Биогаз: ответ раньше вопроса
Среди задач, обозначенных на разных уровнях в качестве промежуточных
этапов модернизации российской экономики, одной из наиболее актуальных
является развитие высокоинтеллектуальных отраслей промышленности
и энергетики. В их числе - биотехнологии и альтернативные источники
энергии.
В России планируется к 2020 году довести уровень производства
с использованием биотехнологий до 1% валового внутреннего продукта.
В целом, по экспертным оценкам, мировой рынок биотехнологий к 2025 году
может составить порядка 2 трлн долларов США. Что касается биоэнергетики,
то ожидается, что уже в 2014 году в некоторых странах возникнет так
называемый сетевой паритет, когда стоимость электроэнергии, полученной
из альтернативных источников, будет меньше или сравняется по стоимости
с электроэнергией, выработанной из традиционных источников.
В значительной степени такое положение станет возможным благодаря,
прежде всего, широкому внедрению установок солнечных батарей, стоимость
которых за последние два года упала на 70% из-за обилия дешёвых панелей
китайского производства, в связи с чем США, Индия и Малайзия планируют
применение антидемпинговых мер. Вместе с тем, биоэнергетика тоже весьма
близка к своему переходу в массовое, промышленное качество, причём
Российская Федерация имеет ряд практических наработок, способных при
правильном обращении обеспечить значительное конкурентное преимущество.
4 февраля 2014 г. в Белгороде состоялось заседание президиума Совета
по модернизации экономики и инновационному развитию России, в ходе
которого премьер-министр РФ Дмитрий
Медведев осмотрел крупнейшую в России биогазовую станцию «Лучки»
в Прохоровском районе Белгородской области, обеспечивающей поставки
электрической и тепловой энергии жителям района, где проживают более
30 тыс. человек. Пуск станции «Лучки» состоялся 25 июня 2012 года,
а 20 июля 2012 года она вышла на проектную мощность 2,4 МВт.
К настоящему времени выработка электроэнергии станцией с момента
её пуска составляет более 25 млн кВт/ч. Биогазовая станция «Лучки»
предотвратила выброс в атмосферу более 18700 т углекислого газа, который
произошёл бы при выработке электроэнергии менее экологичными способами.
Попутно, станция перерабатывает около 75 тысяч тонн отходов ежегодно,
что весьма важно для Белгородской области - одной из самых развитых
по части сельского хозяйства областей России.
Количество отходов агропромышленного комплекса России сегодня достигает
всего 600 млн. т в год (225 млн. т сухого вещества), причём большая
часть этих отходов не утилизируется. На станции перерабатываются
биоотходы с четырёх белгородских агропредприятий. Технология
принципиально не содержит в себе трудностей: биогаз - газ, получаемый
в ходе брожения биомассы (органических отходов) посредством воздействия
различных видов бактерий. Он состоит из метана (60-85%) и углекислого
газа (15-40%), его теплота сгорания составляет от 21 до 27,2 МДж/м³. При
переработке 1 т свежих отходов крупного рогатого скота и свиней можно
получить от 45 до 60 м³ биогаза, 1 т куриного помета - до 100 м³
биогаза. По теплоте сгорания 1 м³ биогаза эквивалентен 0,8 м³ природного
газа, 0,7 кг мазута или 0,6 кг бензина.
Для работы электрогенераторов в качестве сырья вполне пригоден
«натуральный» биогаз, без какой - либо очистки. Для заправки автомобилей
устанавливается дополнительная система очистки биогаза, который
в результате становится полным аналогом газа природного - 90% метана
(CH4) и 10% углекислого газа (CO2). В Швеции, Финляндии и Австрии
биогазом обеспечивается 15-20% всего внутреннего потребления. В России
подпрограмма развития использования возобновляемых источников энергии
предусматривает увеличение до 2020 года доли альтернативной
электроэнергии в восемь раз, что не выглядит слишком смелым заявлением,
учитывая то, что сейчас возобновляемые источники энергии, вместе взятые,
включая ветер, геотермальные воды, солнце, биомассу, производят всего
лишь 0,3% всего объёма электроэнергии, что в 10 раз меньше
среднемирового показателя.
