Біомаса дозволяє отримати сьому частину світового об’єму палива, а по кількості отриманої енергії займає поряд із природним газом третє місце. З біомаси отримують учетверо більше енергії, ніж виробляє ядерна енергетика.
Біогаз, який отримується з різного органічного матеріалу, буде відрізняться своєю теплотворністю: газ побутових, сільськогосподарських відходів та газ стічних вод. Він має найбільшу теплотворність серед газів, які стоять перед природним газом. Біогаз з органічної біомаси, не залежно від походження, становить істотну конкуренцію за рахунок низької вартості біомаси.
Виробництво біогазу в світі
За даними статистики щорічно країни ЄС виробляють побутові та сільськогосподарські відходи в об’ємах 100-120 млн т нафтового еквіваленту (н. е.). З них 50-60 млн т н. е. можуть бути утилізовані в віддаленій перспективі, а зараз 15-20 млн т н. е. Аналогічні показники для альтернативних джерел енергії становлять (млн т н. е.): геотермальна енергія — 3-7,5, сонячна енергія — 10-20, енергія вітру — 6-10.(1).
Загальне виробництво первинної енергії з біогазу в країнах ЄС в 2012 р. становило понад 12 млн т н.е. (екв. 18,8 млрд м³ ПГ-природного газу). Загальна кількість біогазових установок в 2014 р. перевищувала 13800 одиниць.
Домінуючим напрямом енергетичного використання біогазу є виробництво електроенергії з подальшим постачанням до електричної мережі. За останнє десятиліття почали інтенсивно розвиватися проекти виробництва біометану з подальшим закачуванням у мережі ПГ. Звичайно, біометан подається у розподільчі мережі під тиском нижче 16 бар.
Нині БМ (біометан) виробляється у 15 європейських країнах. Подача БМ у мережу відбувається в 11 країнах (Австрія, Чехія, Німеччина, Данія, Фінляндія, Франція, Люксембург, Нідерланди, Норвегія, Швеція, Великобританія). У 12 європейських країнах (Австрія, Чехія, Німеччина, Данія, Фінляндія, Франція, Угорщина, Ісландія, Італія, Нідерланди, Швеція, Великобританія) біометан використовується як моторне паливо (в тому числі у вигляді суміші з ПГ), а також для виробництва тепла (в чистому виді або в суміші з ПГ).
На сьогодні загальна кількість біометанових станцій у європейських країнах досягла 250 од., з яких 200 станцій подають БМ в мережу ПГ.
Дорожня карта з виробництва біогазу в країнах ЄС показує можливість виробництва біогазу в 27 країнах ЄС в 2020 р. в обсязі, еквівалентному 29,43 млн. т н.е. (еквівалент 36,29 млрд м³ природного газу). Для цього достатньо буде використовувати 35% усіх гнойових відходів тваринницьких ферм і вирощувати енергетичні культури під біогаз на 5% сільськогосподарських земель. При цьому приблизно 3/5 обсягу біогазу планується виробляти з енергетичних культур, 1/5 — із гною, і ще 1/5 — з інших відходів і побічних продуктів промисловості та сільського господарства. За оцінками аналітиків, ринок біогазу продовжить стрімко розвиватися, заміщуючи інші енергоносії в загальній структурі енергетичного балансу країн.
Потенціал виробництва біогазу в Україні
Агропромисловий сектор України, виробляючи значні обсяги органічних відходів, потенційно володіє ресурсами для виробництва біогазу, здатними замістити 2,6 млрд м³ ПГ/рік (теоретичний потенціал). При подальшому розвитку сільського господарства та широкому використанні рослинної сировини (силос, трави) цей потенціал може бути доведений за різними оцінками від 7,7 (10) до 18 (11) млрд м³/рік у перерахунку на природний газ. У першому випадку передбачається використовувати 6% орних (50% вільних від посівів) земель в Україні під вирощування кукурудзи на біогаз із консервативною величиною урожайності 30 т/га. При цьому частка біогазу з силосу кукурудзи становить 53,0% від загального потенціалу, з побічної продукції та відходів рослинництва — 5,7%, з побічної продукції та відходів харчової переробної промисловості — 5,3%, з гнойових відходів тваринництва — 36%.
Другий варіант із вищим прогнозом припускає використання 7,9 млн га вільних від посівів земель під вирощування кукурудзи на біогаз з урахуванням підвищення урожайності.
У табл. 1. показаний потенціал вироблення біогазу на існуючих підприємствах АПК України і при вирощуванні силосу кукурудзи для виробництва біогазу на 50% вільних орних земель (при врожайності 40 т зеленої маси з 1 га і виході біогазу 180 м³/т).
