Биогазовые технологии — новый тренд экономики замкнутого цикла

Обзоры, интервью, свежие новости и изменения в законодательстве — оперативно в нашем Telegram-канале. О самых важных событиях — в нашей группе ВКонтакте.

Экономика замкнутого цикла в России

В 2022 году в России стартовал новый федеральный проект «Экономика замкнутого цикла». Инициатива направлена на выполнение поставленной Президентом РФ задачи: к 2030 году добиться сокращения в два раза объемов захороненияи 100%-ной обработки всех отходов, а также снижения негативного воздействия на окружающую среду и ликвидации свалок.

Реализация нового федерального проекта позволит к 2030 году повысить долю использования вторичных ресурсов:

• до 40% в строительстве,
• до 50% — в сельском хозяйстве,
• до 34% — в промышленности.

Новая модель циркулярной экономики должна прийти на смену традиционной, работающей по принципу «добыть, использовать, выбросить».

Денис Буцаев

Генеральный директор ППК «Российский экологический оператор»

Таким образом, Россия постепенно переходит на экономику замкнутого цикла, которая предполагает принципиально новый подход к производству, потреблению и ведению хозяйственной деятельности на основе возобновляемых решений и бизнес-моделей. То есть на смену неконтролируемой генерации отходов должна прийти их переработка и многократное использование.

Модель экономики замкнутого цикла основана на принципах устойчивого развития. Главными ее инструментами становятся экологические инновации и «зеленые» технологии − экологически чистые или природоподобные технологии, дружественные по отношению к окружающей среде.

Проблема обращения с органическими отходами

Проблема утилизации органических отходов − одна из актуальных задач, стоящих перед работниками сельскохозяйственных предприятий.

Реализация доктрины продовольственной безопасности РФ, планов по развитию агропромышленного комплекса (АПК) и увеличению поголовья скота может привести к росту объема отходов до 1,2 миллиарда тонн. Ежегодный ущерб от отходов АПК в России оценивается в 450 млрд рублей, в частности, по причине загрязнения водных ресурсов.

В настоящее время более 2 млн га земли в России занято под хранение навоза, то есть отходами животноводства покрыта площадь, равная почти половине территории Московской области. Согласно данным Федеральной службы государственной статистики, в 2022 году образовано:

• 163 млн тонн отходов — от КРС (крупного рогатого скота);
• 85 млн тонн — от свиней;
• почти 6 млн тонн — от овец и коз;
• более 15 млн тонн куриного помета.

Последний из перечисленных органических отходов в чистом виде не только не обеспечивает плодородие, но является токсичным и может вызывать химические ожоги и гибель растений).

Миллионы тонн отходов животноводства и птицеводства наносят существенный вред окружающей среде и создают риски для здоровья человека:

1. Загрязнение и последующее выведение из оборота сельскохозяйственных, в том числе плодородных пахотных, земель;
2. Деградация экосистем;
3. Загрязнение подземных и поверхностных вод;
4. Потеря биогенных элементов в окружающей среде, прежде всего азота и фосфора;
5. Сильный неприятный запах вблизи животноводческих предприятий;
6. Чрезмерное обогащение почвы азотсодержащими веществами, способствующее накоплению в растениях нитратов и нитритов, которые приводят к отравлению людей и вызывают заболевания;
7. В неподготовленном навозе/помете, кроме полезных компонентов, присутствуют в большом количестве патогенная микрофлора, гельминты, семяна сорняков и т. д.;
8. Риск накопления в почве, грунтовых и поверхностных водах, сельхозкультурах патогенных возбудителей, что может приводить к эпидемиям и эпизоотиям.

Биогазовые технологии как компонент экономики замкнутого цикла

Правительством РФ сформулирована задача — разработать и внедрить новые эффективные и рентабельные технологии и технические средства переработки органических отходов различных отраслей с максимальным их вовлечением в экономику замкнутого цикла и в соответствии с принципами устойчивого развития.

