ПРИМЕНЕНИЕ БИОГАЗОВЫХ УСТАНОВОК В УСЛОВИЯХ КРАЙНЕГО СЕВЕРА

Аннотация. В данной статье рассматривается использование биогазовых установок в качестве альтернативного источника энергии.

Из-за суровых условий Крайнего Севера возникает затруднение в производстве электроэнергии с использованием данного биологического источника, так как для его изготовления нужно постоянно поддерживать определенную температуру субстрата.

Ключевые слова: биогазовые установки в Республике Саха (Якутия), альтернативные источники, экологические нарушения, помет оленей.

Применение альтернативных источников энергии в России не распространено так широко, как в Китае, США, Японии, Индии и Германии. Качество российской энергетики оставляет желать лучшего. Так доля ВИЭ в энергосистеме страны составляет лишь 1%, что дает ей только 54 позицию из 84 возможных. И несмотря на то, что в России имеются огромные запасы нефти и газа к 2020 году правительством, была поставлена задача увеличить долю возобновляемой энергии до 4.5% [5].

Среди ВИЭ большое преимущество отводится ветровым электростанциям и солнечным панелям. На XXIII Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов, с международным участием, посвященной памяти Первого Президента Республики Саха (Якутия) Николаева М.Е. было рассмотрено, что для ветровых электростанций наилучшим местом расположения являются береговые линии морей и океанов. Солнечным батареям необходима также большая площадь и имеется зависимость от метеоусловий. Существует ошибочное мнение, что солнечные батареи устанавливают лишь в теплых странах, но в условиях Крайнего Севера тоже можно получить электроэнергию от СЭС. Для примера можно привести СЭС в п. Батагай, введена в эксплуатацию в 2015 году с установленной мощностью 1 000 кВт и приносящая экономию дизельного топлива 300 тонн.

При низкой плотности населения и отдаленности населенных пунктов от центра Якутии, развитие централизованных систем газоснабжения является экономически нецелесообразным, хоть и данный регион входит в Программу газификации 2021-2025 и уже функционируют 2 газораспределительные организации (ГРО).

Рассмотрим целесообразность применение биогазовых установок в условиях Крайнего Севера, которые требует более детального рассмотрения, причиной тому являются климатические условия данного региона. В дальнейшем это позволит получить больше перспектив малой альтернативной энергетики и качественной бесперебойной работы для потребления собственных нужд предприятий.

Источниками сырья для производства биогаза могут служить не только отходы растительного и животного происхождения, но и отходы бойни, такие как отходы растений, силос, прогнившее зерно и т.д. Большинство видов сырья можно смешивать друг с другом.

В настоящий момент на развитие сельского хозяйства в условиях давления Запада в Якутии увеличили площадь для посевных различных культур. В связи с санкциями западных стран данный регион активно занимается позицией поддержки местного производства. В частности, сельское хозяйство стало подспорьем для развития импортозамещения.

Так как биогазовые установки еще не вводились в эксплуатацию в условиях Крайнего Севера, можно для примера взять село Иенгра, Республика Саха (Якутия), где насчитывается более 2000 тысяч голов оленей. Сельскохозяйственные земли отводятся для хранения навоза, вследствие чего происходит загрязнение грунтовых вод, а в атмосферу начинает выделяться CH₄ (метан, иначе говоря, - парниковый газ). А как итог – экологические нарушения, которых и так много в Нерюнгринском районе из-за добычи природного угля.

В основном, олений помет отличается от других субстратов такими параметрами как:

1. большое количество белка, являющегося основным источником азота и азотистых соединений;
2. процент влажности в субстрате.

Для производства качественной биогазовой продукции используется смешивание исходного сырья с углеродом и азотом, чтобы получить оптимальное соотношение между углеродом и азотом. В навозе содержание азота колеблется в диапазоне от 3 до 7,5%. Углеводород/азот равны 7,2 и 9,65 г/л. Влага в субстрате составляет 75 процентов. Процент влажности загружаемого в реактор субстрата не должен опускаться ниже 90% в летний и 85% в зимний сезоны. Для достижения нужной влажности навоз разбавляется водой, чтобы обеспечить правильную влажность. В некоторых установках соотношение воды к навозу колеблется в пределах от 1:3 до 2:1.

