2экв, т

0,5

202,5

21

4252,5

9,483•10-04

310

0,3

4253

1

405

21

8505

1,897•10-03

310

0,6

8506

2

810

21

17010

3,793•10-03

310

1,2

17011

3

1215

21

25515

5,690•10-03

310

1,8

25517

4

1620

21

34020

7,586•10-03

310

2,4

34022

Для второго варианта необходимо выполнить расчет следующих парниковых газов:

  • СО2, N2O, СН4, которые образуются в процессе сжигания биотоплива.
  • СО2, который является составной частью биогаза и без превращений выбрасывается в атмосферу.

Расчет эмиссии парниковых газов, образующихся при сжигании биогаза, на мини-ТЭЦ для получения электро-теплоэнергии был выполнен в соответствии с модулем «Энергетика» для животноводческого комплекса, в котором установлены установки для получения биогаза.

Исходные данные для расчета (табл. 6): поголовье животных, выделение экскрементов от всех животных за год, суммарный выход биогаза за год.

Таблица 6 Исходные данные для расчета эмиссии парниковых газов при сжигании биогаза на мини-ТЭЦ

Поголовье животных, голов

Суточное выделение экскрементов от одного животного, кг/сут

Выделение экскрементов от всех животных, т/год

Удельные нормы выхода биогаза, м3

Суммарный выход биогаза, м3/год

Содержание СО2
в биогазе, м3/год

500

35

6387,5

54

344925

68985

1000

35

12775

54

689850

137970

2000

35

25550

54

1379700

275940

3000

36

39420

54

2128680

425736

4000

35

51100

54

2759400

551880

Таблица 7 Эмиссия парниковых газов при сжигании биогаза на мини-ТЭЦ

Расход биогаза, тыс. м3/год

Производство электроэнергии, тыс. кВт•ч/год

Эмиссия парниковых газов, т/год

Эмиссия парниковых газов в пересчете на СО2экв, т СО2/год

Эмиссия парниковых газов при сжигании биогаза в пересчете на СО2экв, т СО2/год

Эмиссия СО2 из биогаза, т

Всего СО2экв, т

СО2

N2О

СН4

СО2

N2О

СН4

345

828

414,2

0,001

0,038

414,2

0,2

0,80

415

135,9

551

690

1656

828,3

0,002

0,076

828,3

0,5

1,59

830

271,8

1102

1380

3311

1656,7

0,003

0,152

1656,7

0,9

3,19

1661

543,6

2204

2129

4967

2556,0

0,005

0,234

2556,0

1,5

4,92

2562

838,7

3401

2759

6623

3313,3

0,067

0,364

3313,3

20,8

8,01

3342

1087,2

4429

Результаты расчета приведены в табл. 7.

На рисунке представлены данные сравнения эмиссии парниковых газов животноводческого комплекса для двух вариантов использования образующегося навоза: при сжигании биогаза, выделяющегося из навоза, при традиционных системах сбора, хранения и использования навоза животных.

Эмиссия парниковых газов животноводческого комплекса: а - при сжигании биогаза из навоза; б - при системе сбора, хранения и использования навоза животных

Выводы

Проведенные исследования показывают, что применение установок по производству биогаза является экологически и экономически целесообразным, так как позволяет улучшить экологическую обстановку в районе, уменьшить эмиссию парниковых газов и сократить расход ископаемого топлива для производства электроэнергии.

Рецензенты:

  • Михаленко М.Г., д.т.н., профессор, декан ИФХФ, Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алек­- сеева (НГТУ), г. Нижний Новгород;
  • Лоскутов А.Б., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Электроснабжение и электроэнергетика» (ЭСиЭ), Волжская государственная академия водного транспорта (ВГАВТ), г. Нижний Новгород.

Работа поступила в редакцию 09.04.2012.


Библиографическая ссылка

Маслеева О.В., Пачурин Г.В. Экологическая и экономическая целесообразность использования биотоплива // Фундаментальные исследования. – 2012. – № 6-1. – С. 139-144;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=29953 (дата обращения: 11.12.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074