Россия помимо прочих своих достоинств воспринимается как мощная
энергетическая держава, обладающая огромными запасами природных ресурсов
и достаточным опытом их разработки. Вместе с тем, столь же огромные
территории и не везде благоприятные природные или инфраструктурные
условия приводят к тому, что сегодня только 37% крупных и средних
сельхозпроизводителей имеют доступ к газораспределительным сетям и 20% -
к сетям теплоснабжения. Программа газификации регионов России компанией
«Газпром» может увеличить первый показатель до 50% процентов, но лишь
косвенно повлияет на второй. Ограниченность доступа к энергии не только
препятствует возникновению новых сельскохозяйственных производств,
но и тормозит развитие уже существующих.
В связи с этими обстоятельствами, внедрение биогазовых установок
становится, по сути, безальтернативным средством решения региональных
проблем с инфраструктурой и энергодефицитом. Общая потребность
российского АПК оценивается примерно в 20 тысяч станций биогаза, что
сравнимо с нуждами Германии в 2020 году. Затраты на строительство одной
станции в значительной степени зависят от её выходной мощности -
в случае станции «Лучки» они составили 4000 евро на 1 кВт установленной
мощности, что является вполне конкурентоспособной ценой.
Внутренняя стоимость природного газа в России постепенно приближается
к среднемировому уровню, а исходное сырьё биогазовой станции может быть
весьма разнообразным:
Как легко заметить, с точки зрения объёма конечной продукции,
наиболее предпочтительным, за исключением глицерина, представляется
использование отходов бойни, жира, зерна и водорослей. В этом списке
зерну найдётся применение и вне бака станции биогаза, отходы бойни и жир
имеют свои физические лимиты, связанные с поголовьем скота. Водоросли,
несмотря на свой энергетический потенциал, остаются одной из самых
малоосвоенных ниш в сфере возобновляемых источников сырья. На мировом
рынке промышленных аквакультур, который оценивается в 14 млрд долларов,
доминирует Китай, обеспечивающий 61% всего объёма.
В 2008 году правительство Японии заявило о планах наладить производство
биотоплива из морских водорослей для решения проблемы нехватки
энергоресурсов. Проект курирует Управление водных ресурсов страны,
непосредственной разработкой и внедрением технологий занимается
комплексный НИИ корпорации Mitsubishi и два крупных центра по изучению
проблем моря в Токио и Киото. Получение биоэтанола из морских
водорослей, запасы которых у побережья Японии весьма внушительны,
выгоднее, чем использование для этих целей кукурузы и других злаков. Для
постоянного пополнения сырьевой базы в новом производстве планируется
создать широкую сеть крупных плантаций вдоль всего побережья Японского
моря и выращивать на них быстрорастущие водоросли. На опытной станции
компании Tokyo Gas экспериментальная установка переваривает тонну
водорослей в день, создавая 20 тысяч литров метана. Генератор установки
выдаёт мощность в 10 киловатт - достаточно для питания 20 домов.
Крупная японская корпорация AHI, занимающаяся машиностроением, уже
анонсировала первое в мире промышленное производство авиационного
топлива из морских водорослей. Цены на авиационное топливо, по данным
экспертов, с 2000 года растут на 14% ежегодно, и целесообразность новой
технологии очевидна. К 2018 году предприятие планирует запустить
производство биотоплива в Юго-Восточной Азии и Австралии. Предпринимаются шаги по внедрению водорослевой энергетики и в других регионах мира.
Департамент энергетики США подсчитал, что 200 тысяч гектаров прудов
могут производить топливо, достаточное для годового потребления 5%
автомобилей США. 200 тысяч гектаров - это менее 0,1% земель США,
пригодных для выращивания водорослей. Компания BioKing приступила
к серийному производству запатентованных биореакторов по разведению
водорослей, пригодных к немедленной эксплуатации, которые включают
быстрорастущие водоросли с высоким содержанием масел. Подобно своим
японским коллегам, корпорация Chevron, один из мировых энергетических
гигантов, начала исследование возможности использования водорослей
в качестве источника энергии для транспорта, в частности, для реактивных
самолетов.
