Современное состояние и тенденции развития индустрии биогаза в США

Thread Content

Современное состояние и тенденции развития индустрии биогаза в США 1. Обзор. Развитие технологий производства биогаза в США в целом идет медленнее, чем в Европе и Китае. В 70-х годах из-за роста цен на нефть было начато строительство нескольких сооружений для производства биогаза. В период с 1970 по 1990 год примерно 140 установок для производства биогаза было построено в основном в целях обеспечения энергией. Однако из-за таких проблем, как примитивное оборудование, некорректный дизайн, неправильная установка и плохое управление, большинство этих первых реакторов для производства биогаза уже вышли из строя или не используются. За последние пять лет, на фоне глобального потепления и нехватки ископаемого топлива, технология биогаза снова привлекает все большее внимание; исследования в этой области, а также строительство пилотных проектов постепенно набирают обороты. По статистике Агентства по охране окружающей среды США (EPA), в 2007 году функционировало около 111 биогазовых установок; в основном это были установки по производству электроэнергии из биогаза на животноводческих фермах. Они ежегодно вырабатывали в общей сложности 215 миллионов кВт·ч энергии. Энергия, произведенная в 2007 году с помощью технологий получения биогаза, в 3 раза превысила показатель 2003 года. 2 Основные движущие факторы развития технологий производства биогаза 2.1 Экологические и энергетические преимущества являются основными факторами, стимулирующими развитие технологий производства биогаза в США. Согласно исследованию Агентства по охране окружающей среды США (EPA) относительно выбросов метана, вызванных деятельностью человека, в период с 1990 по 2005 год уровень выбросов парниковых газов, таких как углекислый газ, в энергетической и промышленной сферах снижался. В то же время объем выбросов парниковых газов, таких как метан, в результате обработки навоза на фермах увеличился на 34%. Поскольку в американских фермах развитие животноводства и растениеводства идет взаимосвязанно, навоз от животных раньше в основном хранился на открытых хранилищах, а затем использовался в качестве удобрения для почвы. В процессе хранения образовывалось большое количество парниковых газов, таких как метан и углекислый газ. Проекты по производству биогаза приносят такие экологические выгоды, как максимальное сокращение выбросов парниковых газов, контроль за выделением неприятных запахов и предотвращение загрязнения водных ресурсов в результате утечки навоза ； В результате получаются пригодный для использования энергоноситель в виде биогаза (50–70% метана) и питательное удобрение для научных исследований, способствующее улучшению санитарных условий. Благодаря экономической эффективности этих биогазовых установок и все более жестким экологическим требованиям повылся интерес **, фермеров и компаний по производству возобновляемой энергии к строительству биогазовых установок. 2.2 Стимулирующая политика. В последние годы, с целью содействия строительству объектов по производству биогаза из навоза сельскохозяйственных животных и достижения целей энергосбережения и снижения выбросов, Министерство сельского хозяйства США (USDA), Агентство по охране окружающей среды США (EPA) и Министерство энергетики США (DOE) совместно запустили проект AgSTAR. В рамках этого проекта создана платформа для управления развитием проектов по производству биогаза; она предоставляет информацию по вопросам политики, законодательства, технологий, оборудования и рынка, связанным со строительством таких объектов. Федеральное правительство США и штаты также разрабатывают программы по стимулированию развития проектов по производству биогаза и предоставляют финансовую поддержку. Поэтому большинство проектов по производству биогаза финансируется федеральным правительством США. Например, в статье 9006 Закона о финансовых субсидиях, принятого в 2002 году, которая касается возобновляемых источников энергии и энергоэффективности, предусмотрена поддержка проектов по производству биогаза. С 2003 года Министерство сельского хозяйства США выделило на развитие анаэробных систем переработки отходов в общей сложности 31 миллион долларов. Программа «Кредиты на строительство биогазовых установок» Департамента сельского хозяйства штата Миннесота предоставляет фермерам безвозмездные кредиты на строительство объектов для производства биогаза. 3 Три типичных процесса анаэробного разложения в США 3.1 Анаэробные резервуары с мембраной: на существующих резервуарах для хранения скотного навоза устанавливается мембрана для сбора биогаза. Уровень органической нагрузки низкий – обычно 0,05–0,2 кг COD/м³·день. Время пребывания воды составляет от 60 до 360 дней, в зависимости от способа управления объектом. Ферментация при средней температуре 35–40,5°C; органическая нагрузка составляет 1–10 кг COD/м³·день. Время пребывания воды — 5–20 дней; концентрация твердых частиц в сточных водах составляет 3–10%. В настоящее время новая немецкая технология анаэробных резервуаров, объединяющих функции производства и хранения газа, уже используется на фермах в таких сельскохозяйственных штатах США, как Висконсин. Благодаря низкой стоимости и надежности этой технологии она постепенно становится основным типом резервуаров. 3.3 Анаэробный реактор с принудительным циркуляцией крови – это узкая и длинная подземная конструкция из бетона с арматурой. В нем создается повышенная температура; сверху обычно устанавливается мембрана для сбора биогаза. Ферментация проводится при средней температуре 35–40,5°C; органическая нагрузка составляет 1–6 кг COD/м³·день. Время гидравлического пребывания — 18–20 дней; концентрация ТС в обрабатываемых стоках составляет 5–13%. Часто используется для навоза на скотоводах, но не подходит для навоза с песком. Плаг-флоу анаэробный реактор для навоза с фермы на 800 коров. Благодаря низкой стоимости строительства и простоте управления этот метод стал основным способом анаэробного разложения в США. Доля реакторов с принудительным потоком, полностью смешиваемых реакторов и анаэробных бассейнов с покрытием составляет соответственно 58%, 27% и 19% от общего числа объектов для производства биогаза. Также некоторые фермы используют технологии ASBR и UASB для обработки сточных вод от свиней. 