Как устроены биогазовые станции (БГС)? Почему их называют одним из самых безопасных и рентабельных видов генерации?

БГС — это инновационные установки не только способность обеспечить энергию, но и управлять органическими отходами, превращая их в полезное топливо, станции базируются на использовании природного процесса анаэробного разложения, при котором микроорганизмы в условиях отсутствия кислорода перерабатывают органические вещества, превращая их в биогаз. Стандартная БГС состоит из нескольких ключевых компонентов: приёмный бункер, мешалка и кондюктор, анаэробный реактор, система сбора и очистки биогаза, энергетическая установка и система вывода и утилизации остатков.

Одной из главных причин, почему биогазовые станции считают безопасными, является их низкий уровень выбросов парниковых газов. Биогаз, производимый в результате разложения органических отходов, может служить заменителем ископаемых видов топлива. Использование термической энергии, производимой при сжигании биогаза, значительно снижает выбросы углекислого газа в атмосферу по сравнению с традиционными источниками энергии, такими как уголь или нефть. Кроме того, БГС могут способствовать снижению неприятных запахов, связанных с разложением органических отходов на свалках. В процессе анаэробного разложения вредные микроорганизмы уничтожаются, что способствует улучшению качества почвы и воды в прилегающих районах.

Экономическая привлекательность биогазовых станций заключается в нескольких аспектах: экономия на утилизации отходов, диверсификация источников дохода (доход не только от продажи электроэнергии, но и от продажи дигестата как удобрения, а также с помощью зелёных сертификатов и субсидий от государства на возобновляемые источники энергии), независимость от колебаний цен на энергоносители, долговечность и низкие эксплуатационные расходы.

Почему биогазовые установки называют безотходной генерацией?

— Определение безотходной генерации подразумевает создание производственных процессов, в которых минимизируются или полностью исключаются отходы. БГС полностью соответствуют этой концепции благодаря своей способности перерабатывать различные виды органических материалов, превращая их в полезные ресурсы. При этом даже остаточные материалы, которые образуются после процесса сбраживания, находят свое применение.

После извлечения биогаза остаются так называемые дигестаты – остатки, которые можно использовать в качестве удобрений для сельского хозяйства. Эти продукты богаты питательными веществами и могут значительно улучшить качество почвы. Кроме того, дигестаты способствуют уменьшению использования химических удобрений, что в свою очередь позитивно сказывается на экологии.

О каких объемах переработки отходов идет речь?

— Согласно последним данным, на мировом уровне объем переработки органических отходов в биогазовых установках продолжает расти. Например, в ЕС к 2030 году планируется увеличить переработку органических отходов на 50%. В таких странах, как Германия и Австрия, БГС уже стали привычной практикой, что приводит к значительному сокращению отходов на свалках и уменьшению выбросов парниковых газов.

В России также наблюдается положительная динамика. С увеличением числа БГС произошел рост объемов переработки органических отходов. В 2020 году было переработано около 1,5 миллиона тонн органических отходов, что является значительным шагом к решению проблемы утилизации отходов. Однако уровень переработки остается на низком уровне по сравнению с развитыми странами, и есть еще много возможностей для роста.

Влияют ли биогазовые станции на экологию? В каком объеме?

— Одним из главных аргументов в пользу БГС как безотходной генерации является их положительное воздействие на окружающую среду. Утилизация органических отходов в снижает количество мусора, который отправляется на свалки, а также предотвращает выделение парниковых газов, таких как метан, в атмосферу. Метан является одним из самых мощных парниковых газов, его использование в качестве источника энергии позволяет уменьшить негативное влияние на климат.

Кроме того, эффективное использование производимого биогаза снижает зависимость общества от ископаемых видов топлива, что приводит к сокращению выбросов углерода и другим экологическим преимуществам. Таким образом, БГС способствуют формированию циклической экономики, где отходы превращаются в ресурсы, а не становятся источником загрязнений.

Биогазовые реакторы сегодня позиционируются в качестве лучшего решения для развития сельского хозяйства регионов. Могут ли такие установки размещаться вблизи животноводческих комплексов? Есть ли какое-то воздействие на грунты?

