Биогаз: классика или экзотика?


До настоящего времени использование возобновляемых источников энергии в России сдерживалось избытком углеводородных топливно-энергетических ресурсов. Вместе с тем, негативные тенденции, наблюдающиеся в системе традиционной энергетики, создали предпосылки для развития отдельных сегментов альтернативной энергетики.

По мнению экспертов, в ближайшее время начнется устойчивое падение добычи газа в стране. И связано оно будет не столько со снижением спроса в условиях экономического спада, сколько с истощением действующих месторождений.

По данным «Газпрома», добыча газа на всех месторождениях, введенных еще в советский период, будет падать со скоростью 20-25 млрд. куб. м3 в год. Таким образом, только за одно десятилетие, Россия лишается почти 1/3 годовой добычи газа.Результатом надвигающегося кризиса газоснабжения и истощения дешевых в разработке запасов газа становится рост внутренних цен на энергоносители.

В такой ситуации чрезвычайно актуальным становится вопрос использования возобновляемых источников энергии, одним из которых является биогаз. Энергия, полученная из биогаза, принадлежит к возобновляемой, поскольку происходит из органического возобновляемого субстрата, что придает еще большего значения производству газа на биогазовых установках.

Биогаз – это экологически чистое природное топливо, которое производится из натурального сырья, отходов растениеводства, птицефабрик и животноводческих комплексов и подобных компонентов, которые в результате своей переработки выделяют метан. Биогаз можно производить из специально выращенных энергетических культур, при этом выход газа может достигать до 300 м³ из 1 тонны.

В качестве дополнительного субстрата для биогазовых установок
используется силос зерновых культур


Биогаз возникает в следствии разложения органической субстанции бактериями. Разные группы бактерий разлагают органические субстраты, состоящие преимущественно из воды, белка, жира, углеводов и минеральных веществ на их первичные составляющие — углекислый газ, минералы и воду. Как продукт обмена веществ при этом образовывается смесь газов, получившая название биогаз. Горючий метан (СН4) составляет от 5 до 85% и является основным компонентом биогаза, а значит и основным энергосодержащим компонентом.

Такой естественный процесс разложения возможен лишь в анаэробных условиях, то есть только при отсутствии проникновения кислорода – в специальных биогазовых установках (подробнее о том, как действует биогазовая установка мы писали во 2 номере нашего журнала за 2010 год — Прим. Ред). Энергия, освобождающаяся вследствие анаэробного процесса, не теряется и вследствие жизнедеятельности метановых бактерий она превращается в молекулы метана.

Теплотворная способность одного кубометра биогаза составляет в зависимости от содержания метана 20-25 МДЖ/ м3, что эквивалентно сгоранию 0,6 — 0,8 литра бензина, 1.3 — 1.7 кг дров или использованию 5 — 7 кВт электроэнергии.

Опыт Германии

Биогаз уже превратился из альтернативного источника энергии в обычный для многих предприятий во многих странах. Европейским лидером по количеству биогазовых установок сельскохозяйственного применения является Германия.
По мнению экспертов, в перспективе при оптимальном использовании биогаза в Германии электричеством из этого вида топлива можно будет снабжать 12 млн. домашних хозяйств. Уже сейчас произведенных из биогаза электроэнергии и тепла достаточно приблизительно для 500 тыс. частных домов и квартир. При этом половина биогазовых станций в Германии работает не на отходах, а на специально выращенной зеленой массе.

Германия является европейским лидером по количеству биогазовых установок сельскохозяйственного применения.

Поскольку немецкий федеральный закон о возобновляемых видах энергии предоставляет благоприятные предпосылки для использования биомассы, выгодным для производства биогаза оказалось возделывание так называемых «энергетических растений», таких как кукуруза и рожь.
Сегодня в Германии для производства биогаза рассматриваются разнообразные виды культур. Решающее значение при выборе той или иной культуры имеют выход газа, который связан с органической массой сухого вещества, и затраты на ее выращивание. Особое значение при этом имеют вопросы севооборота, биологического разнообразия, а также технологические параметры, такие как транспортабельность и пригодность растений для силосования.

В последние десятилетия на больших площадях в Германии выращивается силосная кукуруза, которая остается самым предпочитаемым субстратом для производства биогаза. Но в последние годы на фоне необходимости повышения надежности снабжения биогазовых установок субстратами и попыток минимизации риска неурожая (из-за неблагоприятных погодных условий в период вегетации или вспышек болезней и вредителей, таких как кукурузный мотылёк), немецкие ученые ищут альтернативные кукурузе культуры.

