Биоэнергетика


001
001
002
002
003
003
004
004
005
005
006
006
007
007
008
008
009
009
010
010
011
011
012
012
013
013
014
014
015
015

 

АО «ЭнергоКомплектация» - предприятие с более чем 15-летней историей. Обладая всеми необходимыми лицензиями и сертификатами, АО «ЭнергоКомплектация» в начале 2000 годов разработало и изготовило цифровой флюорограф малодозового рентгеновского излучения - «Петроскан». Указанное оборудование работает по настоящее время в институте травматологии им. Джанелидзе г. СПб и в одной частной клинике. Работа оборудования вызывает только положительные отзывы специалистов, обслуживающих его. Специфика рынка медицинской техники Северо-Западного региона и отсутствие планов конкуренции с партнерами в других регионах послужили причиной перепрофилирования рода деятельности. С 2012 года в связи с выходом закона РФ №261, направленном на энергосбережение, АО «ЭнергоКомплектация», имея компетенции в близкой сфере деятельности, переориентировало работу в этом направлении. Опыт работы наших партнеров ГК «ЦентГеоТехнологий» в части решения проблем утилизации отходов животноводства привел нас к решению об объединении усилий в направлении разработки и внедрения проектов энергосбережения в агросекторе с применением технологий производства БИОГАЗА. 

2

В последние годы в России происходит ощутимый рост объемов производства в агропромышленном секторе, включая животноводство. Одной из причин этому послужили контрсанкции к ряду Западных стран по поставкам продукции сельского хозяйства. Немаловажную роль в ускоренном развитии агросектора сыграла политика руководства страны по обеспечению «продуктовой безопасности» на уровне государства. Так, количество КРС в России в 2015 году достигло 20,0 Млн. голов, в свиноводстве преодолен рубеж 25,0 Млн. голов. Рост количества поголовья в животноводстве и птицеводстве сопровождается резким увеличением отходов. Только свиноводство в 2015 году произвело более 65 Млн. кубов навоза. По информации Национального союза свиноводов, лишь 30% хозяйств в России работают с соблюдением всех норм утилизации отходов. Недостаточное количество пахотных площадей для такого количества отходов в стране и нарушения существующих правил утилизации отходов животноводства, в первую очередь свиноводства и птицеводства, вызывают серьезную озабоченность природоохранных органов. Выявлено множество случаев сброса отходов без соблюдения условий дегельминтизации на поля, имеются примеры сброса в реки. Так, комитетом государственного контроля природопользования и экологической безопасности Ленинградской области закрыта работа одного из комплексов по откорму свиней. Навоз КРС доставляет меньше забот животноводам, так как имеет устоявшую практику использования в качестве удобрений, и тем не менее, даже с соблюдением всех правил утилизации, содержание больших количеств животных и птиц влечет за собой общую глобальную проблему – выделение парниковых газов. 

«Парниковый эффект»

В настоящее время абсолютное большинство стран мира вовлечено в дискуссию о проблемах глобальных изменений, происходящих в природе. Цель нашей презентации - не включать Вас в обсуждение этой несомненно важной проблемы, но некий «легкий экскурс» по этой проблематике предлагаем мы совершить Вам для того, чтобы осознать тенденции глобальных политических и экономических решений, уже принятых и находящихся в процессе обсуждений.           

