Технические науки/5. Электроэнергетика

Пестрикова И.Е., Пестрикова Л.Е.,

Панарина И.В., Лопатина Л.Г.

Омский государственный технический университет, Россия

Позиция и значение биогаза

как регенеративного энергоносителя в Германии

Дискуссии в Германии, касающиеся политики в области энергетики и экологии, обуславливаются уже более 3 десятилетий в значительной мере влиянием производства электроэнергии на окружающую среду. Значительные усилия, предпринимаемые в Германии, с целью форсированного использования возобновляемых источников энергий уже привели к значительному сокращению эмиссии вредных климатических газов. Этому значительно способствовало производство и использование биогаза в производстве электроэнергии, в частности.

С момента вступления в силу Закона «О возобновляемых источниках энергии» (ЗОИЭ) в 2000 году значительно возросло производство и использование биогаза в сельском хозяйстве. В прошлом эти процессы активизировались Федеральной рыночной программой стимулирования (РПС) и различными программами федеральных земель по привлечению инвестиций. Особую роль в ускоренном строительстве установок, работающих на биогазе, сыграло внесение дополнений в ЗОИЭ в 2004 году. С тех пор использование возобновляемых видов сырья в производстве биогаза стало экономически обоснованным. Это привело также к тому, что сегодня производство и использование биогаза имеют значительный экономический потенциал. Попрежнему существуют значительные источники органических веществ, которые могут быть использованы в производстве биогаза. Вместе с тем в настоящее время имеются краевые условия, которые позволяют ожидать роста производства и использования биогаза [1, с.196].

Производство биогаза, как один из способов производства энергии из биомассы

Под биомассой понимают вещества органического происхождения, которые могут быть использованы в производстве электроэнергии. Понятие «биомасса» охватывает природную растительную и животную массу (растения и животные) и продукты их жизнедеятельности (например, экскременты). Кро­ме того, сюда относятся также органические вещества, имеющиеся в уже умерших организмах (например, солома, отходы скотобойни).

Биомасса подразделяется на: энергоемкие растения, остатки урожая, органические побочные продукты и отбросы. Этот комплекс веществ должен поступить сначала в распоряжение энергетики. В подавляющем большинстве случаев необходимо решить проблему их транспортировки. Во многих случаях биомасса должна проходить предварительную механическую переработку перед её использованием в производстве энергии. Часто возникает потребность в создании мощностей для хранения биомассы с целью приведения в соответствие объема имеющейся биомассы и спроса на энергию (рис. 1).

Кроме того, из биомассы можно получать тепло, электроэнергию и/или топливо. Для этого имеются различные технологии. Сюда относится: прямое сжигание в топках, которое позволяет одновременно производить тепло и электроэнергию. При этом получение тепла исключительно из твердых биоэнергоносителей является «классическим» прикладным случаем в производстве полезной и конечной энергии из биомассы.

Однако, имеется еще множество других методов и способов использования биомассы для удовлетворения спроса на конечную или полезную энергию (рис. 1). Различают термический, физический и биохимический способ обогащения. При этом производство биогаза (анаэробное получение субстра­тов биогаза) и его использование представляют собой один из биохимических способов его обогащения.

Рис.1 Возможности использования биомассы для производства конечной и полезной энергии

Долгосрочность и стабильность производства биогаза и его экологичность

Для исследования экологической составляющей в области добычи и использования биогаза в настоящее время проводится большое количество исследовательских и статистических проектов, некоторые из которых уже выполнены. Очевиден тот факт, что долгосрочная стабильность в использо­вании биогаза зависит преимущественно от выбора субстратов, качества (эффективности и эмиссии) используемых в установках технологий, эффективности в использовании энергии, содержащейся в произведенном биогазе.

При использовании субстратов экологически выгодными являются низко затратные вводные материалы. Поэтому необходимо форсировать использование этих субстратов для производства биогаза. Например, благодаря использованию навозной жижи в процессе получения биогаза рационально используются не только имеющиеся в распоряжении массы субстрата. Благодаря этому одновременно предотвращается эмиссия, связанная с традиционным способом хранения навозной жижи. Вот почему здесь отдается предпочтение использованию возобновляемых видов сырья, в частности, смесей остаточных материалов и отходов (например, экскрементов и отходов пищевой промышленности). Кроме того, остаточные материалы и отходы могут быть экологически очень выгодны и дополнять определенные возобновляемые виды сырья, предназначенные для сбраживания.

При выборе производственного оборудования следует отдавать предпочтение тому, которое предотвращает эмиссию и обеспечивает высокую степень эффективности, т.е. высокой степени брожения биомассы. Это достигается, с одной стороны, путем применения конструктивных решений на этапе инвестирования, с другой стороны – путем выбора способа эксплуатации биоэнергетической установки. Подробная информация об этом содержится в докладах в рамках проекта «Оптимизация стабильного долгосрочного развития производства и использования биогаза в Германии» [2].