4 Основные препятствия на пути развития проектов по производству биогаза в США В настоящее время развитию проектов по производству биогаза в США мешают ряд экономических, технических, политических и социальных факторов. 4.1 В экономическом плане: стоимость производства электроэнергии на основе ископаемого топлива очень низкая (в среднем 0,09 доллара за кВт·ч); окупаемость инвестиций в производство электроэнергии из биогаза низкая (0,05–0,11 доллара за кВт·ч). Инвестиции требуются значительные, а финансовые стимулы недостаточны. Существуют также проблемы, связанные со сроками действия контрактов с электрокомпаниями. 4.2 С технической точки зрения: проблемы контроля за соблюдением санитарных стандартов при повторном использовании осадков болот в качестве удобрения для коровников и для производства компоста; существуют значительные технические риски (недостаток у фермеров навыков эксплуатации и обслуживания сложных систем газификации, снижение содержания фосфора в ферментированной жидкости, которая возвращается в почву, необходимость повышения эффективности производства газа и т. д.). 4.3 В институциональном аспекте: из-за разрозненности и независимости американских ферм сложно создать централизованные проекты по производству биогаза с высокой эффективностью; системы торговли углеродными кредитами и «зелеными» кредитами реализуются недостаточно эффективно. 5. Новые технологии в области биогаза. 5.1 Новые подходы к разработке и использованию биогаза. В анаэробных прудах с покрытием для обработки сточных вод от свиней в количестве 8600 голов время их пребывания невелико. Обработка сточных вод с концентрацией TS 0,5–3,0%. Чаще всего используется для обработки сточных вод от свиного навоза. Научные исследования. Новые способы использования биогаза, получаемого из органических отходов, в США. 5.2 Технологии получения восстановленного природного газа. Цена природного газа в США по-прежнему в 3–5 раз выше, чем стоимость производства биогаза. Таким образом, очистка и модернизация биогаза, содержащего 50–70% метана, до природного газа с содержанием метана 94–98% становится коммерчески выгодной задачей. В настоящее время крупнейший в Северной Америке проект по переработке восстановленного природного газа — на месторождении Хаккабэй-Ридж в штате Техас — предусматривает очистку биогаза и его сжатие с целью получения метана высокой чистоты, который затем подается в трубопроводы для транспортировки. Этот проект был введен в эксплуатацию в октябре 2008 года. Проект по переработке навоза 10 000 коров требует общих инвестиций в размере 12 миллионов долларов; ожидается, что ежегодно он будет генерировать 200 тысяч тонн углеродных кредитов, которые можно будет использовать для компенсации выбросов. 5.3 Технология высококонцентрированной анаэробной сухой ферментации. В октябре 2007 года начала функционировать опытно-промышленная установка по анаэробной сухой ферментации органических отходов, таких как пищевые отходы, с производительностью 8 тонн в сутки. Данная установка была разработана профессором Чжан Руйхун из Калифорнийского университета в Дэвисе. Для высоких концентраций различных органических веществ используется система анаэробного ферментирования при высокой температуре; это позволяет добиться высокой степени генерации газа и снижения количества продуктов ферментации. В настоящее время разрабатываются анаэробные установки производственного масштаба. 5.4 Технология выработки электроэнергии с использованием биогазовых топливных элементов. В 2005 году профессор Филип Гудрич из Университета Миннесоты успешно разработал 5-киловаттный генератор на водородных топливных элементах в рамках проекта по использованию биогаза на молочной ферме в Хаубеншильде. У этого генератора есть преимущества в виде низкого уровня шума и отсутствия загрязнения, однако у него есть недостатки: высокая стоимость производства электроэнергии и большие габариты. 6 Несколько рекомендаций. Исходя из вышеизложенного и учитывая реальное положение дел в области развития проектов по производству биогаза в Китае, автор считает, что существует несколько аспектов, в которых можно приложить усилия для обеспечения более быстрого и эффективного развития отрасли биогаза в нашей стране. Во-первых, необходимо совершенствовать политику стимулирования использования возобновляемых источников энергии. Учитывая общественную пользу проектов по производству биогаза в плане сокращения энергопотребления и выбросов, а также экологические преимущества, следует увеличить финансовую поддержку и предоставление льготных кредитов. В то же время разрабатываются политика торговли углеродными кредитами на рынке отрасли биогазовой промышленности в стране. Во-вторых, необходимо усилить разработку новых технологий и оборудования для производства биогаза, чтобы добиться его промышленного производства в масштабах всей отрасли, с соблюдением стандартов качества. Также важно повысить качество продукции путем использования готовых ферментационных реакторов, а также снизить затраты на строительство сооружений. В-третьих, необходимо изучать технологии совместной ферментации различных видов сырья в высокой концентрации, чтобы обеспечить достаточное количество сырья для производства биогаза и повысить эффективность работы установок. Способствовать развитию проектов по производству биогаза в направлении централизации и увеличения масштабов, повышая при этом экономическую эффективность и энергоэффективность таких проектов. Четвертое — повышение способности коммерциализации биогаза. Устранить препятствия для подключения электростанций на биогазе к сети, обеспечить выплату субсидий на электроэнергию. Проводятся исследования и разработки по очистке и сжатию биогаза с целью получения метана высокой чистоты, который затем вводится в газопроводы или используется в качестве топлива для транспортных средств. Это позволяет повысить уровень использования биогаза и улучшить энергетическую эффективность. Пятое — совершенствование и рациональное планирование структуры отраслей разведения животных и выращивания растений с целью обеспечения баланса между ними. Это способствует эффективному использованию торфяного раствора и торфяных остатков, снижает затраты на транспортировку и повышает эффективность.