Итак, обсуждение истории возникновения и последствий «парникового» эффекта, который широко обсуждается в прессе, делит аудиторию на три примерно равные части. Первая группа считает, что во всем виновата человеческая цивилизация, и продукты ее жизнедеятельности «отравляют мир», вторая – что это субъективная реальность, с которой нет сил и возможностей бороться, «мамонты в одночасье вымерли в то время, когда на земле не было угольных котельных», и третья – «А нам по барабану – на все воля божья».  Поэтому для того, чтобы не терять время на философскую и, наверное, очень интересную для дискуссии тему, примем версию первых, на немецком это звучит так «Ja\nein, ich meine» (да\нет, я думаю). Кто бы из них в результате ни оказался прав, используемые на сегодня принципы современной цивилизации на земле оказывают существенное влияние на окружающий мир, периодически «задыхающиеся» от смога мегаполисы – этому подтверждение. По версии основоположников РКИК ООН, ряд газов, в первую очередь углекислый газ СО2, отнесенный к группе парниковых, выбрасываемых в атмосферу, создают дополнительный теплоизоляционный слой, препятствующий нормальному теплообмену поверхности земли. Наладить контроль в режиме «on line» за количеством выбрасываемых газов в атмосферу технически невозможно. Поэтому разрабатываются методики расчета, аналитического учета и верификации количеств (объемов) выбрасываемых парниковых газов по отраслевым признакам. Учитывая большое количество газов, включенных в раздел парниковых, и их различное воздействие на создание парникового эффекта, мировой практикой принято решение учитывать их количество в тоннах, приведенных к углекислому газу, составляющему основу выбросов ПГ -  более 55% СО2-эквивалент (т СО2-экв). Для перевода рассчитаны коэффициенты перевода, получившие название «потенциал глобального потепления (ПГП)». Так, для метана СН4 он составляет 21, для оксида азота N2O - 310, хлорфторуглероды имеют ПГП до 25000 единиц. 

«Международное регулирование объемов выброса парниковых газов под эгидой ООН»

В 1979 году состоялась первая конференция по климату в Женеве.

В 1988 году создана Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК). Перед учеными разных стран стояла задача узнать больше о научных исследованиях в области изменения климата.

В 1990 году МГЭИК и вторая всемирная конференция по изменению климата призывают к заключению глобального договора об изменении климата. На Генеральной Ассамблее Организации Объединенных Наций начинается обсуждение и переговоры по рамочной конвенции.

В 1991 году проходит первое заседание Межправительственного комитета по переговорам.

В 1992 году на встрече на высшем уровне «Планета Земля» в Рио-де- Жанейро под эгидой ООН подписывается Рамочная Конвенция по Изменению Климата (РКИК ООН). На этой конференции подписываются также конвенции о биологическом разнообразии и по борьбе с опустыниванием.

В 1994 году вступает в силу РКИК ООН.

В 1995 году в Берлине проходит первая Конференция Сторон (КС-1).

В 1996 году создан секретариат РКИК ООН для осуществления поддержки деятельности, осуществляемой в рамках Конвенции.

В 1997 в Киото на Конференции Сторон был подписан протокол, получивший название «Киотский протокол».

В 2001 году на КС-7 приняты марракешские договоренности, в которых подробно описаны правила осуществления Киотского соглашения. Приняты новые инструменты финансирования и планирования процесса адаптации к изменению климата и определена концепция передачи технологий странами-участниками соглашения.

В 2005 году после ратификации Киотского протокола Россией он вступил в силу. В Монреале проходит первое совещание сторон Киотского протокола. В соответствии с требованиями Киотского протокола стороны приступают к переговорам о следующем этапе Киотского протокола после окончания в 2012 году первого этапа.

В 2007 году опубликован четвертый доклад МГЭИК по изменению климата. Результаты научных исследований становятся достоянием общественности. На КС-13 стороны принимают Балийскую  дорожную карту, которая к осуществляемой уже работе по Киотскому протоколу под эгидой специальной рабочей группы определяет направление по долгосрочным мерам сотрудничества в рамках Соглашения.

В 2009 году на КС-15 в Копенгагене разработан проект соглашения, в рамках которого страны представляют обязательства по сокращению выбросов или по смягчению последствий выбросов.

В 2010 году на КС-16 принят проект Канкунских соглашений. Подписав эти соглашения, государства придали  своим обязательствам по сокращению выбросов юридический характер,на основе взаимной подотчетности.

В 2011 году на КС-17 в Дурбане было принято решение о переходе к более активным действиям по сокращению выбросов. Была признана необходимость разработки и принятия нового универсального правового документа, который юридически будет определять взаимодействие сторон после окончания второго этапа Киотского протокола в 2020 году.

В 2012 году в Дохе на КС-18 были приняты поправки к Киотскому протоколу, обязательства сторон по второму этапу Киотского протокола на период с 1 января 2013 года по 31 декабря 2020 года. Россия и Канада не подтвердили свое участие во втором этапе Киотского соглашения. Канада - так как не смогла справиться с обязательствами первого этапа, и вместо сокращения допустила существенный прирост, а также политическими мотивами послужило отсутствие в участии соглашения США и Китая, основных эмитентов парниковых газов в Мире. Россия, имея большой запас прочности по объемам выбросов к уровню 1990 года и слабую экономическую заинтересованность участием во втором этапе, приняла решение о выходе из состава участников.