Необходимо внедрять инновационные методы утилизации навоза/помета, позволяющие получать дополнительные полезные продукты и отвечающие самым высоким требованиям экологической безопасности. Тем более, что отходы птицеводства и животноводства обладают высоким потенциалом утилизации как сырье для получения высококачественных органических удобрений и биогаза.

В зарубежных странах биогазовые установки являются характерным элементом современного безотходного производства во многих областях сельского хозяйства и пищевой промышленности. Если на предприятии есть отходы данных отраслей, появляется реальная возможность с помощью биогазовой установки не только экологично решить проблему отходов, но и значительно сократить расходы на энергию, повысить эффективность предприятия и получить дополнительную прибыль. В странах, где использование энергии биомассы поощряется на государственном уровне, например, в Финляндии, Швеции и Австрии, доля энергии биомассы достигает 15-20% от всей потребляемой энергии.

Ниже на рисунках представлены различия между традиционной линейной экономикой и экономикой замкнутого цикла. В первом случае, к сожалению, доминирующем в настоящий момент, органические отходы попадают на свалки.

Биогазовые технологии и производство безопасных удобрений позволяют как снизить издержки производства продукции (за счет выработки энергии и ресурсов из отходов), так и снизить ущерб окружающей среде (благодаря снижению объемов захоронения).

Что представляет из себя биогаз

Биогаз — это газ, содержащий в себе около 60 % метана и 40 % остальных примесей, главным образом, углекислого газа. Его получают путем переработки микроорганизмами различных видов органических отходов (навоз, помет, растения, отходы звероферм и рыбных производств, просроченное зерно, отходы комбикорма, лузга подсолнечника, просроченные продукты, канализационный шлам, органическая фракция ТКО и т.п.).

Получение биогаза возможно только в анаэробной среде (без доступа кислорода), поэтому этот процесс получил название «анаэробное сбраживание», поэтому сырье помещается в герметичные резервуары — метантенки (биореакторы) Это естественная форма превращения отходов в энергию, где для расщепления органических веществ используют ферментацию.

Производство биогаза основано на естественных процессах брожения, которые постоянно происходят в природе, например, в болотах и болотистой местности, а также в пищеварительных трактах животных, в частности, в коровьем рубце. Когда органическое вещество разлагается при помощи бактерий в отсутствии свободного кислорода (анаэробная ферментация), образуется метан с высокой энергетической ценностью и ценное органическое удобрение.

Процесс получения биогаза является одной из природоподобных технологий и отвечает основному принципу построения циклической экономики, при котором все конечные продукты являются ценными ресурсами, используемыми в хозяйственной деятельности. Перечисленные преимущества делают анаэробную ферментацию в биогазовых реакторах передовым методом утилизации отходов.

Биогаз как возобновляемый источник энергии

Биогаз — ценный возобновляемый источник энергии. Биогазовую энергетику можно считать альтернативой магистральному природному газу и централизованному энергоснабжению сельскохозяйственных предприятий. Биогаз может быть использован для производства электрической и тепловой энергии на когенерационной установке и/или обогащен до метана, пригодного для использования в качестве, например, топлива для автотранспорта. 1 м³ биогаза эквивалентен по теплоте сгорания 0,8 м³ природного газа, 0,6 кг бензина, 0,7 кг мазута, 1,5 кг дров или 3 кг брикетированного биотоплива, что свидетельствует о рентабельности данного вида топлива.

Полученная энергия полностью обеспечивает собственные потребности предприятия, а также, при необходимости, потребности близлежащих населенных пунктов и/или предприятий. При этом тепло может быть трансформировано в холод, что позволит обеспечить функционирование низкотемпературных объектов, например, холодильных установок.