— Расположение биогазовых реакторов вблизи животноводческих комплексов представляет собой логичное решение с точки зрения доступности ресурсов для их работы. Животноводческие предприятия генерируют значительное количество органических отходов, которые могут быть переработаны в биогазе. Однако данное решение требует тщательного анализа и соблюдения ряда условий.

 Во-первых, необходимо учитывать санитарно-эпидемиологические нормы. Установка реакторов должна соответствовать нормам безопасности и минимизировать риск загрязнения окружающей среды. Например, реакторы должны быть оборудованы надежными системами для предотвращения выбросов неприятных запахов и фильтрации вредных веществ.

Во-вторых, важно обеспечить надлежащее управление отходами, чтобы избежать перенаполнения реакторов и связанных с этим проблем. Регулярный мониторинг и оптимизация процесса переработки помогут максимально эффективно использовать ресурсы и избежать негативного воздействия на здоровье животных и окружающую среду.

Потенциальные воздействия на грунты.Одним из самых существенных рисков, связанных с эксплуатацией биогазовых реакторов, является возможность загрязнения почвы. При неправильной эксплуатации или несанкционированных сбросах возможно попадание в грунт остатков биологических материалов, что может привести к накоплению вредных веществ, таких как микробы и токсины. Особенно это актуально для тихих зон, где возможны утечки из системы хранения биогазовых остатков, или для регионов, где нет достаточного контроля за работой подобных установок.

Биогазовые установки часто производят в результате своей работы субпродукты, такие как аварийные остатки или дигестаты. Эти вещества могут быть использованы как удобрения, однако, если они не соответствуют нормам, они могут менять химический состав почвы. Например, высокие концентрации азота и фосфора могут привести к эвтрофикации грунтовых вод, что негативно скажется на экосистемах.

Анаэробный процесс биодеградации также может оказывать влияние на физические свойства почвы. Разлагаемые остатки могут изменять механические характеристики грунта, такие как его плотность или водопроницаемость. Это может стать причиной изменений в экосистемах, таких как ухудшение условий для растений и животных.

БГС могут быть источниками газа, тепла, энергии (при дополнительной инфраструктуре — с когенерационной установкой) и удобрений (с комплексами переработки). Насколько вероятна эксплуатация установки сразу по всем видам полезной выработки?

— Эксплуатация БГС для одновременной выработки газа, тепла, энергии и удобрений требует интеграции ряда технологий и дополнительной инфраструктуры. Например, для генерации электричества необходима установка когенерации, которая позволяет одновременно производить тепло и электрическую энергию из биогаза. Такое решение позволяет повысить общую эффективность процесса, так как избыточное тепло, выделяемое при генерации электричества, может быть использовано для отопления или других промышленных нужд.

Кроме того, для получения удобрений необходимо внедрить комплекс переработки остатков ферментации, что включает в себя процессы компостирования или анаэробной обработки. Эта дополнительная инфраструктура потребует инвестиций, но позволит максимально использовать все виды продукции, производимой БГС.

Таким образом, эксплуатация биогазовых станций как многопрофильных источников ресурсов представляется вполне реальной, однако реализация такого подхода требует комплексного анализа экономических, регуляторных и технологических факторов. Совершенствование инфраструктуры, повышение уровня государственных субсидий, оптимизация технологических процессов и создание устойчивых рынков для конечной продукции могут значительно повысить вероятность успешной комплексной эксплуатации БГС. Важно также отметить, что такая инициатива не только поможет решать проблемы утилизации отходов, но и будет способствовать переходу к более устойчивым и экологоориентированным методам производства и потребления энергии в обществе.

Сегодня Росатом заключил контракты на строительство как минимум двух типовых БГС (в Тверской и Владимирской областях) мощностью до 3,6 МВт и цехами по производству удобрений мощностью до 15 тыс. тонн в год. Этой мощности хватит для обеспечения крупного сельскохозяйственного комплекса? Могут ли проектироваться БГС большей мощностью?

— Для начала стоит отметить, что 3,6 МВт, производимые новой БГС, может оказаться достаточным для обеспечения небольшого или среднего сельскохозяйственного предприятия. Однако для крупных комплексов, особенно тех, которые занимаются интенсивным производством или переработкой, этой мощности может быть недостаточно. В таких случаях дополнительные источники энергии, такие как солнечные панели, ветровые электростанции или даже традиционные энергетические системы, могут стать необходимыми для покрытия пиковых нагрузок.