В 2013 году в Варшаве на проводимой КС-19 после обсуждались параметры и способы разрешения противоречий по подготовке соглашения на 2020 год.

В 2014 году в Лиме на КС-20 обсуждался проект нового соглашения по климату, которое должны принять в 2015 году. Обращение ко всем странам пересмотреть свои обязательства по снижению выбросов парниковых газов. Было признано, что Национальные планы адаптации (НПА) являются важным инструментом достижения устойчивости климата. Фонд зеленого климата (ФЗК) превысил намеченный уровень 10Млрд.долларов, намечены шаги по оказанию развивающимся странам по созданию НПА. Саммит еще раз подтвердил различие позиций по ключевым вопросам организации мероприятий по контролю и снижению парниковых выбросов.

12 декабря 2015 года на КС-21 в Париже участниками 196 стран мира одобрено Соглашение по ограничению выбросов в атмосферу, которое придет на смену Киотскому протоколу. Свои национальные планы по снижению выбросов парниковых газов представили 189 государств, при этом приняли на себя обязательство, начиная с 2018 года, каждые пять лет пересматривать их в свете требований науки. Историческое соглашение, подписанное в ООН 22 апреля 2016 года, направлено на удержание повышения средней температуры на планете в пределах полутора градусов по Цельсию.

        Соглашение вступит в силу после того, как его ратифицируют 55 стран, на которых приходится 55 процентов от общего объема глобальных выбросов парниковых газов.

3

Россия принимает активнейшее участие в деятельности ООН по предотвращению возникновения условий и снижению последствий глобальных изменений климата, усиления контроля за выбросами ПГ.

          В 2009 году утверждена Климатическая доктрина России.

          В 2010 году Распоряжением Правительства РФ 27.10.10 утверждена Государственная программа «Энергосбережения и повышения энергоэффективности до 2020 года»

          В 2014 году Распоряжением Правительства РФ №504 -Р от 02.04.14 утвержден План мероприятий по обеспечению к 2020 году сокращения объема выбросов парниковых газов до уровня не более 75 процентов от объема указанных выбросов в 1990 году.

           Первый этап Киотского соглашения (2008-2012 год) устанавливал для участвующих в нем стран предельные значения выбросов т СО2 –экв.  к уровню 1990 года. Так, для России он составлял 100%, для Канады 94%. Россия выполнила эти условия даже с учетом небольшого количества проданных «углеродных» квот. Канада, вместо снижения уровня выбросов на 6%, нарастила их объем на 17-30%, что вызвало необходимость уплаты штрафов на сумму 14 Млрд.дол. США.

           Обе страны после конференции в Дохе приостановили участие в Киотском соглашении, но не вышли из состава его участников.    

«Опыт реализации национальных программ по снижению выбросов парниковых газов в мире»

Неожиданно для многих экспертов, «схлопывающийся» рынок углеводородов открывает не менее емкий рынок углеродов, также неожиданно для многих экспертов и, наверное, поэтому вызывающий у части их непонимание и протест. В тех странах мира, где эти тенденции смогли осознать раньше других, ведут активнейшую работу для того, чтобы занять лидирующие позиции в этом направлении, с тем чтобы в перспективе определять «правила игры», как это ранее делали страны «ОПЕК» и Россия на продажах нефти и газа. «Разгребают» место для старта в первую очередь США, ЕС, Китай. Объединяет этих игроков на рынке углеродов «цель» - достижение лидерства в разработке системы регулирования объемов выбросов парниковых газов. Условия для «старта» так же, как и средства достижения поставленной цели, значительно отличаются. Страны ЕС, достигнув максимальных объемов выбросов ПГ во время интенсивного промышленного роста и ограниченного количества энергетических и углеводородных ресурсов, ведут самое активное участие по регулированию выбросов ПГ по всем направлениям деятельности.

Представители ЕС - самые активные участники международного законодательства по лини РКИК ООН. Постоянно совершенствуют внутреннее законодательство по ограничению выбросов. Создают максимально привлекательные условия для внедрения «низкоуглеродных» технологий – солнечная, ветровая, приливно-отливная, биоэнергетика.