Таблиця 1. Потенціал виробництва біогазу в окремих галузях АПК України
Потенційний обсяг біогазового ринку в Україні може бути освоєний протягом 10-20 років (до 2030 року). Необхідною передумовою реалізації цих проектів на першому етапі є запровадження економічно обґрунтованого ЗТ (зеленого тарифу) для електроенергії з біогазу. Для реалізації ефективних енергетичних біогазових проектів важливо стимулювати виробництво електроенергії з біогазу, отриманого не тільки з відходів біомаси, а й зі спеціально вирощеної рослинної сировини. Паралельно з виробництвом електроенергії в Україні доцільно впроваджувати виробництво біометану для прямого заміщення природного газу або більш ефективної енергетичної утилізації біогазу в виробництві електроенергії та тепла.
Як стверджують дослідники, загальний теоретично можливий потенціал для виробництва біометану становить близько 26,5 млрд Нм³/р. Досліджуваний потенціал складається із потенціалів для виробництва біометану з гною, а також потенціалу перелогових земель для вирощування енергетичних культур (кукурудзи, трави, зернових, цукрових буряків тощо), деревинної біомаси, соломи та побутових відходів (полігонного сміття, стічних вод) (табл. 2).
Таблиця 2. Частковий і загальний потенціал різної біосировини в Україні
Поточне споживання газу і
теоретично можливий потенціал біометану
У 2011 році країна імпортувала в цілому близько 45 млрд м³ природного газу. З них близько 40 млрд м³ постачалися російським підприємством «Газпром» українському державному підприємству «Нафтогаз України». Решта газу (близько 5 млрд м³) постачалася компанією Ostchem Holding, яка видобуває газ для власних потреб з метою забезпечення своєї діяльності у хімічному секторі.
Загальний річний обсяг споживання природного газу в Україні у 2012 році становив приблизно 44,2 млрд м³.
Проекти БГУ в України
Незважаючи на високий потенціал біогазової галузі, її розвиток ось уже багато років перебуває на початковій стадії. Основна причина — відсутність будь-якої державної підтримки галузі, зокрема, застосовуваних для інших галузей відновлюваної енергетики «зелених» тарифів.
Перший великий біогазовий комплекс на відходах тваринництва з’явився ще в 1993 р. на свинофермі комбінату «Запоріжсталь» (табл. 3). За 20 років у країні було реалізовано ще з десяток різних проектів, загальна встановлена потужність яких становить близько 7 МВт. Серед найбільш великих проектів можна виділити біогазовий комплекс «Української молочної компанії» (2003 рік запуску) з переробки гною ВРХ та силосу кукурудзи з рекордною для України потужністю 1 МВт.
Таблиця 3. Проекти БГУ в сільському господарстві України
У вересні 2011 р. було розпочато будівництво біогазової установки на базі свинокомплексу в с. Копанки Івано-Франківської обл. У 2012 р. «Миронівський хлібопродукт» почав роботи з будівництва біогазової установки на птахофабриці «Оріль-Лідер» у Дніпропетровській обл. Планує реалізувати програму будівництва з 30 БГУ компанія «Укрлендфармінг». Агропромхолдинг «Астарта-Київ» в 2012 р. анонсував будівництво біогазової установки на Глобинському цукровому заводі (Полтавська обл.) за рахунок кредиту ЄБРР. Таким чином, впровадження біогазових технологій залишається долею флагманів АПК, що мають власні ресурси для роботи в умовах слабкого фінансового ринку і відсутності інвестицій.
Кілька прикладів впроваджених біогазових проектів існує на полігонах ТПВ (твердих побутових відходів) в містах Львів, Маріуполь, Кременчук, Луганськ, Київ, а також Бортницької станції очищення стічних вод (м. Київ). Проект на Київському полігоні №5, реалізований компанією ЛНК, є наразі найбільш успішним. На полігоні працює лінійка з п’яти біогазових двигунів компанії TEDOM встановленою потужністю 177 кВтел кожний. У 2012 р. на полігоні ТПВ вироблено, поставлено в мережу і продано за економічно обґрунтованого тарифу, визначеного НКРЕ, 3,26 ГВт•год електроенергії. Компанія нарощує потужність цього проекту. У травні 2013 р. компанія отримала можливість продавати е/е, вироблену з біогазу на Бориспільському полігоні, за «зеленим» тарифом (134,46 коп./кВт • год.).
На сьогодні в Україні введено в експлуатацію 10 біогазових установок загальною потужністю близько 7 МВт. Ставка «зеленого тарифу» для біогазу не була затверджена, але нині в роботі знаходиться кілька законопроектів, які все ж передбачають «зелений тариф» для електроенергії, виробленої з біогазу в розмірі 0,1454 євро/кВт-год. При сприятливому результаті до 2020 р. можна буде досягти виробництва на рівні 8 млрд кубометрів біогазу (що еквівалентно 350 МВт електроенергії або 500 МВт теплової потужності).