Контракты Росатома на строительство БГС являются важным шагом на пути к устойчивому развитию сельскохозяйственного сектора в России. Однако мощностей новых генерирующих станций может быть недостаточно для удовлетворения потребностей крупных сельскохозяйственных комплексов.

В Китае биогазовые технологии активно используются также в сельскохозяйственном транспорте, очистных городских сооружениях, в быту. Есть практика установки БГС в домах. Что демонстрирует китайский опыт эксплуатации БГС? Возможно ли бытовое использование БГС в домашних хозяйствах в России?  

— Возможность бытового использования БГС в домашних хозяйствах России представляется перспективной, однако для её реализации необходимо преодолеть ряд серьезных препятствий. Поддержка со стороны государства, развитие образовательных инициатив и создание благоприятной нормативно-правовой среды могут способствовать тому, чтобы биогаз стал доступным и эффективным источником энергии для населённых пунктов, где уже преобладают органические отходы. Внедрение таких технологий не только поможет улучшить экологическую ситуацию в регионах, но и станет вкладом в развитие устойчивого сельского хозяйства, повысит энергоэффективность и обеспечит экономическую выгоду для домохозяйств. Важно продолжать исследования и разработки в этой области, чтобы создать общую инфраструктуру для стабильного и безопасного использования биогаза на уровне домохозяйств.

Справка: «Росатом» строит сеть биогазовых станций в России и за рубежом, в том числе на территории Московской, Калужской, Тверской, Белгородской и Владимирской областей, в Бурятии и Казахстане. К 2030 году Госкорпорация планирует достигнуть свыше 150 МВт генерации БГС с ежегодной выручкой более 8,5 млрд рублей.

Вопросы по биогазовым станциям:

Возобновляемые источники энергии, к которым относится и энергия биомассы, по определению не подвержены истощению, они находятся в среде обитания человека в естественном состоянии, и их можно использовать без экологического ущерба.

Биомасса может конвертироваться в технически эффективные виды топлива или использоваться для получения энергии путем термохимической (сжигание, пиролиз, газификация) и (или) био- логической конверсии. При биологической конверсии конечными продуктами являются биогаз и высококачественные экологически чистые удобрения. Это направление имеет значение не только с точки зрения производства энергии. Большую ценность представляет решение проблем утилизации вредных отходов.

БГУ – это совокупность конструктивно и функционально связанных элементов для получения биогаза, это самая активная система очистки. Любые другие системы очистки потребляют энергию, а не производят. Установка перерабатывает отходы в биогаз и биоудобрения по технологии анаэробного сбраживания.

Как устроены биогазовые станции (БГС)? Почему их называют одним из самых безопасных и рентабельных видов генерации?

 В природе есть микроорганизмы, которые могут разлагать органические материалы без кислорода. В этих процессах происходит расщепление органических молекул, так называемый, «анаэробный распад», а смесь газов, которая при этом образуется, называется биогазом. Наиболее важным является метан, то есть природный газ по сути. Для осуществления этого процесса необходимо применять специальное оборудование, основным из которых являются метантенки (основной реактор), газгольдеры (газохранилище) и другое сопутствующее оборудование.

БГС — это один из самых рентабельных способов генерации энергии потому что источником сырья для выработки биогаза и последующей генерации энергии являются в агропромышленном комплексе твердые и жидкие отходы животноводства, сельского хозяйства, перерабатывающих предприятий и птицеводства, в жилищно-коммунальном хозяйстве – полигоны отходов органического происхождения и очистных сооружений.

Что касается безопасности, то следует сказать, что вся газовая генерация является областью повышенной опасности, но вот в целом, при выработке газового энергоносителя, биогаз более безопасен. Он может использоваться потребителем и без наличия сосудов, работающих под давлением газа свыше 0,07 МПа (0,7 кг с/см²). Это позволяет создавать индивидуальные биогазовые установки малой мощности для малых фермерских хозяйств или усадебных домов.

Одной из возможностей повышения рентабельности и безопасности БГС является создание блочно-модульных замкнутых систем, которые можно будет использовать по запросу потребителя любой мощности и заявленных технологических и технических особенностей.