Биогазовые технологии являются перспективными для развития возобновляемой энергетики, благодаря ряду преимуществ:

• Биогазовые установки независимы от внешних условий (солнечной активности, наличия постоянных ветров или рек) и могут непрерывно вырабатывать электроэнергию и тепло, то есть являются бесперебойными альтернативными источниками энергии при наличии доступа к стабильным поставкам сырья, а органические отходы в большом количестве доступны по всему земному шару.
• Биогаз можно хранить и транспортировать, использовать как топливо, в отличие от энергии солнца, воды, ветра, для эксплуатации которых требуются аккумуляторы или линии электропередач (производство и утилизация которых наносит существенный урон окружающей среде).
• Биогазовые станции компактные и не шумные, распространение неприятных запахов сведено к минимуму, что облегчает выбор площадки для размещения. Модульность биогазовых станций делает их рентабельными как на площадках с низким потоком отходов, так и в крупных комплексах с высокими потребностями в утилизации сырья и потребления энергии.

Для биогазовой станции характерен устойчивый выход биогаза, что также позволяет ее использовать для энергоснабжения экотехнопарков за счет получения электрической и тепловой энергии от утилизации органических отходов.

В настоящее время в России биогаз как источник возобновляемой энергии практически не используется, поскольку страна располагает значительными запасами природного газа. В зарубежных странах ситуация иная. Например, австрийские власти намерены заменить поставки газа из России биогазом собственного производства. Однако, и в России собственная автономная биогазовая энергетика позволит предприятиям АПК ликвидировать зависимость от растущей стоимости природного газа, тепла и электроэнергии, возможных сбоев в поставках сетевых энергоресурсов, повысит конкурентоспособность производителей сельхозпродукции, и вместе с тем позволит снизить экологическую нагрузку на окружающую среду.

Принцип работы биогазовых станций

Биогазовая станция — сложное инженерное сооружение, оснащенное технологическим оборудованием и представляющее собой единую автоматическую систему управляемого анаэробного термофильного сбраживания.

Проект биогазовой станции всегда индивидуален, его сложность зависит от морфологии, объема и качества органического сырья и требований заказчика. Основные элементы базовой комплектации биогазовой станции, которые отвечают за основные этапы технологического процесса, следующие:

• модули подготовки органического сырья, обеспечивающие оптимальную консистенцию;
• модуль входного контроля сырья;
• линии подачи сырья в реакторы со специальной системой подогрева;
• реакторы, в которых достигаются оптимальные условия для анаэробного термофильного процесса выделения биогаза.

Рассмотрим схему работы биогазовой установки.

1. Органические отходы поступают в приемный резервуар, где происходит их накопление и предварительная обработка. Поступающее в реакторы сырье проходит через блок подготовки сырья, который обеспечивает его оптимальную консистенцию. Здесь сырье измельчается до определенной фракции, подогревается и тщательно перемешивается. Для выработки наибольшего количества биогаза из конкретного типа сырья, перед подачей в реактор выбирается и достигается оптимальная влажность. Во время технологического процесса осуществляется постоянный контроль за параметрами сырья.
2. Подготовленное сырье подается в реактор. Реактор — это сердце биогазовой станции. Он представляет собой газонепроницаемый и герметичный резервуар, в котором обитают многочисленные колонии разных видов бактерий, осуществляющих разложение поступающей органики и образование метана. Находящаяся в реакторе масса постоянно перемешивается специальными мешалками и подогревается циркуляцией горячей воды в стенах и дне реактора, а также находящимися в мешалках обогревателями.

   Время нахождения сырья в реакторе может составлять от 16 до 40 суток в зависимости от используемой температуры процесса и от сырья. Реактор работает постоянно, и масса смешивается автоматически на основании установленной программы смешивания. Ферментативные вещества удаляются из реактора одновременно с добавлением новой массы.

3. Образовавшийся биогаз хранится внутри газового купола в верхней части реактора (газгольдере), его объем изменяется, а его общий объем определяется в зависимости от площади поверхности реактора. Из газгольдера биогаз непрерывно подается на когенерационную установку или систему очистки биогаза.
4. Переработанный субстрат из реактора подается на сепаратор, в котором происходит его разделение на жидкую и твердую фракции, представляющие собой ценные биоудобрения. В зависимости от потребностей заказчика биоудобрения могут поставляться в жидком или гранулированном виде.
5. Когенерационная установка (когенератор) используется для выработки из биогаза тепловой и электрической энергии. Примером когенератора является газовая электростанция, генератор которой производит электричество, и при сгорании полученный выхлопной газ используется для выработки тепла.

