Сельхозпроизводство как источник энергии

ТЕГИ:

В. Дубровин, М. Мельничук, В. Мироненко Национальный аграрный университет Украины

Утилизируя органические отходы ферм, можно добиться снижения выбросов вредных газов, а их переработка в биогазовых реакторах дает биоудобрения и биогаз. Оборудование позволяет получать биогаз из органических отходов, зеленой массы и других источников энергии растительного происхождения (стеблей кукурузы, соломы рапса, ботвы сахарной свеклы и т.п.), а влияние вредных веществ на окружающую среду уменьшается.

 

Технология, Биогаз, Биодизель, Биомасса, Биоудобрения

Сельскохозяйственное производство из потребителя энергии превращается в ее производителя. Именно этим перспективным направлением развития сельского хозяйства сегодня занимаются в ведущих странах мира. Технологии использования биотоплива и биоудобрений растительного происхождения приобрели в Украине особенную актуальность в связи с уменьшением поголовья скота в 2,5—3 раза и ростом стоимости энергоносителей. Естественным путем частично решается проблема выбросов вредных газов, что возникает при внесении в почву предварительно неподготовленных органических удобрений.

Анализируя динамику цен на энергетические, промышленные и сельскохозяйственные виды продукции в Украине, становится очевидной перспективность разработки проблемы непищевого использования последних. Диспаритет цен, что существует сегодня в Украине, обусловливает целесообразность расширения использования биоудобрений и производства биотоплива (рис. 1).

 

Рис.1. Диспаритет цен на сельскохозяйственную и другие виды продукции в Украине

 

Развитие этих двух направлений делает сельскохозяйственную продукцию аналогом энергетической. Во всем мире можно выделить три основных тенденции в развитии биоэнергетики в сельской местности:

  • сокращение общих расходов энергии в сельскохозяйственном производстве;
  • увеличение использования возобновляемых источников энергии;
  • увеличение использования твердых видов биотоплива.

Сельскохозяйственное производство из потребителя традиционных видов энергии превращается в их производителя со значительным потенциалом в будущем. Этой задаче должны соответствовать новые технологии и техника, призванные сокращать вредные последствия антропогенного влияния на окружающую среду.

 

Определение перспективных направлений развития технологий энергетического использования сельскохозяйственной продукции в Украине

Анализ рынка аграрной продукции свидетельствует о необходимости перевода части сельскохозяйственной продукции в сырье энергетического назначения или в высококачественные удобрения органического происхождения (рис. 2).

 

Рис.2. Структурная схема дифференциации сельскохозяйственной продукции для непищевого использования

 

  1. Ресурсы для энергетического использования биомассы

Проведенный обзор развития технологий энергетического использования сельскохозяйственной продукции в Украине показал, что растительная масса является одним из наиболее перспективных возобновляемых источников для получения твердого биотоплива. Стоит принять во внимание, что в нашей стране ежегодный избыток соломы и стеблей основных сельскохозяйственных культур составляет ориентировочно 15—20 млн. т, что с энергетической точки зрения можно считать эквивалентным значительному количеству условного топлива (табл. 1).

 

Таблица 1. Энергетический потенциал Украины по ресурсам биомассы

 

Использование биомассы в энергетических целях проходит в Украине свое становление. В последнее время в отрасли биоэнергетики в нашей стране выполнено несколько демонстрационных проектов, показавших в то же время, что отдельные виды биомассы не могут быть приемлемы для использования в современных условиях. Это касается, в первую очередь, стеблей кукурузы и подсолнуха, сбор которых на энергетические цели в 2,8...3,2 раза дороже, чем соломы зерновых колосовых культур и рапса. Поэтому подобную биомассу целесообразно измельчать и оставлять на поле в качестве биоудобрений.

В Национальном аграрном университете разработаны методика, программное обеспечение и проведена сравнительная оценка (табл. 2) разных технологий сбора биомассы (незерновой ее части) для перспективных энергетических сельскохозяйственных культур (И.Мельник, В. Гречкосий и В. Бабий).

 

Таблица 2. Сравнительная оценка технологий сбора биомассы

 

Анализ показателей эффективности сбора незерновой части урожая разных сельскохозяйственных культур для энергетических потребностей в условиях Украины свидетельствует, что наименьшие капитальные вложения на тонну незерновой части урожая имеют место при сборе соломы озимой пшеницы с прессованием в рулоны (18,71 грн.). При сборе соломы рапса с измельчением и прессованием в крупногабаритные тюки капитальные вложения составляют 24,26 грн/т.

