Электроэнергия из биогаза и применение биогазовой технологии

В последние годы существенно возрос интерес предпринимателей, инвесторов и общественности к биоэнергетике, базирующейся на воспроизводимых биологических ресурсах. При этом более перспективным направлением признается получение электроэнергии из  отходов животноводства и растениеводства, а также ТБО и канализационных стоков. В условиях стремительного роста цен на энергоресурсы заинтересованность в таких проектах вполне понятна и логична, ведь в государствах Центральной и Южной Европы подобные электростанции с большим успехом используются уже более двух десятилетий.

Электроэнергетические аспекты применения биогазовой технологии

При содержании метана 45–50% биогаз теоретически демонстрирует энергетический потенциал в размере 5 кВт⋅ч/м³.

При применении биогаза обеспечивается следующий выход энергии:

• в форме моторного топлива с получением электроэнергии – 34–36%;
• в форме котельного топлива 89–93%;
• в форме моторного топлива с обеспечением когенерации (одновременной выработки) тепловой, электрической энергии – 74–88%.

К ряду самых перспективных проектов в настоящее время относят когенерационные электростанции, функционирующие на базе микротурбинного оборудования. Интерес к подобным установкам вызван их уникальными техническими свойствами, например, возможностью их работы без газоподготовки на разнообразных типах топлива. Микротурбинное оборудование, функционирующее в когенерационном режиме, позволяет почти на четверть нарастить эффективность использования топлива и вдвое снизить эксплуатационные затраты (в сравнении с традиционными газопоршневыми устройствами).

Еще более перспективной и экономически выгодной следует признать выработку электричества из биологического газа с использованием топливных элементов. В данном случае обеспечивается прямое преобразование газа в электроэнергию, не требующее его сжигания. Помимо более высокой экологической чистоты процесса достигается более высокий его КПД. Топливные элементы в данном случае являются простыми ячейками (своеобразными аккумуляторами), в которых идут химические реакции горючих веществ с окислителями. Вследствие этих реакций вырабатывается электричество. Однако до конца задача эффективного использования биологического газа в топливных элементах пока не разрешена, поскольку их мембраны подвержены разрушению ввиду воздействия содержащихся в биогазе веществ.

Иностранная научная периодика свидетельствует о том, что в данное время исследования, связанные с поиском материалов для выполнения мембран, находятся в завершающей стадии. В частности, установлено, что малую восприимчивость к загрязнению имеют высокотемпературные материалы. Присутствие CO2 в составе биогаза (15–50%) позволило немецким специалистам применить при производстве электроэнергии топливные компоненты группы MCFC, способные функционировать в среде, создаваемой  биогазом. На катод таких компонентов, имеющих КПД 49 %, подается биогаз, а на анод – кислород.

Показатель себестоимости получения из биологического газа по схеме когенерации 1 кВт⋅ч электрической энергии составляет 0,16–0,25 руб. Однако, если применять газ исключительно для выработки электричества, то его себестоимость превысит себестоимость сетевой электроэнергии примерно на 35 %. Гораздо выгоднее обеспечить переработку отходов на биогазовой установке с обеспечением одновременного получения:

• газа;
• тепла;
• электричества;
• топлива для автомашин;
• биологических удобрений.

Что касается инвестиционного аспекта производства электроэнергии из биогаза, то капитальные затраты на 1 кВт базовой мощности биогазовой установки находятся в диапазоне €2000–4500 и зависят от типа биомассы и размеров установки. Станции значительной мощности (свыше 10 МВт), функционирующие на сахарном жоме либо жировых отходах, демонстрируют капитальные затраты на 1 кВт в размере около €1500-1800. Капитальные затраты на малые станции (до 1 МВт), применяющие навоз КРС, могут достигать €7000 на 1 кВт.

В таблице 1 приведены критерии наиболее экономически обоснованных биогазовых проектов с позиций наличия отходов, подлежащих утилизации.

