Субстрат для біогазу

В ідеалі виробництву біогазу має сприяти коректна суміш матеріалів сировини, що будуть подрібнюватись та змішуватись для забезпечення оптимального виходу метану.

На практиці робота анаеробних біореакторів також може залежати від частки харчових відходів. Це значною мірою сприяє стану довкілля; проте харчові відходи та побічні продукти промисловості у якості єдиного джерела сировини можуть викликати складнощі зі стабільністю отримання газу і, відповідно, прибутку.

Базова сировина з проміжних культур або енергетичні культури, які вирощуються на фермі в рамках сівозміни, є ідеальним рішенням для аграріїв і створюють альтернативне джерело доходу на додачу до стандартних культур, що збираються комбайном, та товарних культур.

Мал. 1. Біогаз: Характеристика відносної ферментації різних культур (Джерело даних: KWS SAAT AG)

Вихід продукції є головним фактором, який слід взяти до уваги для ефективного вирощування енергетичних культур. Ключовим є використання суміші сировини, яка забезпечує ефективний процес метанового бродіння та максимально збільшує вихід метану, враховуючи розмір, розміщення та потужність роботи заводу.

Швидкість бродіння різних видів сировини у біореакторі варіюється від двох днів до двох місяців. Матеріал, що має високий рівень цукру або крохмалю, ферментує швидше, ніж сировина, яка містить більше лігніну або целюлози (мал. 1).

Таким чином, у матеріалу на кшталт енергетичного буряка час зберігання в біореакторі буде коротшим, і він зможе дати більше газу за коротший проміжок часу у порівнянні з рослинною масою зернових культур або кукурудзою. Втім, якщо розглядати загальний вихід метану, і рослинна маса зернових культур, і кукурудза можуть бути настільки ж ефективними, як енергетичний буряк, хоч вони й виділяють газ повільніше (табл. 1.1).

Таблиця 1.1. Характеристики сировини

Таблиця 1.2. Переваги та недоліки сировини

Кожен окремий компонент сировини має свої переваги та недоліки.

У таблиці 2 проілюстровано деякі приклади потенційних сумішей, що використовуються на заводах з виробництва біогазу.

Це показує, що на тонну отриманої зеленої маси для отримання максимального виходу метану до найефективніших сумішей має входити кукурудза та рослинна маса. Однак, якщо подивитися на вихід метану на гектар, використання 10-30% енергетичного буряка разом з цими двома культурами позитивно впливає на вихід із одиниці використаної площі.

Потрібно подбати про те, щоб в’язкість суміші не перешкоджала належному функціонуванню заводу. У планах так званих «мокрих» або «сухих» заводів часто зазначено конкретну сировину, щоб забезпечити достатній час утримання та буферну здатність.

Висока швидкість конверсії буряка допомагає буферизувати видобуток газу, підвищуючи рН всередині рослини, стимулюючи бактеріальне перетворення всієї сировини в метан. Крім того, буряк є чистішим джерелом метану у порівнянні з іншими видами сировини, що забезпечує більш ефективне перетворення метану в електроенергію за допомогою комбінованої установки з виробництва тепла та електроенергії (ТЕЦ), або біометан.

Оператори заводів також зрозуміють, що синергія, отримана від використання буряка, має значні переваги. Таку синергію важко оцінити кількісним показником, і вона варіюватиметься залежно від типу рослин. Втім, європейський досвід переконливо дозволяє припустити, що використання рослинної маси із кукурудзою забезпечує вищий вихід на тонну матеріалу, ніж його можна було б отримати з лише однієї кукурудзи.

Таблиця 2. Потенційні суміші сировини на основі сільськогосподарських культур

** Мається на увазі засилосований буряк
1 Не враховується синергія різних сумішей сировини
Джерело даних: KWS SAAT AG

Сівозмінна суміш

Важливо, щоб усі культури, обрані для сівозміни, при використанні в суміші кожного сезону давали стабільний врожай і, таким чином, не обмежували поставки сировини.

Сільськогосподарські культури з низьким рівнем ризику – наприклад, гібридне жито – добре підходять для наших умов.

Географічні обмеження та обмеження за типом ґрунту

Кукурудза

Для вирощування кукурудзи на біогаз немає географічних обмежень.

При вирощуванні цієї культури необхідно дотримуватися рекомендованої густоти стояння та підбирати гібриди з оптимальним ФАО для конкретного регіону вирощування.

Енергетичний буряк

Єдине обмеження для вирощування енергетичного буряка – це можливість знайти землю, щоб посадити, а потім зібрати врожай.

Гібридне жито

Немає жодних географічних обмежень щодо того, де можна успішно вирощувати гібридне жито. Воно дасть кращий урожай на ділянках з важкими ґрунтами з достатньою вологістю, що сприятиме хорошому наповненню зерна, що в свою чергу максимізує вихід сухої речовини.