Биогаз, выработанный в реакторах, может быть обогащен до соответствия природному газу (CH₄). С использованием оборудования для обогащения из биогаза удаляется диоксид углерода, который также может быть сохранен и поставлен для промышленного использования или, например, в теплицы.

Управление работой всей биогазовой станции производится в автоматическом режиме, проводится постоянный дистанционный мониторинг, управление и тщательный контроль за всеми технологическими процессами.

Биогазовые технологии на защите климата

Применение биогазовых технологий приводит к значительному снижению выбросов парниковых газов в атмосферу. Это происходит как за счет снижения выбросов метана на свалках, который в 20 раз сильнее влияет на парниковый эффект, чем углекислый газ, так и за счет замещения ископаемых видов топлива, оставляющих углеродный след при производстве энергии.

Как топливо биогаз является практически углеродно-нейтральной формой производства энергии, поскольку по мере роста растений углекислый газ (CO₂) из атмосферы поглощается ими и сохраняется в форме углеродсодержащих молекул (сокращение CO₂). После сгорания то же количество CO₂, которое первоначально поступило из атмосферы, снова выбрасывается в атмосферу (процесс, нейтральный в отношении CO₂).

В контексте перспективного распространения системы углеродного регулирования (углеродные налоги и углеродные квоты) по примеру ЕС, производство биогаза может стать конкурентным преимуществом как для предприятия, так и для страны в целом. Сокращение потребления ископаемого топлива при использовании в качестве альтернативных источников энергии биогазовых станций открывает возможность продажи углеродных квот (производство 1000 м³ биогаза обеспечивает замещение 10 т выбросов СО₂, средняя рыночная цена 1 т СО₂ в ЕС составляет 44 EUR и имеет тенденцию к росту).

Концепт переработки отходов животноводства на основе природоподобных биогазовых технологий

Отходы — в доходы

Биогазовые технологии соответствуют критериям отраслевой программы «Применение вторичных ресурсов и вторичного сырья в сфере сельского хозяйства на 2022-2023 годы». Например, среднее сельхозпредприятие (более 40 000 голов птицы, 750–2000 свиней, 1 000 голов крупного рогатого скота) может зарабатывать более 100 млн рублей в год на переработке своих отходов в биогаз и высококачественные органические удобрения.

Потенциал использования биогазовой установки:

• продажа электроэнергии;
• продажа тепловой энергии;
• снижение платы за технологическое присоединение (для новых и расширяющихся предприятий);
• продажа мощности;
• продажа удобрений;
• снижение экологических платежей.

В идеале потенциал биогазовых проектов раскрывается при наличии трех источников выручки:

1. снижения расходов на утилизацию отходов;
2. выработки энергии;
3. получения удобрений.

В таком случае рентабельность биогазового проекта достигается без «зеленых» тарифов или иных форм субсидирования.

Перспективы использования биогазовых технологий в России

Капитальные затраты на внедрение технологии анаэробного сбраживания в несколько раз выше относительно традиционных технологий, что делает ее внедрение затруднительным. Необходимость первоначальных инвестиций — это одна из серьезных проблем внедрения объектов биоэнергетики в России.

Тем не менее, за счет уникальных инновационных решений и механизмов финансирования биогазовые станции даже при высоких капитальных вложениях окупаемы, высоко рентабельны и в процессе функционирования эффективно и экологически безопасно решают задачу утилизации органических отходов. Сейчас общую потребность России в биогазовых заводах для переработки отходов оценивается в 20 тысяч предприятий.

Одним из определяющих стимулов для развития биогазовых технологий должна стать поддержка на государственном уровне. Применение биогазовых технологий для утилизации органических отходов позволит России перейти на экономику замкнутого цикла, что важно для успешного ведения конкурентоспособного хозяйства, а также для сохранения благоприятной окружающей среды и обеспечения экологической, продовольственной и экономической безопасности.