ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЕЛИОБИОГАЗОВЫХ УСТАНОВОК НА ТЕРРИТОРИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

АННОТАЦИЯ

Внедрение биогазовых установок является экологически и экономически выгодным, так как позволяет утилизировать сельскохозяйственные отходы и производить биогаз для собственных нужд. В ходе данного исследования был произведен анализ перспективы использования гелиобиогазовых установок для производства биогаза на территориях Казахстана. Были выявлены наиболее перспективные области для размещения гелиобиогазовых установок. Также была приведена принципиальная схема гелиобиогазовой установки и описан принцип ее работы.

ABSTRACT

The introduction of biogas plants is environmentally and economically beneficial, because it allows to dispose of agricultural waste and produce biogas for own needs. During the research, an analysis was made of the prospects for the use of heliobiogas plants for the production of biogas on the territory of the Republic of Kazakhstan. The most promising areas for the location of heliobiogas plants have been identified. A schematic diagram of a heliobiogas installation was also given and the principle of its operation was described.

Ключевые слова: биогаз, биогазовые установки, субстрат, анаэробное брожение, солнечные коллекторы.

Keywords: biogas, biogas plants, substrate, anaerobic fermentation, solar collectors.

В настоящее время наблюдается общемировая тенденция развития области ВИЭ. Большинство развитых и развивающих страны активно внедряют различные технологии ВИЭ, и Казахстан не исключение. Согласно планам правительства, предлагается установить уровень ВИЭ в 5% от общего энергопотребления Казахстана к 2024 году, что создаст благоприятные перспективы решения энергетических, социальных и экологических проблем в будущем. В настоящее время Казахстан ведет определенную работу по использованию ВИЭ. Так, был принят закон «Поддержка использования возобновляемых источников энергии» [3].

Одним из наиболее перспективных в области ВИЭ является использование процессов анаэробного брожения для получения биогаза. При этом источником получения биогаза могут являться сельскохозяйственные отходы. Это позволяет активно внедрять биогазовые технологии на сельскохозяйственных фермах, одновременно решая две проблемы – проблемы теплофикации и утилизация отходов. За счет производства биогаза имеется возможность использования его для местной теплофикации, а утилизация отходов не только позволяет снизить экологические воздействия на окружающую среду, но также использовать продукты сбраживания в качестве органического удобрения для различных сельскохозяйственных культур [8; 9].

Другим перспективным возобновляемым источником энергии является солнечная энергия. Это позволяет внедрять различные технологии для преобразования солнечной энергии, которые позволяют решать ряд экологических и экономических проблем. Основными преобразователями солнечной энергии являются фотоэлектрические модули и солнечные коллекторы.

Объединение этих двух технологий позволяет наиболее эффективно использовать оба вида возобновляемых ресурсов. При этом повышаются не только различные энергетические показатели, но и решаются ряд различных технологических проблем, присущих для данных видов технологий. Поэтому необходимо проанализировать возможности использования гелиобиогазовых установок на территории Республики Казахстан.

Согласно статистике [10], общий объем выхода биогаза из твердых отходов и осадка сточных вод по всему Казахстану составляет 29 051 600 ГДж/год, где наиболее высокие показатели выхода биогаза принадлежат следующим регионам: Туркестанская, Жамбылская, Карагандинская, Акмолинская, Восточно-Казахстанская области и Алматы.

Одним из наиболее подходящих отходов для производства биогаза являются отходы животноводства. Так, с 1 м³ навоза можно получить 30 м³ биогаза, у которого средняя энергоемкость составляет 23 МДж/м³ [10].

В таблице 1 приведен потенциал выход биогаза за счет отходов животноводства [7].

Таблица 1.

Потенциал выхода биогаза за счет использования навоза сельскохозяйственных животных

Как видно из таблицы, выход биогаза за счет отходов животноводства составляет достаточно огромные показатели. При этом наибольший процент (98%) производства биогаза приходится на птиц.