Приведенные затраты на тонну незерновой части урожая при уборке соломы рапса составляют 15,35 грн/т. По затратам рабочего времени на тонну соломы наибольшее значение получено при сборе ее в рассыпном виде для озимой пшеницы (1,43 ч/т), а наименьшее — при сборе соломы рапса с измельчением и прессованием в крупногабаритные тюки (0,36 ч/т). По расходам топлива наиболее энергоемкой признана технология сбора соломы озимой пшеницы в рассыпном виде (5,38 кг/т). Менее энергоемкой оказалась технология сбора соломы озимой пшеницы с прессованием в малогабаритные тюки (1,43 кг/т). Для соломы рапса это значение равняется 2,12 кг/т.

Наиболее эффективной, исходя из оценки по многим критериям, является технология прессования соломы озимой пшеницы в рулоны прессом украинского производства. Технология прессования соломы рапса в крупногабаритные тюки — также достаточно перспективна. Однако соответствующее техническое обеспечение машинами украинского производства сегодня отсутствует. Просчеты в технологическом обеспечении технологий отечественными машинами существенно отражаются на результатах их текущей оценки.

Безусловно, кроме стоимости заготовки биомассы растительного происхождения при оценке перспективности применения того или иного вида технологий стоит учитывать эффективность ее энергетического использования. Отметим лишь, что с точки зрения теплотехнических свойств содержание горючей части в биомассе является важнейшим, а зола и вода представляют собой балласт фитомассы. Последние две составных части биомассы снижают ее теплообразование и энергетическую ценность. Содержание воды влияет на теплообразование, вызывает потери при складировании, возможность самовоспламенения, а также на геометрические параметры конверсионного устройства (котла). Из оценки качеств биомассы как топлива вытекает, что рапсовая солома является одним из лучших вариантов для энергетического использования.

  1. Ресурсы для производства биодизельного топлива

Европа демонстрирует пример стремительного развития этого направления. США планируют в 2012 году производить до 20 млн. т жидкого биотоплива.

Преимуществами биодизеля над традиционным дизельным топливом являются его быстрое биологическое расщепление (за 21 день на 98%, в то время как дизельное топливо — лишь на 72%), низкий уровень эмиссий вредных газов. Энергетические свойства биодизеля характеризуются меньшей (на 12%) температурой сгорания, сниженной на 13% подачей воздуха и увеличенным (на 4—5%) расходом топлива.

При определении перспектив развития возобновляемых источников энергии в Украине необходимо подчеркнуть высокий потенциал жидкого биотоплива как продукта переработки сельскохозяйственной продукции. Применение биодизеля в агропромышленном производстве и сельской местности позволяет в комплексе решать проблемы обеспечения энергоресурсами, дефицитными белковыми шротами, калийно-фосфорными удобрениями и другими продуктами. Важное применение находит биодизель в городском хозяйстве — на транспорте.

Развитие производства биодизельного топлива представляет для Украины важный приоритет в связи с перспективами:

  • развития сырьевой базы — площади выращивания рапса могут быть увеличены в 10—15 раз;
  • создание в больших городах парка экологически безопасного транспорта.

Экономическая эффективность жидкого биотоплива в условиях нашей страны требует комплексного учета всех прямых и побочных продуктов при его производстве. Расчеты, проведенные НАУ, свидетельствуют, что завод по производству дизельного биотоплива мощностью до 1500 т/год может окупиться за 2 года.

Наличие небольшого регионального завода по производству рапсового масла и биодизельного топлива мощностью до 1500 т/год повышает стабильность снабжения хозяйств энергетическими ресурсами, переводит часть сельскохозяйственной продукции в сферу энергетического использования. Проект такого завода (табл. 3) разработан совместными усилиями специалистов Национального аграрного университета и Института сельскохозяйственных машин (г. Прага).

 

Таблица 3. Общая характеристика количества сырья и продукции завода по производству биодизеля

Динамика изменения цен на семена рапса в 2003-2006 гг.

 

В настоящее время у наших близких государств-соседей, за исключением Молдовы, не только интенсивно выращивается рапс, но и имеются заводы по изготовлению биодизеля (рис. 4).

Учитывая тенденцию постоянного роста цен на рапс на рынке Украины (рис. 5), можно прогнозировать прибыль с каждой его тонны на уровне — 255—631 грн/т.

Расчеты свидетельствуют (рис. 6), что при затрак-тах на выращивание рапса на уровне 569—895 грн/т, себестоимость биодизельного топлива составит 1,67—2,31 грн/кг, что практически ниже рыночной стоимости традиционного дизельного топлива в Украине.

В зависимости от технологии, оборудования и производственной мощности завода себестоимость получения масла из семян рапса находится в пределах 580—760 грн/т, а себестоимость биодизельного топлива (РМЕ) из масла — 650—520 грн/т.