К тому же выращивание культур, которые высаживаются и убираются в разное время, может снять проблему пиковой нагрузки, равномерно загружать технику и силосные камеры. В связи с этим в Германии рассматривается применение в качестве субстратов для получения биогаза ряд экзотических с точки зрения растениеводов культур.

Альтернатива силосной кукурузе


Если для определения понятия «экзоты» взять за основу объем возделывания отдельных видов культур в Германии или применение возобновляемого сырья в качестве субстрата в биогазовых установках, то кроме кукурузы и луговых трав «экзотами» должно быть обозначено всё прочее растительное сырье, которое потенциально можно использовать в этих целях.

Среди экзотических культур необходимо различать:
— знакомые культуры, для которых требуется лишь подобрать способ возделывания в соответствии с требованиями получения биогаза или же с помощью селекции вывести более продуктивные сорта. К первой группе, без сомнения, относятся зерновые культуры, которые выращиваются в том числе в виде смесей видов и сортов, свекла, подсолнечник, а также известные озимые и летние промежуточные культуры.

— истинные экзотические культуры, т.е. новые виды культур, вводимые в обиход в наших географических условиях. Внутри этой группы «экзотов» также необходимо провести разграничение.

Во-первых, это виды культур, исследования которых уже принесли результаты, так что возможно разработать первые рекомендации по возделыванию. К этой группе относятся виды семейства сорговых, сильфия пронзеннолистная, мискантус (или веерник), разные виды проса и топинамбур.


Абсолютные экзоты для выращивания – это виды семейства гречишных, например, сахалинский горец, японский горец и аконогонон (или таран) Вейриха, а также мальва и щавель.

Семейство сорговых

Сорговые имеют отличные перспективы для выращивания, прежде всего, в местностях с недостаточным водоснабжением, т.е. незначительным количеством осадков в период вегетации, и низкой способностью к накоплению подземных вод. Однако, как отмечают немецкие ученые, в более благоприятных условиях растения семейства сорговых не представляют серьезной конкуренции кукурузе. В настоящее время самый большой недостаток их применения в качестве энергетической культуры заключается в том, что интенсивная разработка методов растениеводства только началась, и, следовательно, не выведены адаптированные к различным почвенно-климатическим условиям сорта.

Промежуточные культуры


Ученые уверены, что сегодня необходимо вновь обратиться к таким классическим озимым культурам, как рожь, тритикале, растения семейства бобовых, плевел. Выход сухого вещества этих культур составляет от 3 до 5 тонн/га, а включение их в севооборот является отличным дополнением к возделыванию основных культур в местностях с достаточным водным обеспечением.

При этом ученые отмечают, что необходимо отбирать для возделывания такие виды, которые подходят как для обогащения гумуса, так и для производства биогаза. Это является одним из основных условий для развития биогазовой энергетики. В годы, по прогнозам благополучные для кукурузы, они будут служить зеленым удобрением для увеличения гумуса. В неурожайные для кукурузы годы промежуточные культуры могут убираться и использоваться с целью снабжения биогазовых установок необходимым количеством субстрата.

Топинамбур и сильфия пронзеннолистная

Для культур, кратко описанных выше, уже разработаны приемы возделывания, нужно лишь адаптировать и усовершенствовать их с учетом биогазового производства. В отличие от них ситуация с истинными «экзотами» выглядит совершенно иначе.

При этом необходимо отличать «экзоты» с незначительными опытными данными, такие как, например, топинамбур, сильфия пронзеннолистная и мискантус (веерник), и абсолютно новые виды растений, по которым нет производственного опыта – щавель, гречишные или сида.
По мнению немецких ученых, в ближайшем будущем топинамбур может получить признание как многолетнее энергетическое растение.

Эта культура имеет несколько преимуществ:
— зимостойкие клубни сажаются так же, как и картофель;
— весной борьба с сорняками может производиться механически;
— хорошие урожаи зеленой массы в первый год посадки (рис. 3).
Однако, как показывает практика, урожайность топинамбура снижается в последующие годы использования. Противодействовать этой тенденции можно с помощью механического прореживания посадок весной при высоте всходов от 10 до 30 см.

При отборе сортов предпочтение отдается сортам силосного назначения, таким как «Топианка» (желтый) или «Лесное веретено» (красный).
В настоящее время за существенный недостаток топинамбура принимается высокое содержание лигнина и чистой золы, которые приводят к малому выходу метана.
Это же касается таких культур, как просо, многобородник (бородач) и мискантус, а также амарант и резеда.