Таблица 1. Критерии экономической обоснованности биогазовых проектов с позиций наличия отходов, подлежащих утилизации

Тип производства	Объемы отходов
свинокомплексы, имеющие отходы	от поголовья более 70000 голов
птицефабрики, имеющие отходы	от поголовья более 1000000 голов
комплексы КРС, имеющие отходы	от поголовья более 8000 голов
предприятия, имеющие зерновые отходы	более 30 т ежесуточно
спиртовые заводы, имеющие отходы	более 130 т ежесуточно
предприятия по очистке сточных вод, имеющие отходы	более 150 т ежесуточно
мясоперерабатывающие предприятия, имеющие отходы бойни	более 80 т ежесуточно
пивоваренные заводы, имеющие отходы	более 150 т ежесуточно
сахарные заводы, имеющие отходы	более 220 т ежесуточно

Эффективность применения биологического газа в существенной мере зависит от параметров неравномерности потребления энергии. Если объемы генерации газа могут быть достаточно стабильными и в продолжение года, и в течение суток, то электроэнергетические нагрузки подвергаются принципиальным изменениям. Как итог, при спаде потребления объем получаемого биологического газа будет избыточным,  а при пиковых нагрузках – недостаточным.
В проектах, предусматривающих выработку электроэнергии из биогаза, требуется разрешать проблемы, связанные с наращиванием КПД применения газа. В этом смысле к перспективным направлениям относят:

• обогащение биологического газа в целях применения его в виде моторного топлива для техники;
• аккумуляцию в газгольдерах излишнего биогаза в моменты спада потребления.

Развитие технологии получения электроэнергии из биогаза в России

Потенциал российского рынка биологического газа составляет в настоящее время свыше $18 млрд. Физические показатели ежегодного производства биогаза достигают 14 млрд. м³, что эквивалентно 9,5 млрд. м³ природного газа. Это является потенциалом для выработки 63 млрд. кВт⋅ч электроэнергии. При этом имеются ресурсы для производства биогаза в объеме 80 млрд. м³, что позволяет вырабатывать свыше 360 млрд. кВт⋅ч электроэнергии в год.

Предпосылки роста рынка производства электроэнергии из биогаза  связаны с:

• развитием сельскохозяйственного комплекса и пищевой отрасли, а следовательно, с увеличением отходов АПК;
• ростом тарифов на энергоресурсы, темпы которого сродни европейским;
• появлением механизмов сервисных контрактов в правовом поле;
• невысоким средним уровнем развития инфраструктуры энергетики;
• ростом цены подключения к энергосети;
• значительной стоимостью биоудобрений на российском рынке;
• нормативным ужесточением экологического права.

Предполагается, что развитие данного сегмента рынка будет более активным ввиду принятия в 2013 году правительственного постановления, ориентированного на обеспечение стимулирования применения воспроизводимых энергетических источников и на компенсацию тарифов по полученной подобным образом энергии. Предусмотрено, что  уровень тарифов, устанавливаемых на электроэнергию, полученную на биогазовых объектах, будет соответствовать розничным региональным ценам для промышленного потребления.

Развитие технологии получения электроэнергии из биогаза непосредственно связано с обеспечением экологического благополучия населения. Поэтому российское научное сообщество уделяет этому аспекту особое внимание, отмечая, что биогазовые проекты должны пользоваться особыми мерами господдержки. В частности, увеличению объемов электроэнергии, получаемой из биогаза, способствует реализация комплекса мероприятий, связанных с ужесточением контроля над выбросами и утилизацией отходов, собираемостью экологических платежей.

Заключение

При условии реализации государственных мер поддержки, ориентированных на развитие биогазовой отрасли, ее ожидает бурный и стремительный рост. Но даже отсутствие подобной поддержки не является значительным препятствием: при существенном росте тарифов на электроэнергию и увеличивающихся экологических платежах биогазовые проекты демонстрируют высокую рентабельность и быструю окупаемость.