США, накопив максимальное количество выбрасываемых парниковых газов в мире, не торопятся принимать активное участие в международном регулировании. Правильнее будет это назвать – ведут пассивное участие. Принимая участие во всех конференциях ООН в рамках РКИК ООН, вкладывают значительные средства в теоретические исследования влияния парниковых газов на изменения климата и открыто делятся результатами, тем не менее, подписав Киотское соглашение, так и не ратифицировали его. Являясь крупнейшим эмитентом парниковых газов в мире по среднедушевому показателю в 2006-2007 году, отдали «пальму первенства» в абсолютном объеме выбросов Китаю, США последовательно идут по пути снижения загрязнения атмосферы земли. В настоящее время ежегодный выброс СО»-экв 6 Млрд.тонн/год. До 2020 года принята программа снижения количества выбросов на 17-20%. Отказ от ратификации Киотского протокола Конгрессом вызван несколькими обстоятельствами. Это «углеводородное» лобби и нежелание отвлекать финансовые ресурсы для «выравнивания» экономик развивающихся стран, отставших по времени в своем развитии.

Экономические механизмы регулирования уровня выбросов основаны либо на принятии «углеродного налога», либо на создании системы субсидирования затрат на внедрение «зеленых технологий». Установленный контроль за количеством выбросов ПГ хозяйствующими субъектами создает условия для рынка «низкоуглеродных» технологий.

Например, в Норвегии и Швеции в 90е годы введен «углеродный налог» (система Tax and Trade) с базовой ставкой на уровне 50-100 дол. США /т СО2-экв.

В Китае правительством выделяются средства на вознаграждение предприятий за снижение уровня выброса ПГ. В среднем оно составляет 12-15 дол. США за тонну (в некоторых промышленных регионах Китая до 36 дол. США за тонну).

В США не утверждено федеральное регулирование уровня выбросов ПГ, не удалось правительству добиться и ратификации Киотского протокола. Но региональные правила регулирования через утвержденные лимиты выбросов и штрафы за их превышение заставляют хозяйствующие субъекты обращаться на «углеродную биржу» за приобретением необходимых дополнительных квот (система Cap and Trade). На калифорнийской «углеродной» бирже цена составляет 10,09 Дол. США за тонну СО2-экв. В 2007 году эмиссия парниковых газов в США снизилась на 50% к уровню 1980 года.   

«Перспективы развития национальных программ по снижению выбросов парниковых газов в мире»

Подписание Рамочной конвенции ООН об изменении климата в 1992 году послужило стартом реальных действий по выработке механизмов воздействия и контроля уровня выбросов парниковых газов. На более чем 20-и Конференциях Сторон определялись проблемы глобального потепления, уточнялись причины их возникновения, снимались разногласия по подходам реализации планов. Основные противоречия в разрабатываемых соглашениях заключаются в различии экономик стран ООН. Если развитые страны уже прошли пик экстенсивного развития, достигнув при этом максимальных объемов выбросов ПГ, то развивающие не могут принимать обязательства по сокращению выбросов при естественном росте объемов производства. Если Киотское соглашении по этим соображениям создавало более льготные условия для развивающихся стран, то Парижское соглашение уже ставит для всех одинаковые усилия, упор при этом делается на создание эффективных национальных программ.

Практика создания системы регулирования объемов выбросов ПГ в КНР. Отказ ее от подписания Киотского протокола вызван «пониманием невозможности» ввести какие-либо ограничения на выбросы в период «бурного» экономического роста – «набор стартового лимита». Так, в период с 2006 по 2010 год Китай нарастил объем выбросов на 33,6%, выйдя на первое место в мире с объемом 7 Млрд. тонн СО»-экв. Несмотря на тенденцию роста объема выбросов в Китае, уже в 2004 году принята программа по повышению энергоэффективности. Начиная с 11 съезда партии КНР в решения последовательно вносятся решения по регулированию выброса ПГ. На первом этапе - административно-волевыми методами, но в 2006 году уже был запущен пилотный проект «1000 предприятий», где уже применяются методы экономической заинтересованности. Так, предприятия-участники проекта за счет мероприятий, которые позволили снизить уровень выбросов, получают субсидию по 29-36 долл. США (в зависимости от промышленного региона) за т СО2-экв. Уже на стадии пилотного проекта объем регулирования выбросов в Китае составляет 700 млн.т СО2-экв., второй в мире после ЕС (2,1 Млрд.тонн). При сохранении тенденции развития к 2020 году Китайский рынок регулирования углеродов по своим масштабам и системой регулирования станет самым большим и самым передовым по экономическим и рыночным методам.