В связи с этим реализация рапсового масла себестоимостью 1,15—1,66 грн/кг и РМЕ себестоимостью 1,67—2,31 грн/кг является прибыльной и высокорентабельной. Структура себестоимости биодизельного топлива приведена на рис. 7.

 

Рис. 6. Зависимость себестоимости рапсового масла и биодизельного топлива от затрат на выращивание рапса

Рис.7. Структура затрат при производстве биодизельного топлива

 

Важное конкурентное преимущество такого завода — многовекторность его продукции (семена рапса, высокобелковой жмых, комбикорм, биодизельное топливо, глицерол, солома и т.д.), которую можно реализовать или использовать для собственных потребностей в зависимости от конъюнктуры внутреннего рынка. Реальным является и экспорт готовой продукции или сырья.

Лидерами в выращивании рапса, изготовлении биодизеля, производстве средств механизации и технологического оборудования считаются аграрии и машиностроители Германии, Чешской Республики и других стран Западной Европы. Их представители заверяют, что в случае заинтересованности со стороны предпринимателей в Украине они могут за 6—8 месяцев оснастить и наладить на эксплуатационный режим несколько заводов по производству биотоплива.

Однако отечественные специалисты, ознакомившись с техническим оснащением всего процесса и его рыночной конъюнктурой, приходят к выводу, что на международном рынке стоимость оборудования завышается в 2—4 раза (табл. 4). Аналогичное оборудование изготовляют на украинских промышленных предприятиях по более низким ценам.

 

Таблица 4. Сравнение стоимости оборудования завода импортной и отечественной комплектации

 

Применение импортного оборудования не повышает качество биодизельного топлива, хотя существенно увеличивает его себестоимость. Поэтому более целесообразным может быть решение о комплектации завода преимущественно отечественным оборудованием. Это не исключает применения отдельных оригинальных аппаратов и оборудования импортного производства, которые необходимы в технологии.

Для локализации негативного влияния сезонных колебаний цен на традиционное дизельное топливо в агропромышленном производстве в Украине необходимо построить сеть региональных заводов для производства биодизеля предложенного выше образца.

Первый биодизельный завод мощностью в 1,5 тыс. т/год целесообразно ввести в действие уже к сбору урожая 2006 г.

  1. Ресурсы для производства биогаза

Раньше основным сырьем для биогазового производства в сельском хозяйстве считались органические удобрения. Их энергетический потенциал можно оценить для Украины в 1,59 млн. т условного топлива. Однако сегодня мировой опыт открывает новые возможности и ресурсы.

Развитие технологий и технических средств для производства биогаза направлено на комплексное решение проблем альтернативного энергообеспечения животноводческих ферм, производство высококачественных органических удобрений для кормопроизводства и утилизации органических отходов при снижении уровня эмиссий вредных веществ в окружающую среду. Разработано и реализовано концепцию технического и технологического решения проблемы общего использования органических удобрений и растительной биомассы в биогазовых реакторах. Новое оборудование позволяет получать высококачественный биогаз из органических удобрений с использованием зеленой массы кукурузы, многолетних трав, ботвы кормовой и сахарной свеклы. На новых животноводческих фермах имеется специальный блок, что занимается биоэнергетикой. Этот элемент позволяет использовать биогаз для энергообеспечения фермы, экологически безопасной утилизации органических отходов и обеспечения кормопроизводства высокоэффективными твердыми и жидкими биоудобрениями.

Поскольку в сырьевой смеси для сбраживания в биогазовом реакторе важным компонентом является перегной, возможной становится оценка его эффективности при образовании биогаза. Отметим, что одна голова КРС производит ежегодно около 1,5 т сырья в форме органических удобрений, по которым выход метана составляет в среднем 355 м3. Вместе с тем, выход метана с гектара энергетических растений отвечает выходу метана, получаемого от 8—18 голов КРС. Эти расчеты дают нам возможность сравнивать возможности получения биогаза из разного сырья, но не определяют переработку органических удобрений как менее эффективную. Целесообразно использовать оба субстрата, что при сочетании образуют субстрат с улучшенным качеством.

Результаты, достигнутые в развитии технического обеспечения сельской местности с использованием биогазовых установок, это лишь небольшой шаг в направлении решения общей комплексной проблемы.

Развитие альтернативной энергетики в сельской местности — это нормальная реакция мирового сообщества на уменьшение ископаемых запасов топлива; процесс, имеющий реальную перспективу. Вместе с тем, использование альтернативных источников энергии в сельской местности позволяет существенно удешевить процессы агропромышленного производства растениеводческой продукции.