В якості робочої біомаси можуть виступати звалищні, сільськогосподарські відходи, а також відходи тваринництва. Спосіб видобутку біогазу ідентичний технології, що застосовується на станціях аерації, і дає можливість отримати горючий газ із теплотворною здатністю 5000 ккал/м³. Враховуючи те, що в багатьох населених пунктах нашої країни (особливо в сільській місцевості) немає достатнього забезпечення природним газом, але в надлишку сировина для біогазу, таке вирішення альтернативної енергетики представляється досить універсальним.
Подібні установки з видобутку біогазу в Україні дуже перспективні і в якості очисних споруд, оскільки дають можливість переробляти відходи і запобігають скупчення гниючих відвалів поблизу великих виробництв, природне бродіння яких призводить до виділення газів і виникненню пожеж. Переробка відходів супроводжується викидом енергії, яку можна використовувати для побутового газопостачання та перетворення в електричну або теплову енергію. Проекти з виробництва біогазу та його подальшого використання як джерела енергії здатні не тільки підвищити рентабельність аграрних холдингів, дозволяючи економити на утилізації відходів і заробляючи на виробництві надлишків тепла та електроенергії, а й перетворюють донедавна розрізнені виробничі процеси та енергозабезпечення в єдиний технологічний цикл.
Технологічні аспекти
Біогаз — це суміш метану та вуглекислого газу, яка утворюється у процесі анаеробного бродіння в спеціальних реакторах — метантанках, які збудовані та керуються таким чином, щоб забезпечити максимальне виділення метану. Енергія, яка утворена при спалюванні біогазу, може досягати від 60 до 90% від тієї, яку має первісний матеріал. Другий, та дуже важливий показник процесу переробки біомаси — її відходи містять меншу кількість хвороботворних мікроорганізмів, ніж у первісний матеріал. Первісним матеріалом для отримання біопалива може стати практично будь-які речовини органічного походження.
Біогаз з органічної біомаси, будь-то відходи побутові, чи сільськогосподарського походження чи відходи харчової промисловості, становлять істотну конкуренцію за рахунок низької вартості біомаси.
Біогаз — газ, який отримується водневим або метановим бродінням біомаси. У виробництві біогазу беруть участь три види бактерій гідролізні, кислотоутворюючі і метаноутворюючі. Одним із різновидів біогазу є біоводень, де кінцевим продуктом життєдіяльності бактерій є не метан, а водень.
Перелік органічних відходів, придатних для виробництва біогазу: гній, пташиний послід, зернова і мелясного післяспиртова барда, пивна дробина, буряковий жом, фекальні осади, відходи рибного і забійного цеху (кров, жир, кишки, канига), трава, побутові відходи; відходи молокозаводів — солона і солодка молочна сироватка; відходи виробництва біодизелю — технічний гліцерин від виробництва біодизелю з ріпаку; відходи від виробництва соків — жом фруктовий, ягідний, овочевий, виноградна вижимка, водорості; відходи виробництва крохмалю і патоки — мезга і сироп; відходи переробки картоплі, виробництва чіпсів — очищення, шкурки, гнилі бульби, кавова пульпа.
Крім відходів, біогаз можна виробляти зі спеціально вирощених енергетичних культур, наприклад, з силосної кукурудзи або сильфі. Вихід газу може досягати до 300 м³/т.
Біометан можна виробляти трьома основними способами:
1. Мікробіологічна ферментація органічного матеріалу з низьким вмістом лігноцелюлозних комплексів (ЛЦК), в основному з сировини та відходів АПК, органічної фракції ТПВ, стічних вод та осадів у контрольованих біореакторах з отриманням біогазу та наступної його очистки від домішок із підвищенням вмісту метану та доведенням до якості ПГ;
2. Збір біогазу на полігонах та звалищах ТПВ з наступною його очисткою від домішок та доведенням до якості ПГ;
3. Газифікація біомаси (з високим вмістом ЛЦК, переважно деревини), з отриманням синтез-газу (суміш водню, окису вуглецю та метану) з подальшою його метанізацією, очищенням та доведенням до якості ПГ. Технологія газифікації та метанізації знаходиться на стадії досліджень та пілотних проектів.
Біогаз складається переважно з СН4 та СО2 (сумарно до 98-99%) та домішок (0-2%). Залежно від виду сировини та технології, що застосовується, склад біогазу може значно відрізнятися, що багато в чому визначає технологію його очистки при виробництві біометану. В табл. 4 наведена порівняльна характеристика біогазу з різних джерел.
Таблиця 4. Склад та властивості біогазу з різних джерел
Важливою відмінністю біогазу, зібраного на полігонах ТПВ, є ймовірність підвищеного вмісту в ньому азоту, кисню, сполук сірки, хлору, силоксанів. В свою чергу, біогаз із відходів та сировини АПК відрізняється підвищеним вмістом сірководню та аміаку, але силоксани в ньому практично відсутні.