Почему биогазовые установки называют безотходной генерацией? О каких объемах переработки отходов идет речь?

 Как отмечалось ранее, биогазовые станции используют отходы разных отраслей в качестве исходного сырья, это уже большой плюс. Этих отходов невероятно много. По данным исследования Россельхозбанка, ежегодно только в российском АПК образуется более 300 млн тонн навоза и помета. При этом до 40% этих веществ не используются и хранятся на прифермерских площадках и специальных хранилищах.

Если говорить о возможности переработки иловых осадков очистных сооружений на биогазовых станциях, то в этом случае мы имеем дело с миллионами тонн в год. Следует отметить, что ил очистных сооружений – это сложноорганизованный конгломерат живых организмов на неживой основе, связанных метаболическими и трофическими процессами и он относится к отходам IV класса опасности.

А безотходность процесса заключается в том, что после переработки весьма опасных для окружающей среды многотоннажных отходов в биогазовых установках, мы получаем в качестве товарного продукта два вида энергии – тепловую и электроэнергию, и два вида удобрений – аммиачную воду и непосредственно твердые удобрения, которые можно вносить в почву, причем в неограниченных количествах.

Полученную теплую воду после сепарации выходящих из метантенка  продуктов, также можно использовать для выращивания хлореллы или других культур, которые можно использовать как белковую добавку к кормам для животных или как сырье для косметических производств или других технологий. В это случае возникает возможность не только окупить затраты, но и получить прибыль.

Влияют ли биогазовые станции на экологию? В каком объеме?

Биогазовые станции – это едва ли не единственный способ улучшить экологическую ситуацию в агропромышленном комплексе. При анаэробной переработке отходов животноводства можно снизить количество выбросов парникового газа, который влияет на климат, потому что снижается потребление ископаемых видов топлива, таких как бензин, уголь, дрова. И потому что переработка навоза уменьшает выделение в атмосферу важнейшего парникового газа – метана. Использование 1 м³ биогаза вместо 1,3 кг дров снижает выбросы углекислого газа на 2,6 кг, а бензина около 1,6 кг на 1 м³. Таким образом можно добиться глобального снижения выбросов на 13,24 миллионов тонн метана в год, что составляет около 4% глобальных антропогенных выбросов в год.

Следует отметить и тот факт, что вносимые удобрения улучшают структуру почв, делая их пригодными для агроиспользования или улучшая их производительность. То есть полученные удобрения можно использовать для восстановления нарушенных земель, предотвращения почвенных  эрозий и повышения урожайности растений.

Биогазовые реакторы сегодня позиционируются в качестве лучшего решения для развития сельского хозяйства регионов. Могут ли такие установки размещаться вблизи животноводческих комплексов? Есть ли какое-то воздействие на грунты?

Биогазовая установка представляет возможность обеспечения теплом и электроэнергией объектов социальной инфраструктуры, расположенных поблизости (жилых домов, школ, больниц, детсадов, домов отдыха и т.д.). Развитие биогазовой энергетики также решает проблемы занятости в сельских районах. Кроме этого, внедрение биогазовых технологий способствует развитию энергетической инфраструктуры села, что положительно сказывается на уровне жизни сельского населения. К тому же, БГУ – это современное оборудование, достаточно высокий уровень автоматизации и цифровых технологий, что потребует присутствия высококвалифицированных специалистов на селе.

Вполне логично, что БГС должны размещаться рядом с источниками сырья, ведь получаемая энергия даст возможность создания целого комплекса, скажем рядом же расположить и предприятие по получению комбикормов, энергоснабжение которого будет производиться от БГС. Компактность и комплексность расположения даст много импульсов для модернизации и реконструкций объектов агропромышленного комплекса и малых поселений.

Что касается воздействия на земли, занимаемые такими комплексами, так и здесь сплошные плюсы. В настоящее время очень часто для хранения отходов животноводства сельхозпредприятий с большой производительностью, скажем свинокомплексов на 40 тыс голов, применяют технологию лагун. И в этом случае как раз и возникают чаще всего проблемы загрязнения почв, большие территории занятые этими устройствами, запах и прочие «удовольствия». БГУ  компактные, изолированные и от атмосферы и от земли установки, отсутствуют возможности нанесения экологических ущербов этими сооружениями.