Главной проблемой многих «экзотических культур» является большое содержание лигнина, что влечет за собой малый выход биогаза.
Поэтому помимо урожайности сухой массы и владения способами производства при выборе вида культур обязательно необходимо учесть выход биогаза.

Самый большой выход метана, приближающийся к значениям выхода у кукурузы, отмечается у сильфии пронзеннолистной (Silphium perfoliatum L.). Это новое культурное растение родом из южной части Северной Америки, и, по имеющимся сегодня данным, оно пригодно для использования как минимум 10 лет. В более теплых местностях сильфия по показателям урожая может достигать уровня кукурузы. На рисунке 6 показаны урожаи в сравнении с кукурузой для такой области, как Дорнбург в Тюрингии. В более прохладных местностях – в Гюльцове и Хессберге, напротив, был получен выход сухого вещества от 10 до 15 т/га (в среднем 12 т сухого вещества/га).

Перед массовым введением в практику необходимо еще лучше уточнить почвенно-климатические условия местности для достижения высокой урожайности. Далее стоит усовершенствовать методы производства, т.е., прежде всего, заменить трудоемкую и затратную посадку на рядовой метод.

Мальва и различные гибриды щавеля

Относительно описанных выше культур можно сказать, что определенный опыт их возделывания, полученный в ходе испытаний на небольших практических площадях в различных производственных условиях, уже накоплен. Но есть ряд культур, потенциал которых не изучен, практического опыта их выращивания с целью использования в биогазовых установках в Германии пока нет. Будет ли какая-то из этих видов культур использоваться в сельскохозяйственной практике в ближайшие годы, зависит от многих факторов. Например, от уровня и стабильности урожайности, освоения технологии производства, наличия семенного и посадочного материала, а также их способности к силосованию и достигаемого уровня выхода биогаза.

Мальва (Sida hermaphrodita)

Кроме того, необходимо учитывать природоохранные и экологические аспекты возделывания этих культур. Поэтому представленные ниже данные о различных видах культур следует рассматривать лишь как первоначальную оценку возможности их применения для получения биогаза, которая требует подтверждения в рамках испытаний.

Мальва (Sida hermaphrodita) относится к семейству мальвовых. Ее родина — южная часть Северной Америки и приграничные районы Центральной Америки. Это травянистое растение достигает высоты от 2,5 до 3 м. Сида — многолетнее растение, которое можно использовать до 20 лет. Первые опыты по ее культивированию проводились, в том числе, в бывшем СССР с целью использования в качестве зеленого корма.

Информация относительно требований мальвы к условиям местности достаточно противоречивы. Однако опыт возделывания этой культуры в Польше (на площади около 200 га) свидетельствует о способности этого растения переносить суровую зиму.

В первый год растение растет очень медленно – в этот период требуется неоднократное уничтожение сорняков. Во второй год происходит смыкание посевов, и можно одно-двукратную уборку урожая с помощью силосоуборочного комбайна оборудованного измельчителем.

По данным исследователей из регионального института сельского хозяйства земли Саксония-Анхальт мальва дает высокий выход сухой массы на уровне от 40 до 60 т/га. Причем на хороших лессовых почвах в г. Бернбурге в первый год уборки урожая было получено около 12 т/га сухой массы, а содержание сухой массы составляло 39%, что вполне достаточно для силосования.

Румекс OK2 — это продукт проведенного на Украине скрещивания между Rumex patencia и R. tianschanicus (в России это растение известно как «щавнат» — комбинация, полученная из слов «щавель» и «шпинат» — Прим. Ред.) Этот гибрид не требователен к условиям местности, однако характеризуется большой потребностью в воде, которая в значительной степени может покрываться зимними запасами воды в почве. Растения зимостойкие и характеризуются большим сроком хозяйственного пользования — от 15 до 20 лет.

В рамках тестовых испытаний необходимое содержание сухой массы было достигнуто при первом укосе в конце июня. Выход сухой массы составлял от 9 до 16 т/га. При этом выход газа должен быть немного меньше, чем у кукурузы. Но ряд экспертов не считает румекс ОК2 с выходом сухой массы в среднем 11 т/га и содержанием сухой массы в размере 14% достаточно убедительной альтернативой биогазовой кукурузе. В любом случае, ученые говорят о необходимости дальнейших испытаний перед широким внедрением на практике этого вида.
«Ресурсосберегающее земледелие», 10/2011

0 комментариев

Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.