4

Одним из пунктов плана мероприятий, утвержденного Постановлением правительства №504 от 02.04.2014 года, является разработка и утверждение «методических рекомендаций по проведению добровольной инвентаризации выброса парниковых газов». Решением №15-Р от 16.04.2015 года Министерством природных ресурсов и экологии РФ вышеуказанный документ утвержден. В нем представлены правила расчета выбросов ПГ по отраслевым признакам. В частности, по агросектору представлены таблицы с нормативами расчетов по наиболее значимым видам деятельности. Выборка выделения ПГ по некоторым видам животных показана на слайде. В рекомендациях нормативы представлены в цифрах сопутствующих газов, выделяющихся при содержании животных, – метана и закиси азота. На слайде цифры выделений переведены в кг СО2-экв. Общее количество ПГ от содержания КРС и свиней в России составляет 50 Млн. тонн в год, включает в себя только сопутствующие газы метан и закись азота, прямое выделение животными СО2 в расчеты не включается, но составляет немалую величину. Так, одна особь КРС выделяет 1,73 т СО2/год, свинья в среднем 1,04 т СО2/год. Объемы содержания животных этих видов в России незначительны - КРС 1,54% (в мире насчитывается 1 300 Млн.голов) и 2,5% свиней (в мире около 1 000 млн.голов).

Много это или мало? По нормативам выбросов поголовье КРС и свиней в мире в год выбрасывает 2 500 млн. тонн СО2-экв. Это годовой объем выбросов СО2-экв. России в настоящее время, учитывающий абсолютно все виды деятельности. В методиках расчета принят принцип - «чистый» СО2, выделяемый людьми и животными, поглощается растительностью и в расчетах не учитывается. Но дубу не прикажешь, какой СО2 поглощать, выделяемый буренкой или трактором. Он свои 28 кг в сезон (в год) перерабатывает в кислород, не вникая в причины его возникновения. Сосна в год поглощает 10 кг СО2. Простая арифметика показывает: для того, чтобы нейтрализовать выбросы ПГ свинофермой 100 000 голов, надо посадить 2 млн. сосенок - это бор на площади 500 га, а если в расчет взять прямое выделение поросятами СО2 в воздух, бор будет уже 2 500 га.

«Принцип работы ферментера (биореактора)»

Технологический процесс управляемой ферментации на биогазовой станции в своей основе очень похож на принцип переваривания растительной пищи у крупного рогатого скота (КРС). В расчетах нормативов по методике добровольной инвентаризации КРС стоит на первом месте, выделяя в год более 2-х тонн СО2-экв.

Именно по причине сходства с работой живого организма очень важно для устойчивой работы биоэнергетического комплекса грамотно разработанный технологический процесс ферментации. В конечном счете он служит оптимизирующим условием для разработки всего проекта, подбора оборудования и его стоимости. Условия технологического процесса при эксплуатации должны строго соблюдаться. Температурный режим в ферментаторах и дозревателях, направленность и скорость перемешивания в них биомассы, контроль за уровнем кислотности - все это обеспечивает автоматизированная система управления биокомплексов по программе, составленной на основе разработанного технологического процесса. Но в работе любой автоматики присутствует влияние человеческого фактора, и контроль отклонений работы системы должен иметь постоянный характер. Биогаз, как мы говорили выше, представляет собой смесь газов - метан, ради которого он вырабатывается, и его максимальный процент выработки обеспечивается поддержанием разработанного технологического процесса, непременно его сопровождающий углекислый газ и примеси – азот, кислород, водород и сероводород. Особую неприятность доставляет последний, при попадании его в рабочую часть ГПА сера, выделяющая при сгорании, оказывает механическое воздействие на поршневую группу, что служит причиной ее преждевременного выхода из строя. Отдельные производители, устанавливающие или требующие установки контролеров на входе ГПА, при превышении установленного количества поступаемого сероводорода отказывают в гарантии. Если в случае необходимости увеличения объема биогаза в состав ферментируемой биомассы добавляются другие компоненты (овощи, жмых, силос и т.д), особенно если они не прописаны в технологическом процессе, работа биореактора может быть подвержена серьезным изменениям.