Різні компоненти в біогазі можуть чинити різний вплив на системи подальшого транспортування та утилізації біогазу. В біогаз, що відкачується на полігонах ТПВ, разом з азотом може потрапляти кисень при інфільтрації повітря у тіло полігону. Кисень сприяє корозії та утворенню біообростань у газосховищах. Пріоритетним завданням у випадку виробництва біометану є максимальне зменшення потрапляння кисню у біогаз, що досягається як застосуванням відповідних способів попередньої очистки, так і контролем потрапляння повітря у системах очистки біогазу на полігонах ТПВ.
Можливі напрями розвитку біогазових технологій
1. Класичний підхід-БГУ (біогазова установка) для переробки власних відходів підприємств (фермерські господарства, підприємства харчової та переробної промисловості, станції очистки стічних вод).
2. Будівництво великих централізованих біогазових комплексів для спільної переробки відходів тваринницьких підприємств та підприємств харчової промисловості, спільне виробництво електричної та теплової енергії (датська модель).
3. Спільне зброджування відходів тваринництва і енергетичних культур для виробництва електричної енергії (німецька модель).
4. Будівництво великих біогазових комплексів із подальшим отриманням біометану та використанням як замінника природного газу.
5. Створення підприємств для механіко-біологічної переробки органічної фракції ТПВ.
6. Збір та утилізація біогазу на полігонах ТПВ (твердих побутових відходів).
Перспективність виробництва біометану в Україні
Виробництво біометану стрімко розвивається у країнах ЄС та має хороші передумови й перспективи в Україні, що викликано наступними факторами:
1. Висока енергетична інтенсивність економіки України в порівнянні зі світовими показниками. Високе споживання природного газу, в тому числі на потреби відсталих промислових підприємств.
2. Критична залежність України від нестабільних поставок газу із зовнішніх ринків, у тому числі з Росії.
3. Високі та нестабільні ціни на природний газ, тенденції до їх збільшення для всіх категорій споживачів.
4. Високий потенціал виробництва біогазу з відходів АПК.
5. Великий потенціал виробництва біогазу/біометану при використанні вільних орних родючих земель для вирощування сировинних енергетичних культур за їх потенційно меншої собівартості (в порівнянні з виробництвом західних країн).
6. Розвиток транспортної інфраструктури ПГ, яка включає магістральні трубопроводи, що з’єднують Україну з країнами Європи, а також мережі розподільчих трубопроводів, які забезпечують велику частину населення України природним газом.
7. Традиції використання ПГ на транспорті, розвинута мережа газових заправних станцій (АГНКС).
Резюме
Підсумовуючи, за результатами аналізу літературних джерел можна зробити наступні висновки:
1. Виробництво біогазу в світі в цілому, і в країнах ЄС зокрема знаходиться у процесі стрімкого зростання з тенденцією до інтенсифікації існуючих технологій отримання біогазу, а також пошуку нових видів сировини і технологій його переробки в біогаз, максимально повного корисного використання енергії біогазу.
2. Розвиток біогазових технологій в Україні дозволить у перспективі робити значний внесок у забезпечення енергетичної незалежності держави, сформує альтернативний газопаливний ресурс, забезпечить можливість покриття пікових навантажень в електромережі, сприятиме створенню нових робочих місць, розвитку місцевої економіки, поліпшенню екології та підвищення родючості ґрунтів.
3. Для інтенсивного нарощування виробництва біогазу та енергії з нього необхідно створити умови для розвитку цього виду бізнесу. Першочерговими завданнями повинні стати: підвищення «зеленого» тарифу для е/е з біогазу до 0,1616 євро/кВт • год. (коефіцієнт ЗТ 3,0) — для біогазу з продукції відходів АПК, і до 0,1454 євро/кВт • год. — для інших видів біогазів; усунення в Законі України № 5485-VI ряду термінологічних упущень, що стосуються терміну «біомаса» і назв основних елементів БГУ, а також скасування на цьому етапі розвитку галузі вимоги «місцевої складової».
4. Потрібне поглиблення наукових досліджень щодо: пошуку нових та найбільш ефективного використання сировинних ресурсів, розробки нових технологій виробництва та очистки біогазу, технологій газифікації та метанізації з отриманням синтез-газу (суміш водню, окису вуглецю та метану) з подальшою його метанізацією, очищенням та доведенням до якості ПГ. Розробка пілотних інноваційних проектів у цьому напрямі.
5. Розвиток виробництва вітчизняного обладнання для БГУ.
6. Дослідження потенційних можливостей та розробка довготермінових програм щодо виробництва біогазу в кожному регіоні України.