Климат в РК резко континентальный, если смотреть на показатели средних температур в январе от –18 °С на севере до –3 °С на юге, средняя температура июля от +19 °С на севере до +29 °С на юге. При этом максимально низкие температуры достигают до –45 °С на севере, востоке и центральной части, до –30 °С на юге [6]. Поэтому с точки зрения энергоэффективности выгоднее внедрять биогазовые установки на юге Казахстана.

Для применения технологий солнечных преобразователей необходимо их размещать в тех регионах, в которых суммарная солнечная радиация составляет более 1000 кВт•ч/м². Согласно данным [1], на севере и в центральной части Казахстана сумма прямой солнечной радиации составляет 1200 кВт•ч/м², а самое высокое значение суммарной солнечной радиации наблюдается на крайнем юге и превышает значение 1600 кВт•ч/м². При этом основными пригодными территориями для размещения солнечных электростанций являются Кызылординская, Жамбылская, Туркестанская и юго-восточная часть Алматинской области.

Сравнивая полученные данные, можно заметить, что наибольшее количество выхода биогаза и высокие показатели суммарной солнечной радиации приходятся на юг Казахстана. При этом наиболее хорошие показатели по двум параметрам – в Жамбылской и Туркестанской областях. Это позволяет размещать наиболее выгодно в этих регионах гелиобиогазовые установки.

Процесс брожения может протекать при трех различных температурных режимах: психрофильном (до 20 °С), мезофильном (20–40 °С) и термофильном (40–50 °С). При этом скорость сбраживания субстрата увеличивается при повышении температуры. Однако сбраживание при повышенных температурах требует тепловой энергии для поддержания необходимой температуры сбраживания субстрата в биогазовой установке.

Для осуществления нагрева субстрата в конструкцию биогазовой установки устанавливается нагревательное устройство. В качестве греющего агента в теплообменном устройстве выступает вода. Нагрев воды можно осуществлять с применением тепловой или электрической энергии централизованного энергоснабжения. Однако у этого способа имеется ряд проблем, особенно для таких мелких фермерских хозяйств, в которых отсутствует централизованное энергоснабжение. Другой способ нагрева воды предлагает использовать полученный биогаз, однако этот способ является неэкономичным, так как в среднем на стабилизацию температуры в мезофильном процессе расходуется около 15–25% полученного биогаза, а при термофильном – около 35–50% [5].

Поэтому для снижения потерь на систему обогрева предлагается применение солнечных коллекторов, что приведет к увеличению эффективности биогазовой установки и снижению расхода биогаза на собственные энергетические нужды установки.

Таким образом, использование гелиобиогазовой установки позволяет решить не только проблему теплопотерь биогазовой установки, но также и позволяет использовать параллельно с биогазом нагретую воду от солнечных коллекторов для теплофикации на собственные нужды сельскохозяйственных ферм.

Схема работы гелиобиогазовой установки представлена на рис. 1. Нагретая вода от коллектора (1) поступает в теплоаккумулирующий бак (2), который служит для аккумулирования тепловой энергии. В качестве аккумулирующего вещества можно использовать шестигранный хлорид кальция (CaCl₂∙6H₂O) [4].

Рисунок 1. Принципиальная схема работы гелиобиогазовой установки

Далее через систему насосов нагретая вода поступает к теплообменнику биореактора (3), в котором поддерживается необходимый уровень температуры субстрата. Затем полученный биогаз из биореактора через газоочиститель (4) поступает в газгольдер (6), откуда биогаз отбирается для нужд фермы.

Теплоаккумулирующий бак обеспечивает круглосуточную работу биогазовой установки, так как режим работы солнечного коллектора сильно зависит от погодных условий и времени дня. Так, в пасмурную погоду или в ночное время эффективность солнечного коллектора значительно снижается, что требует перехода на другой режим обогрева субстрата.

Постройку гелиобиогазовых установок можно применить уже для существующих биогазовых установок [2]. Так, в 7 км от села Когершин в Жамбылской области имеется биогазовая установка, размещенная на 30 га свиноводческого комплекса, которая в сутки может производить 5300 м³ биогаза. Поэтому достаточно установить солнечные коллекторы с теплоаккумуляторами к существующей биогазовой установке, что не только позволит снизить расходы на тепловую и электрическую энергию, но также повысит скорость выхода биогаза.