Поэтому в реальной работе биогазовой станции должна быть обеспечена возможность технологического сопровождения. Опытный специалист, знающий технологический процесс конкретной биогазовой станции, по отклонениям может даже дистанционно выдать необходимые рекомендации по корректировке работы биореактора. На практике были случаи, когда достаточно долгий период невозможно было определить причину сбоя процесса ферментации при вроде бы незначительных изменениях в технологическом процессе. Пока статистика не показала, что сбой происходит два раза в год, примерно в одно и то же время. Когда обратились к анализу внешних факторов, выяснилось, что в этот период происходит массовая вакцинация свиней на ферме антибиотиками, которые через отходы, служащие основой биомассы, оказывают воздействие на работу бактерий. Через административные механизмы указанные причины в дальнейшем удалось устранить.

Вывод: при внешней простоте технологического процесса ферментации упрощать его до примитива нельзя, и чтобы им управлять, необходимо грамотно его понимать и иметь возможность оперативно получить консультацию по отклонениям в работе биореактора.

6

8

Основную составляющую биогазового комплекса – биореактор, мы рассмотрели на предыдущем слайде, на представленном - показана схема всего биокомплекса. Биореактор на ней состоит условно из трех частей – смесителя, четырех ферментаторов и трех дозревателей, соедененных между собой трубопроводами. Все они обеспечены управляемой системой подогрева, обеспечивающей постоянную температуру 38-40 градусов, и системами перемешивания биомассы. Система перемешивания должна обеспечивать решение нескольких технологических задач. Во-первых, твердые частицы взвеси, служащие объектом питания для бактерий, при перемешивании должны обеспечивать равный доступ к себе для того, чтобы бактерия смогла выполнить свою миссию, при этом режим перемешивания не должен быть очень медленным, она должна быть в соприкосновении с биочастицей определенный промежуток времени. Поэтому режим перемешивания не должен быть быстрым. Кроме того, перемешивание должно предотвращать образование корки на поверхности. Она затрудняет выход биогаза и обеспечение равной температуры по всей емкости. А если еще отметить, что режим перемешивания оказывает существенное влияние на структуру биогаза, особенно на содержащиеся в нем примеси, – можно осознать, какая важная роль отводится мешалке.

Мешалки, имеют достаточно простую с инженерной точки зрения конструкцию – электродвигатель и винт, достаточно сложное в исполнении и дорогое оборудование. Несмотря на большое количество в мире фирм, производящих их, их можно условно разделить на два типа: погружные и наружные с поворотным углом вращения вала. Все типы мешалок изготовлены из сверхпрочных антикоррозийных металлов, которые должны обеспечивать работу механизмов в агрессивной среде. Погружные мешалки, учитывая, что и электромотор находится в биомассе, должны обеспечивать высокий класс электрозащиты. Учитывая сложность возможного ремонта мешалок, определение выбора производителя данного оборудования должно быть направлено в сторону фирм, обеспечивающих надежность их работы при эксплуатации.

Все емкости биореактора, за исключением смесителя, снабжены в верхней части газгольдерами для сбора биогаза, который через систему трубопроводов поступает на осушитель, компрессор и затем в ГПА.

Газгольдер представляет собой колпак из двух слоев прорезиненной ткани. Верхний слой - защитный от атмосферных осадков, нижний - емкость для биогаза, воздушная прослойка между ними – теплоизоляция.

Биогазовый комплекс

5

9

10

Кластер предприятий потребителей биоэнергии.

11

Когда рассчитывается технологический процесс переработки отходов жизнедеятельности животных для получения газа, очень важно расставить приоритеты потребностей Заказчика:

- Максимальное количество электроэнергии.

- Максимальное количество тепла.

- Максимальный объем переработки отходов.

- Максимальный объем получаемого удобрения