Раиф ВАСИЛОВ, профессор, президент Общества биотехнологов России им. Ю.А. Овчинникова

Производство биогаза – это своеобразный биологический вариант гелиоэнергетики. В состав биогаза, получаемого с помощью анаэробного метанового брожения биомассы, входят 55–65 % метана, 35–45 % двуокиси углерода, по 1 % водорода и сероводорода, а также незначительные примеси азота, аммиака и углеводородов. Основной источник сырья?– твердые бытовые отходы (ТБО) в городах, в том числе твердый остаток сточных вод на полях орошения, органические отходы животноводства (включая скотобойни) и птицеводства, силос и биомасса сельскохозяйственных культур. По теплотворной способности кубометр биогаза эквивалентен 0,6 кубометра природного газа, 0,7 л мазута, 0,4 л бензина. В среднем тонна биомассы, подвергаемой метановому сбраживанию, дает около 500 кубометров биогаза, что эквивалентно 350 л бензина. Однако большая часть производимого сейчас в мире биогаза применяется для получения электроэнергии и обогрева и лишь незначительная часть используется в качестве моторного топлива.
Биогаз получают в специальных установках – метантанках, или анаэробных колоннах. Их оборудуют на полигонах ТБО, на фермах, в виде малых (односемейных) биогазовых установок, в мире строятся и более крупные биогазовые заводы. Особенно эффективно производство биогаза в рамках крупных агропромышленных комплексов, где обеспечивается практически безот­ходный технологический цикл. Это один из лучших способов сохранения экологического равновесия, поскольку происходит захват метана в изолированные от атмосферы емкости. Известно, что влияние метана на парниковый эффект в 21 раз сильнее, чем углекислого газа, и сохраняется метан в атмосфере до 12?лет. Общая схема промышленного производства биогаза довольно проста. Сырье смешивается и измельчается до получения полужидкой гомогенной массы в приемном танке. Далее масса нагревается до 70 °С не менее 1 часа с целью уничтожения бактерий. После охлаждения сырье перекачивается в автоклав (биореактор-метантанк, ферментатор), где подвергается анаэробному брожению при температуре 38 °С. Процесс получения биогаза длится обычно около месяца. Применяются два режима брожения: мезофильный (25–38?°С, оптимум 37 °С, используются мезофильные бактерии) и термофильный (45–60 °С, оптимум 56 °С, термофильные бактерии). Для интенсификации брожения добавляются катализаторы (глюкоза и целлюлоза). Биогаз под собственным давлением (не более 0,5 атм) через газовый штуцер и конденсатор (для удаления влаги) идет в газгольдер, откуда подается либо для сжигания в отопительных приборах, либо для производства электрической и тепловой энергии в когенерационной энергоустановке. Полностью автономный, энергонезависимый биореактор потребляет 10–25 % вырабатываемого газа для своих нужд (осуществления термостатирования и перемешивания). Твердый остаток накапливается в бункере-отстойнике и является хорошим обеззараженным удобрением (содержание азота – 3,5?кг/т, фосфора – 0,8?кг/т, калия – 1,4?кг/т). При оптимальном режиме сбраживания этот остаток не превышает 30 % от массы исходного сырья.
В зависимости от целевого назначения биогазовой установки объем ферментатора варьируется от 1 до 5000 кубометров. В фермерских хозяйствах Северной Америки наиболее популярны ферментаторы объемом 50–130 кубомет-ров, обеспечивающие семью из 3–7 человек биосистемой с замкнутым циклом, включающим в себя выработку биогаза для бытовых нужд, функции местной канализации и получение удобрений. Особенно велика экономическая эффективность биогазовых установок при переработке большого непрерывного потока отходов. В результате мировой рынок биогаза имеет стойкую тенденцию к увеличению. В США производство биогаза поддерживается законодательно на федеральном уровне и уровне штатов. Действует федеральная программа по биогазу AgSTAR, субсидируемая Федеральным агентством по защите окружающей среды, Министерством сельского хозяйства и Министерством энергетики. Из федеральных источников финансируются программы: Environmental Quality Incentives Program (EQIP), Regional Biomass Energy Programs, Renewable Energy Systems and Energy Efficiency Improvements Program, Sustainable Agriculture Research and Education. Аналогичные программы приняты и на уровне практически всех штатов. Так, в Калифорнии финансирование только одной из таких программ, Self-Generation Incentive Program, составило в 2004 году 100 миллионов долларов. Широко используются механизмы выделения грантов, займов, налоговых кредитов («tax credit») и освобождения от налогов, прогрессивной системы оплаты («productive incentives»).