Сівозмінний баланс

Кукурудза

Кукурудза підходить для більшості сівозмін, у тому числі для безперервного вирощування, проте слід бути обережними, якщо ви вирощуєте кукурудзу у тісному поєднанні з зерновими культурами через підвищене поширення та ризик розвитку фузаріозу.

Проблему може становити пізній збір урожаю, однак у більшості ситуацій аграрії повинні мати змогу посіяти після неї восени гібридне жито або зернові культури. Розглядаючи варіант вирощування енергетичного буряка після кукурудзи, аграріям слід враховувати питання заробки пожнивних решток кукурудзи. Ця культура залишає досить велику листосеблову масу яка потребує заробки в ґрунт для якісної сівби буряку.

Енергетичний буряк

Як і у випадку з кукурудзою, найвищі врожаї енергетичного буряка можна отримати, якщо збирати урожай якомога пізніше, причому пік врожайності припадає на середину-кінець листопада.

Не рекомендується щільно висівати енергетичний буряк, інакше може накопичуватись ризоманія або бурякова цистоутворююча нематода. Буряки у сівозміні не слід вирощувати частіше, ніж один раз на три роки.

Гібридне жито

Підходить для вирощування після кукурудзи або рано зібраних буряків і, таким чином, може виступати озимою покривною культурою, а також культурою для виробництва біогазу з високою врожайністю. При використанні в сівозміні зернових гібридне жито найкраще сіяти другою культурою.

У більш теплих і південних місцях його можна використовувати для змішаної культури, при цьому після жита слід вирощувати ранні гібриди кукурудзи.

Таблиця 3. Результати для прикладів сівозмін

_{* Мається на увазі лише першоскошений силос із зернових культур
Джерело даних: KWS SAAT AG}

Таблиця 3 ілюструє ймовірну врожайність для деяких прикладів трирічних сівозмін біогазових культур.

Безперервне вирощування кукурудзи дає найвищі врожаї, які забезпечать хороший запас матеріалу для більших заводів з виробництва біогазу (1 мВт і вище).

Кращим і більш стабільним підходом може виявитися сівозміна, у якій кукурудза поєднується з гібридним житом і енергетичним буряком.

І нарешті, використання енергетичного буряка, гібридного жита, а потім зернових культур також забезпечить більш прийнятний урожай в тих регіонах, де вирощування кукурудзи є менш успішним.

Інші проблеми

Ерозія ґрунту

Аграрії повинні підтримувати належний стан ґрунту та мінімізувати ризик появи ерозії та втрати ґрунту, особливо під час зими та між вирощуванням культур.

Ризик найбільш високий при вирощуванні кукурудзи або пізнього буряка, і аграріям, можливо, доведеться розглянути можливість обробітку ґрунту лаповим культиватором після збирання врожаю, щоб усунути ущільнення поверхні і поліпшити проникнення води через ґрунт для мінімізації витрат поверхневого стоку води.

Може виявитися корисним включення озимого гібридного жита до складу посівної суміші. Гібриди швидко ростуть, використовуючи будь-які запаси поживних речовин та знижуючи потенційні втрати при вилуговуванні.

Аграрії також залишають в землі частину своїх енергетичних буряків до весни, що теж допомагає мінімізувати потенційну втрату ґрунту на полях, де є ризик ерозії.

В якості альтернативи може знадобитися використання покривних культур після більш пізнього збору врожаю кукурудзи або цукрового буряка. Покривні культури також можуть забезпечити додатковий матеріал для біореактора.

Внесення дигестату

Необхідно слідкувати, щоб використання рідкого гною та дигестату відповідало принципам дотримання системи норм.

Розкидання або внесення дигестату найкраще проводити навесні безпосередньо перед посівом ярої культури.

Аграрії також повинні враховувати вплив поєднання озимих і ярих культур в сівозміні. Збір урожаю жита, наприклад, в червні, дає аграріям ідеальну можливість внести дигестат за гарних літніх умов перед наступним врожаєм.

Період пару може бути корисним, і в певних ситуаціях, особливо коли боротися з бур’янами стає все складніше, використання ярої культури може допомогти аграріям позбутися бур’янів.

Цінність дигестату

Вміст поживних речовин і цінність дигестату також варіюються в залежності від сівозмінної суміші сировини (Таблиця 4).

Однак, незалежно від структури посівів і подальшого аналізу, в ґрунт можна повернути значну кількість N, P і K та цінну кількість інших поживних речовин, якщо вносити дигестат у відповідній пропорції/т (Таблиця 5).

Довгострокове використання біодигестату забезпечує значне поліпшення фізичного стану ґрунту, полегшення його обробітку та покращення родючості.