Относительно использования биогаза большую выгоду принесет реализация концепции максимально полного использования энергии биогаза и, прежде всего, концепции замены энергоносителей, вызывающих высокие показатели эмиссии СО2, например, уголь или нефть. Поэтому концепции производства электроэнергии и тепловой энергии в одном цикле при максимально полном использовании тепла, как правило, выгоднее всех других способов использования тепловой энергии. При этом использование тепла должно максимально вытеснить ископаемые энергоносители из сферы производства тепловой энергии. При этом именно крупные производители энергии (не имеющие, например, такой возможности из-за неудобного расположения энергетических установок, работающих на биогазе) получают возможность замены энергоносителей. В этом случае качество биогаза доводится до уровня качества природного газа, а магистрали подводятся к потребителям, имеющим высокий круглогодичный спрос на него, где и производится замена энергоносителей и достигается улучшение экологической обстановки.

Эмиссии парникового газа в процессе производства электроэнергии из биогаза на различных биоэнергетических установках показаны в сопоставлении с эмиссиями парникового газа при использовании немецкой энергетической смеси (2005г.) на рисунке 2 [3].

Рис. 9.2: Эмиссии парникового газа (кг СО2 экв. /Кт) моделей установок, работающих на биогазе, в сравнении с установками, работающими на немецкой энергетической смеси (ОБ – отставание брожения) [3].

Эти расчеты касаются моделей энергетических установок, использующих биогаз, причем в качестве производственного материала для эксплуатации биоэнергетической установки допускается либо исключительно возобнов­ляемые источники сырья (ВИС), либо смесь навозной жижи и ВИС. Эмиссии парниковых газов показаны в килограммах эквивалента двуокиси углерода на киловатт-час вырабатываемой электроэнергии. Получение возобновляемых видов сырья (ВИС) связано, как правило, с дополнительными климатически релевантными эмиссиями (например, аммиак), в то время как при использовании навозной жижи на энергетических установках, использующих биогаз, можно добиться сокращения эмиссии. При этом в первую очередь здесь необходимо использовать экономически выгодные ресурсы сельского хозяйства, т.е. экскременты животных и остаточные материалы растительного происхождения. В результате предоставления кредитов за сокращение эмиссий, связанных с хранением навозной жижи, её более широкое использование и переработка брожением значительно сократила выбросы парниковых газов по сравнению с немецкой энергетической смесью. Сокращение объема выбросов парниковых газов в процессе сбраживания навозной жижи наблюдается также в сравнении с ее обычным хранением (без использования в установках, работающих на биогазе); навозная жижа оказывает, кроме того, стабилизирующее воздействие [2]. Так как минеральные удобрения могут замещаться остатками брожения, кредиты, предоставляемые на приобретение удобрений, выдаются для приобретения отходов брожения, которые также положительно отражаются на балансе парниковых газов.

Полученные данные указывают на то, что производство электроэнергии из биогаза при замещении обычных энергоносителей (в Германии большей частью ядерной энергии или энергии, получаемой от сжигания бурого и/или каменного угля), может в значительной мере сократить эмиссии парникового газа. Это зависит, в первую очередь, от эксплуатации биоэнергетических установок.

Давая оценку данным об экологическом балансе, можно прийти к выводу, что исходные данные, используемые для расчетов, имеют большие погрешности и поэтому не могут применяться ни к одному практическому случаю. Кроме того, установленные абсолютные показатели в большинстве случаев не имеют большого значения, а могут быть использованы, в значительной мере, для иллюстрации различий между определенными способами добычи и использования биогаза. Измерения, проводимые в настоящее время, на современных биоэнергетических установках, позволяют значительно улучшить основную базу данных и сделать более весомыми аргументы в пользу этих установок

 

Литература:

1. Руководство по биогазу от получения до использования. – Leipzig, «Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR)», 2010. – 215 с.

2. Vogt, R. et al. Optimierung für einen nachhaltigen Aus-bau der Biogaserzeugung und -nutzung in Deutschland. IFEU, Heidelberg (Koordinator) und IE, Leipzig, Öko-Institut, Darmstadt, Institut für Landschaftsarchitek-tur und Umweltplanung, TU Berlin, S. Klinski, Berlin, sowie im Unterauftrag Peters Umweltplanung, Berlin. Forschungsprojekt des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU). Endbericht mit Materialband (Bd. A – Bd. Q), Heidelberg 2008. www.ifeu.de; www.erneuerbare-energien.de

3. Majer, S. Daniel, J. Einfluss des Gülleanteils, der Wär-meauskopplung und der Gärrestlagerabdeckung auf die Treibhausgasbilanz von Biogasanlagen. KTBL-Tagung «Ökologische und ökonomische Bewertung nachwach-sender Energieträger», 08./09. September 2008, Aschaffenburg.