Особо регулируется в США деятельность, связанная с мусорными свалками. «US Clean Air Act» (1987) и глава 40 Кодекса федерального регулирования («Code of Federal Regulations») предписывают их собственникам контролировать выделение неметановых органических веществ (non-methane organic compounds, NMOCs), и если их объем превышает 50 т в год, утилизировать этот «ленд­филл-газ» (landfill – «мусорная свалка»). В 2005 году ленд­филл-газ составлял 24 % от всего произведенного в США метана. В ЕС также принят специальный «закон о мусорных свалках» – «Landfill Directive», поэтому производство «ленд­филл-газа» выделено там в особую статью, причем вывоз органических отходов на свалки запрещен вообще. По экспертным оценкам, ежегодный прирост производства биогаза в ЕС составляет порядка 14?%. Швеция как один из самых последовательных адептов экологических технологий создала в 2005 году первый в мире поезд, приводимый в движение двумя двигателями, работающими на биогазе. Аналогичные силовые установки работают почти на 800 шведских автобусах (в целом в этой стране уже переведено на биогаз не менее 5?% автотранспорта). В январе 2007 года введен в эксплуатацию крупный биогазовый завод в Норр­чепинге, сырьем для которого служат обмолотки и отруби (поставляются фермами) и остаточные продукты от производства биоэтанола. Начато строительства новых шести заводов по производству биогаза на полях орошения.
Биогаз обеспечивает около 18 % общего энергобаланса Дании. В этой стране много небольших (объемом метантанка 150–200 кубометров) фермерских установок. Правительство Дании поддерживает строительство централизованных установок, к которым подвозят биомассу из окрестных хозяйств (выдавая государственные субсидии, покрывающие примерно 20 % от сметы строительства). Германия принадлежит к числу мировых лидеров производства биогаза. Там действуют свыше 400 установок по переработке сельскохозяйственных отходов с объемом метантанка 600–800 кубометров. К концу 1990-х годов было построено и 8 централизованных биозаводов (суммарной емкостью 190 тысяч кубометров). Согласно прогнозам, Германия сможет покрыть за счет биогаза 11 % своей общей потребности в газе.
В Великобритании на правительственном уровне принято решение о переводе на биогаз 40 % котельных, на эти цели в течение пяти лет будет ежегодно выделяться по 10–20 миллионов фунтов стерлингов. Среди стран ближнего зарубежья наиболее продвинулась в производстве биогаза Беларусь, где под эгидой Программы развития ООН реализуется принятый на уровне правительства проект BYE/03/G31. В качестве прототипа взят опыт федеральной земли Штирия (ФРГ), курируют проект специалисты из Германии и Австрии.
Направление, связанное с производством биогаза, формируется в Кыргызстане в рамках государственной научно-технической программы «Биоэнергетика». В большинстве других постсоветских стран все в лучшем случае ограничивается уровнем пилотных и демонстрационных проектов. В России исследования в области производства биогаза имеют относительно давнюю историю по сравнению с другими видами биотоплива (биодизелем и биоэтанолом). В?1980-х в СССР были приняты правительственные решения о производстве биогаза из органических сельскохозяйственных отходов, канализационных стоков и твердых бытовых отходов. Пионером в разработке опытных установок тогда стал Запорожский конструкторско-технологический институт сельскохозяйственного машиностроения. Однако затем последовало практически полное прекращение работ по биогазу.
Лишь в последнее время, когда продвижение других стран по этому направлению стало более чем очевидным, в России начали реализовываться локальные инициативы. В январе 2009 года на Курья­нов­ской станции аэрации в Моск­ве запущена мини-ТЭС (технологии и инвести­ции?– австрийской фирмы «EVN»). Анало­гич­ную ТЭС предполагается построить на Люберецких очистных сооружениях. С 2002 года в Лухо­вицком районе Мос­ковской области действует метантанк объемом 65 кубо­мет­ров. Биз­нес-структуры предлагают на рынок небольшие биореакторы, рассчитанные на 10–15 голов крупного рогатого скота (типа БУГ-1) и т.д. Однако отдельных инициатив еще недостаточно для того, чтобы изменить ситуацию в целом. Россия обладает потенциалом для производства порядка 90 миллиардов кубометров биогаза в год. Это не менее 300 миллионов тонн органических отходов в сухом эквиваленте, из них 250 миллионов тонн – в сельскохозяйственном производстве и 50?миллионов тонн – в виде бытового мусора. Дело за формированием целенаправленной государственной политики по биотопливу вообще и по биогазу в частности на уровне, адекватном науке и технологиям XXI столетия.

Ссылка

• 2010 Апрель