Сировина для біогазу

Для біогазової енергетики сировина – це все. Ну, або — майже все.
Отримувати біогаз можна практично з будь-яких органічних речовин. Хоча, залежно від походження, називатися він може по-різному: просто біогаз, звалищний газ або синтез-газ.

В Європі біогаз отримують з багатьох видів сировини. На думку експерта з біогазу Юрія Епштейна, в Україні цей асортимент значно менший. Поки що.

Сировину можна класифікувати дуже по-різному. Давайте для простоти розділимо її на 2 категорії: «платна» і «безкоштовна».

Платна – така, що коштує грошей, причому немалих.
Безкоштовна – така, що потрібно платити, аби її позбутися.

Платна – це зазвичай сировина рослинного походження, яку потрібно виростити, зібрати й заготовити. Або – просто зібрати й заготовити. Таку сировину можна купити, можна — виростити (заготовити) самому. Якщо, звичайно, є власні (орендовані) землі, необхідні техніка, навички й бажання. В такому випадку вона обійдеться дешевше. В Україні таким видом сировини є силосна кукурудза, яка за останні роки значно подорожчала і середня врожайність зеленої маси якої становить не більше 25 тонн з гектара. Спроби знайти їй гідну альтернативу тривають, хоча поки безуспішно. Наприклад, була спроба використовувати цукрове сорго («Миронівський Хлібопродукт», «Екопрод»). Результат: біогазу – менше, проблем із заготівлею силосної маси – куди більше. Зараз дехто навіть експериментує з амарантом. Прогноз, на мій погляд, невтішний. Значно більший потенціал має нехарчова сировина 2 покоління – солома. Вона також дуже недешева, проте містить значну кількість (в перерахунку на тонну) органічної сухої речовини, що є джерелом біогазу. -. Але і тут є свої підводні камені, основний з яких — логістика та необхідна для руйнування лігніну структури непроста попередня підготовка.

Отже, основні й потенційні види платної сировини рослинного походження:

• силосна кукурудза;
• цукрове сорго;
• цукровий буряк;;
• солома зернових культур.

Цукрові буряки в цьому переліку опинилися не випадково, оскільки широко використовуються в країнах ЄС через свою високу врожайність і значний показник виходу біогазу. Для цукрових заводів буряк може слугувати резервною сировиною в роки несприятливих умов для виробництва цукру. Це має свою специфіку (очищення від бруду і каменів, заготівля), з якою успішно справляються багато європейських інжинірингових компаній.

Платна сировина зазвичай використовується як ко-субстрат до безкоштовної сировини тваринного походження для стабілізації процесів ферментації та, переважно, для підвищення економічної ефективності біогазових комплексів.

Використання платних видів сировини як моно-субстратів неефективне ні з технологічної, ні з економічної точок зору.

До безкоштовних видів сировини належать такі категорії органічних продуктів (відходів), як:

• тваринництво;
• відходи підприємств харчової промисловості;
• органічна фракція муніципальних побутових відходів (від населення, підприємств торгівлі та побутового обслуговування);
• органічний осад з водоочисних споруд;
• органічна фракція з полігонів ТПВ.

Відходи тваринництва – це відходи великих ферм ВРХ, свинокомплексів та птахоферм. Відразу обмовлюся, що для середніх і невеликих таких господарств будівництво біогазових комплексів в Україні поки що є економічно недоцільним. Що буде завтра – невідомо, хоча саме для таких господарств у багатьох країнах світу їх уряди створили найбільш сприятливі умови для будівництва невеликих біогазових установок. У нас же їх створюють хіба що нечисленні умільці, повідомлення про яких час від часу з’являються на сторінках окремих видань.

Основні види відходів тваринництва:

• коров’ячий гній;
• свинячий гній;
• курячий послід птахокомплексів м’ясного напрямку;
• курячий послід птахокомплексів яєчного напрямку.

Кожен із цих видів відходів має свою специфіку.
Свинячий гній зазвичай має найвищу вологість (~ 5 %) і, відповідно, найнижчий вміст органічного сухої речовини, з якої в процесі анаеробної ферментації і витягується біогаз. Менш вологим (~ 12 %) є коров’ячий гній. Більше органічної речовини міститься в курячому яєчному посліді (~ 25 %). Найбільше органіки у змішаному з підстилкою бройлерному курячому посліді (~ 30 %).