Выводы

1. В Казахстане имеются все предпосылки для внедрения гелиобиогазовых установок.
2. Основным регионом, в котором можно внедрить установки, является юг Казахстана, при этом наиболее перспективные регионы – Жамбылская и Туркестанская области. Эти области имеют большие показатели по объему сельскохозяйственных отходов и наиболее приятные климатические условия, поскольку зимы тут более терпимые по сравнению с остальными регионами Казахстана, а лето жаркое.
3. Также на юге Казахстана бурно развиваются тепличные хозяйства, которые позволяют выгодно внедрять гелиобиогазовые установки. При этом отсутствуют проблемы по реализации биоудобрений по выгодной цене.
4. Объединение двух видов возобновляемых источников энергии позволяет решить ряд технических проблем. Например, решается проблема теплопотери на нагревательные устройства, что снижает использование произведенного биогаза на собственный нагрев биореактора при мезофильном режиме. Также использование теплоаккумулирующих устройств позволяет круглосуточно активно использовать биогазовую установку для производства биогаза.
5. Для ближайших тепличных и фермерских хозяйств полученные биоудобрения в результате метанового брожения можно использовать для улучшения плодородия почв сельскохозяйственных земель, расширения тепличных хозяйств и производства кормовых биодобавок.
6. Использование солнечных коллекторов можно использовать не только для обогрева субстрата, но также и для собственных нужд сельскохозяйственных ферм.
7. Возможна модернизация существующих биогазовых установок для гелиобиогазовых путем установки солнечных коллекторов. Это позволит снизить затраты на тепловую и электрическую энергию, а также повысить производительность получения биогаза. Одним из перспективных вариантов является усовершенствование биогазовой установки на юге Казахстана.

Список литературы:

1. Абаев Н.Н. Идентификация перспективных районов для развития солнечной энергетики в Республике Казахстан // Гидрометеорология и экология. – 2017. – № 4. – С. 44–52.
2. Где еще в Казахстане работают биогазовые установки // Inbusiness / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://inbusiness.kz/ru/post/gde-eshe-v-kazahstane-rabotayut-biogazovye-ustanovki/ (дата обращения: 12.04.2022).
3. Закон РК № 210-VI «О поддержке использования возобновляемых источников энергии» (с изм. и доп. по состоянию на 01.07.2021). – Астана, 2021.
4. Комилов О.С. Биоэнергетическая установка с системой солнечного обогрева для индивидуального пользования / О.С. Комилов М.З. Шарипов Ш.Ж. Имомов Ж.О. Мажитов // Технические науки. – 2019. – № 5. – С. 22–28.
5. Ручай Н.С. Экологическая биотехнология : учебн. пособие для студентов специальности «биоэкология» / Н.С. Ручай, Р.М. Маркевич. – Минск : БГТУ, 2006. – 312 с.
6. Сайлауов Д.М. Обзор развития биогазовой отрасли и перспективы внедрения биогазовых установок (БГУ) в Казахстане // Экологические биотехнологии. – 2021. – № 4 (79). – С. 26–31.
7. Статистический ежегодник Казахстана. Статистический сборник / под ред. А.Е. Мешимбаевой; Агентство Республики Казахстан по статистике. – Астана, 2007. – 516 с.
8. Тихонов А.С. Влияние отходов биогазовой установки на урожайность зерновых культур // Молодежь и инновации (г. Чебоксары, 14–15 марта). – Чебоксары, 2019. – С. 117–120.
9. Фадеев Н.А. Применение отходов биогазовой установки в сельском хозяйстве / Н.А. Фадеев, Н.А. Ларионов, Н.В. Щипцова // Естественные и технические науки. – 2019. – № 5 (131). – С. 97–98.
10. Bulatov N., Mukhamadeyeva R. Resources of obtaining biogas in the republic of Kazakhstan // Ecology, Environment and Conservation. – 2017. – № 23 (4). – Р. 2090–2095.