Компания Honeywell UOP недавно начала проект по производству военного
реактивного топлива из водорослевых и растительных масел. Компания
«Боинг» сообщила, что альтернативой биодизелю, произведенному из морских
водорослей, в будущем может стать производство авиационного биотоплива.
Специалисты «Боинга» считают, что оптимальным сырьем для производства
биотоплива станут морские водоросли, из которых получают в 150-300 раз больше масла, чем из сои.
Испанская фирма Bio-Fuel-Systems планирует не только изготовлять
из водорослей горючее, но и снижать уровень двуокиси углерода, который
образуется при производстве электроэнергии с использованием органических
видов топлива. Запланировано строительство подобной установки в районе
города Аликанте. Компании Shell и HR Biopetroleum намерены построить
на Гавайских островах опытный завод по получению растительного масла
из микроводорослей и его дальнейшей переработке в биотопливо.
Таким образом, вся мировая конъюнктура говорит о том, что
биотехнологии, по крайней мере, в сегменте использования микроводорослей
перешли из категории будущего в осязаемое настоящее. Учитывая эти
реалии, дальнейшее игнорирование такой тенденции может обернуться
крупными убытками и потерей рынка. В данном сегменте действуют десятки
компаний, многие - в ЕС, где уже начинает ощущаться «теснота». Как
и во многом другом, единственным выходом для европейских компаний
является поиск и освоение новых рынков. В данном случае - российский
рынок может стать для них «золотым дном», учитывая 20 000 потенциальных
заказов. Общий потенциал рынка биогаза, а также электро-
и теплогенерации на базе биогазовых комплексов, использующих отходы
аграрной промышленности, составляет в Российской Федерации более
$20 млрд., а компания Bio-Fuel-Systems уже предлагает пилотные проекты
российским городам.
На упоминавшемся президиуме под председательством Дмитрия Медведева
участники совещания обсуждали разнообразные проекты биоэнергетики, придя
к выводу, что в нашей стране такие технологии делают «первые робкие
шаги». Министр промышленности и торговли РФ Денис Мантуров отметил, что
наиболее перспективным для развития в России является производство
субстратов для биодобавок, компонентов для пищевой промышленности
и кормов из аквакультур, однако эта область, по его словам, пока ещё
далека от практического применения.
Тем не менее, такая оценка отечественных достижений в водорослевой
энергетике слишком пессимистична. То, что зарубежные партнёры делают
сейчас, советские учёные предоставили в распоряжение желающих ещё
в середине 80-х гг. прошлого века, в том числе, был предоставлен рабочий
образец установки по добыче метана из водорослей. Уникальные научные
и инженерные наработки удалось сохранить, и, более того, каждый может
с ними ознакомиться: они успешно работают и сейчас. Хотя и по смежному
профилю: НПО «Биосоляр МГУ» функционирует как единственный в России
производитель цианобактерии спирулины, которая применяется в качестве
пищевой добавки, будучи источником белка и микроэлементов.
Учитывая тридцатилетний опыт действующей лаборатории в изучении
процессов образования метана и жизненного цикла микроводорослей,
специалисты НПО «Биосоляр МГУ» обладают всеми необходимыми данными,
технологиями и экспериментальными установками, пригодными для перехода
на промышленное производство биогаза из водорослей в любой необходимый
момент. В частности, была разработана конструкция «плантации» водорослей
с замкнутостью процесса преобразования солнечной энергии, выращивания
микроводорослей и анаэробного сбраживания с получением биогаза, которая
легко поддаётся масштабированию до площади, обеспечивающей необходимый
«выход» биогаза. Который может быть весьма привлекателен с коммерческой
точки зрения - для производства одного миллиона тонн условного топлива
в год водная микроводорослевая плантация должна иметь площадь равную
70 кв. км.