БГС могут быть источниками газа, тепла, энергии (при дополнительной инфраструктуре — с когенерационной установкой) и удобрений (с комплексами переработки). Насколько вероятна эксплуатация установки сразу по всем видам полезной выработки?

 БГУ или БГС могут быть разной производительности по вырабатываемой энергии. Они могут обеспечивать энергией один дом и могут давать свет и тепло либо предприятию, либо поселку. Конечно,  если это метантенк, способный обеспечить только газовую плиту, то комплекса устроить не получится. В случае достаточно больших объемов генерации просто необходимо создавать комплексы. С когенерацией (совместной выработкой энергии) либо на ДВС (двигателях внутреннего сгорания), либо на микротурбинах. И получением разных видов удобрений, пригодных и для непосредственного внесения в почву и для длительного хранения и для розничной продажи садоводам-любителям и как продукт для дальнейшего передела. Комплексная эксплуатация БГС просто необходима для получения всех возможных положительных результатов работы такой установки.

Сегодня Росатом заключил контракты на строительство как минимум двух типовых БГС (в Тверской и Владимирской областях) мощностью до 3,6 МВт и цехами по производству удобрений мощностью до 15 тыс. тонн в год. Этой мощности хватит для обеспечения крупного сельскохозяйственного комплекса? 

 Инженерия — это область четких ответов и расчетов. Каждая установка создается с техническими характеристиками, которые указываются в ее паспорте. А вот проект станции уже формируется на основе расчетов и конструкционных особенностей оборудования.  Ну и вопрос — что считать крупным сельскохозяйственным комплексом? А есть еще энергосберегающие технологии и оборудование, в каком объеме они будут применяться на предприятии? Все это влияет на то, к какому заключению мы придем. Могу сказать, что существует практическая методика определения энергозатрат и энергоемкости производства продукции, а также потребностей в энергоресурсах, и только четкие расчеты могут нам дать конечный результат.

Могут ли проектироваться БГС большей мощностью?

Можно обратиться к мировому опыту. Самая большая биогазовая станция находится в Германии. Ее годовая производительность по биогазу — 46 млн.куб.м ( 10 000 куб.м/час). Этого достаточно, чтобы произвести 160 млн. КВт/час электроэнергии или 180 млн. КВт/час тепла в год. Данное количество энергии хватает для обеспечения 50 тыс. домашних хозяйств, т.е. небольшого города. Я думаю, у нас есть резервы роста.

В Китае биогазовые технологии активно используются также в сельскохозяйственном транспорте, очистных городских сооружениях, в быту. Есть практика установки БГС в домах. Что демонстрирует китайский опыт эксплуатации БГС? Возможно ли бытовое использование БГС в домашних хозяйствах в России?

Китай вообще является основателем развития биогазовых технологий. Есть информация, что уже в 17 веке в Китае были примитивные газогенераторы-метантенки. Китай на сегодняшний день является мировым лидером по внедрению технологии производства биогаза. Суммарный выпуск биогаза в стране составляет 14 млрд м³/год.  В 2022 году в г. Эчжоу построен 26 этажный свинокомплекс, 1,2 млн свиней на убой в год. 120 тыс м³ отходов в день необходимо утилизировать. И для этого будет использована биогазовая станция.

Все дело в том, что биогазовые технологии позволяют масштабировать установки от маленьких (индивидуальных биогазовых установок) до крупнотоннажных, той же мощностью до 3,6 МВт и более. Скажем, если нет возможности поставить установку на одного хозяина, то можно скооперироваться двум, трем  и пользоваться совместно. Следует отметить, что в таких случаях  можно установить коллективные центры сбора органических отходов, а это уже улучшение среды обитания жителей населенных пунктов.

Справка: С 2022 года АО «Росатом Сервис» активно развивает направления возобновляемой энергетики – малую гидроэнергетику, биогазовые реакторы, свалочный газ. В ближайшей перспективе компания также планирует освоить строительство биореакторов большой мощности. В рамках направления «Робототехника» компания предлагает услуги по конструированию и изготовлению роботизированных комплексов и иного нестандартного оборудования для предприятий атомной отрасли и других отраслей.