Найпростішим для отримання біогазу і найменш з усіх екологічно шкідливим є коров’ячий гній. Особливість системи травлення жуйних тварин зумовлює наявність у гною розвинених колоній анаеробних бактерій, відсутніх в інших видів тварин і необхідних для проходження процесів розкладання органічних речовин в безповітряному середовищі біогазових реакторів. Частина пахучих летючих з’єднань розпадається в шлунку корів у процесі перетравлення корму, внаслідок чого коров’ячий гній менш пахучий, ніж свинячий і пташиний послід. І якщо ферми ВРХ є найбільшими в сільському господарстві джерелами викидів парникового газу метану, то свинокомплекси і птахоферми у великій кількості виділяють аміак, сірководень і близько 300 інших токсичних летючих сполук (сечова і гіпурова кислоти, сечовина, складні ефіри, феноли, крезол та багато іншого). Зміст високих концентрацій фосфору й азоту при розміщенні на полях призводить до зараження ґрунтових вод, водойм і питних джерел. А патогенна флора, що міститься в таких відходах, потрапляє при цьому в ґрунт, а потім — у деякі харчові продукти людей і тварин.

Анаеробна ферментація в біогазових комплексах вважається для таких видів сировини найбільш ефективним методом утилізації, дозволяючи позбавитися від витрат на утилізацію і, як приємний додатковий бонус, отримувати в деяких випадках чималий додатковий дохід.

Підприємства харчової промисловості:

• цукрові заводи;
• спиртзаводи;
• м’ясокомбінати;
• пивзаводи;
• молокозаводи.

Усі вони отримують свої відходи, що мають різний енергетичний потенціал і особливості, про які поговоримо далі. Але є і спільне: усі ці відходи – надзвичайно токсичні та вимагають застосування надзвичайних заходів для їх утилізації. Перелік таких заходів вкрай обмежений, а саме — переробка для подальшої реалізації як продукти з доданою вартістю, з організацією відповідних виробництв і, зрозуміло, з великими капіталовкладеннями. На які сьогодні, з різних причин, мало хто готовий.

Альтернатива, до якої сьогодні часто вдаються – нелегальний вивіз і слив злив відходів, розкидання або закопування в різних місцях, таких як навколишні поля, ліси, річки та озера.

І так буде відбуватися доти, поки ціна за знищення природи не перевищить вартості вживання необхідних заходів.

Число свідомих власників згаданих підприємств значно поступається кількості несвідомих. До таких можна безпомилково віднести всі працюючі спиртзаводи, м’ясокомбінати, переважну частину підприємств молочної промисловості. Великі пивзаводи («Сан Бев Україна», «Карлсберг»), щоправда, утилізують свої відходи (дробину) за допомогою анаеробної ферментації.

Окремої розмови заслуговують цукрові заводи. Їх відходи – цукровий жом – як сировина для отримання біогазу займає проміжне місце між вищезгаданими «платними» і «безкоштовними» категоріями.

З одного боку, ці відходи для підприємства безкоштовні і, без відповідної переробки, дуже токсичні та мають вкрай обмежений збут як корми для довколишніх ферм ВРХ. З іншого, їх кількість і потенціал щодо вироблення біогазу дозволяють отримувати високий додатковий прибуток, що часом перевищує прибуток від виробництва цукру.

Саме цим пояснюється той факт, що на кінець 2018 року для роботи на цукровому жомі побудовані 4 і в стадії активного будівництва перебувають ще 4 біогазові комплекси, загальна встановлена потужність яких перевищить 40 МВт.

З іншого боку, в Україні працює близько 40 цукрових заводів, частина з яких також про біогаз подумує та зважує усі за і проти. Зупиняють – необхідні високі капітальні витрати, відсутність беззаставного кредитування і небажання ризикувати. Тим більше, що існує більш проста альтернатива – глибоке пресування, сушка, гранулювання. Безумовно, отримання біогазу – набагато більш економічно ефективне, проте вимагає більш складних і затратних рішень.

Кілька слів про спиртзаводи. Спиртова барда – украй токсичний продукт, з якого можна виготовляти широкий спектр цінних продуктів глибокої переробки або виробляти біогаз. Що вигідніше? Тут уже потрібні детальні економічні розрахунки, тож однозначного рецепта немає.

Та, зрозуміло, приватизація, без якої немислимі будь-які інвестиції.

І, нарешті, численні молокозаводи і сир заводи, які мають велику кількість відходів у вигляді молочної сироватки, яку, переважно, просто зливають у стічну каналізацію. Оскільки контролюючі органи, з усім зрозумілої причини, просто закривають на це очі, що сльозяться..

Отже, підбиваємо підсумок. Кому в Україні сьогодні вигідно будувати біогазові комплекси.

Поза конкуренцією – великі полігони побутових відходів, у товщі яких вже є біогаз, тож потрібні значно менші капітальні витрати, і терміни окупності проектів рідко перевищують пару років. Їх залишається усе менше.

На другому місці цукрові заводи, з їхніми величезними кількостями також безкоштовної сировини.

На третьому місці – гігантські тваринницькі комплекси.

Усі інші підприємства на сьогодні – в зоні турбулентності, обумовленої недостатньо ефективною політикою стимулювання з боку держави.

Дізнавайтесь першими найсвіжіші новини з екології на нашій сторінці в Facebook