Длительность ферментации, необходимой для того, чтобы выделился определенный объем газа, и количество газа, образующегося в течение определенного количества времени в зависимости от объема органического вещества, зависят от температуры. Функциональная взаимосвязь между температурой и активностью метаболизма и репродукции микроорганизмов является неотъемлемой.

В новейших исследованиях указано, что для улучшения условий выделения газа нужно повышение температуры. Нужно учитывать, что микроорганизмы в субстрате довольно плохо переносят колебания температуры, в особенности чувствительны к ее резкому понижению. Вследствие этого сокращается обмен веществ и снижается способность микроорганизмов к размножению. Так, при падении температуры до 15 ^оС их активность практически прекращается. Кроме всего прочего, температура оказывает влияние на качество выделяемого газа. Так, установлено, что при повышении температуры наблюдается снижение процента CH₄  (метана) из общего объема образующихся газов.

Биогаз в основном состоит из CH₄ (метана 55-80%), CO₂ (двуокиси углерода 20-45%) и примесей фосфора, аммиака и оксидов азота (менее 1%). Качество газа определяется содержанием метана в нем. После глубокой очистки биогаз может содержать более 90% метана и по качеству не уступать природному газу.

Производство биогаза как альтернативного источника тепла и электроэнергии выгодно всем: инвесторам, фермерам и стране в том числе. Биогаз дает возможность государству уменьшить бюджетную нагрузку, кроме этого, дает шанс увеличить значимость сельскохозяйственного производства, получить удобрения посредством переработки отходов пищевой и аграрно-промышленной сфер производства.

С позиции динамики жидкостей, для реактора самой оптимальной формой является яйцеобразная, но для ее конструирования требуется большое количество финансовых затрат. Цилиндр с полукруглым или коническим верхом и дном – вторая самая оптимальная форма. К преимуществам данной формы относится более простая технология изготовления, опирающаяся на богатый опыт производства емкостей для целей сельскохозяйственной промышленности. При разделении резервуара в форме цилиндра на две камеры поперечной перегородкой производство такой емкости является более выгодным по сравнению с тем, какое количество затрат требуется для изготовления двух отдельных емкостей. При такой конструкции отпадает необходимость в теплоизоляции наружных стенок резервуара, улучшается теплопередача между обеими камерами через перегородку, выполненную из теплопроводного материала. Встраивание в эту перегородку нагревательного элемента дает дополнительные конструктивные и энергетические преимущества.

С целью уменьшения затрат на строительство отдаем предпочтение цилиндрической форме с полукруглым верхом, без внутренних перегородок, так как подогрев реактора будет осуществляться за счет встроенных в стенки реактора пластинчатых теплообменников.

Размещение реактора можно произвести следующими тремя способами: путем углубления в грунт; на фундаменте здания над землей или установить внутри здания. Конструкция реактора должна соответствовать некоторым требованиям. В реакторе должен быть герметизирующий элемент между крышкой и корпусом (например, прокладка из герметичного состава или резины).  Конструкция реактора должна содержать в себе люк для того, чтобы периодически проводить работы профилактического и ремонтного характера внутри конструкции. Рекомендуется размещать реактор в помещении под землей. Это дает возможность снизить финансовые затраты, повысить качество терморегуляции. При таком размещении для загрузки субстрата можно не использовать дополнительное оборудование, кроме того позволяет использовать более дешевые материалы для теплоизоляции, такие как глина и смола. Но лучше не пренебрегать теплоизоляцией, потому что при ее отсутствии установка сможет работать только в теплое время года.  

С учетом климатических условий, реактор расположен внутри помещения с наземным расположением, так как подогрев и изоляция реактора важны для круглогодичной работы установки. Помещение для реактора находиться на резервном земельном участке рядом с загоном оленей.

На данный момент в России нет крупных станций по производству альтернативного вида электроэнергии, потому что затраты (в расчете на кВт/час) на строительство биогазовых электростанций в разы выше (в 5-7 раз), чем на возведение традиционных станций.