Размещается плантация на поверхности моря или озера, представляя собой
систему гибко соединённых многоячеистых поплавков гексагональной формы.
Оптимальный размер пилотного модуля составляет 1 квадратный километр,
будучи в свою очередь составленным из фотосинтетических блоков и ячеек,
минимальной единицей которых является секция в один метр. Такой формат
диктуется соображениями механической прочности конструкции, сохранения
естественного ритма движения воды, инсоляции и прочих факторов.
Блок образования метана включает в себя три или более резервуаров
(метантенки). В них обеспечивается работа анаэробных бактерий при
термофильных условиях. Кроме фото - и метанообразующих блоков в состав
энергостанции «Биосоляр» входит блок круговорота питательных веществ.
В метантенках после микробиологической переработки водорослевой биомассы
образуются минерализованные формы питательных веществ. Они, после
накопления и обогащения углекислым газом, вновь подаются в фотоблоки.
В итоге процесс преобразования водорослями солнечной энергии в метан
реализуется при замкнутом кругообороте по веществу. Для работы
энергосистемы с производительностью 1 млн тонн условного топлива в год
требуется порядка 1000 тонн питательных элементов. Состав биогаза,
получаемого в метановом блоке при данной технологии, также является
выгодным - метана 80%, углекислого газа 16%, 2% водорода и 2% примесей.
Всё проекты НПО «Биосоляр МГУ» были опробованы в натурных условиях,
на южном побережье Крыма, где показали свою пригодность к промышленной
реализации, получив дополнительную положительную оценку от сотрудников
Морского гидрофизического института в Севастополе. По оценкам
специалистов, технологии, разработанные генеральным директором НПО
«Босоляр МГУ» М. Я. Ляминым, при их внедрении на южном побережье Крыма
могли бы полностью покрыть потребности экономики Крымского федерального
округа в газе.
Таким образом, на фоне общемирового бума создания и коммерческих
поставок станций производства биогаза с перспективой получения «с моря»
даже авиационного топлива, вот уже два-три десятилетия России доступна
технология производства биогаза с любой водной поверхности, существующей
в умеренном температурном режиме, которой до сих пор никто
не воспользовался и не взял на вооружение. Кроме того, разработанная
отечественными специалистами система даёт, по сути, сразу два разных
продукта - метан и большой объём съедобной спирулины, которая может
использоваться в широком спектре - от удобрений до пищевой добавки.
Интерес к российским технологиям проявляют и за рубежом. Японская
корпорация Шимизу (Shimizu) представила грандиозный проект будущего -
Зеленый Плот - автономные самодостаточные острова-города. Искусственные
островные комплексы, напоминающие огромные лилии, планируют расположить
в экваториальной части Тихого океана, отличающейся низкой активностью
тайфунов и избытком солнечного света.
Каждый плавучий город будет состоять из небольших островов-районов
диаметром в 3 км, которые станут компактными поселениями для 10-50 тысяч
человек. Группы районов образуют город с населением около 100 тысяч
человек. Города объединяются в страны с населением в 1 миллион жителей.
Начало практической реализации амбициозного проекта запланировано
на 2025 год. Специалисты рассматривают сегодня возможность
энергообспечения острова с помощью российских технологий, разработанных
НПО «Биосоляр МГУ».
Как уже говорилось, 70 квадратных километров водной поверхности
достаточно для производства 1 миллиона тонн условного топлива. Согласно
расчётам, в 2015 году внутреннее потребление России составит около 170
миллионов тонн у. т. Теоретически, 170 установок, подобных описанной,
полностью удовлетворили бы внутренний российский спрос на нефть. Хотя
суммарная площадь будет достаточно большой, примерно с треть Азовского
моря. Но не приходится сомневаться в том, что простым применением уже
созданных, опробованных и готовых к широкому употреблению схем,
достигнуть целевого результата - восьмикратного увеличения доли
альтернативной энергетики к 2020 году - более чем возможно.
Источник: ВРНС
