Экономическая эффективность от применения биогазовых установок в условиях Крайнего Севера

Разработка технологий для утилизации бесподстилочного навоза крупного рогатого скота, обеспечивающих не только соблюдение экологической безопасности, но и способствующих созданию энергосберегающего замкнутого производства с получением минерализованного органического удобрения, позволяющего повышать урожайность сельскохозяйственных культур, дополнительного источника топлива в виде биогаза в условиях Крайнего Севера является актуальной проблемой.

Нами разработана новая технология переработки бесподстилочного навоза крупного рогатого скота в  малых биоэнергетических установках, которые работают без использования электрической энергии за счет адаптации мезофильных микроорганизмов к психрофильным условиям [11, 12].

С учетом условий функционирования крестьянско-фермерских хозяйств в условиях Крайнего Севера предложена концепция создания модульных биоэнергетических установок.

В сельской местности  РС (Я) живет до 40 % населения, занятого животноводством и растениеводством. Сельское хозяйство в Якутии рассматривается, в первую очередь, как основа сохранения этноса. В сложных экономических условиях, последствиях финансового экономического кризиса, постоянного роста стоимости на минеральные удобрения и энергоносители,  труднодоступности и отдаленности населенных пунктов и в связи с суровыми климатическими особенностями региона, необходимо развитие нетрадиционных подходов в производстве доступных  удобрений, получении дополнительной энергии [13].

Кроме того, для реализации Федерального закона Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. № 261 – ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные объекты Российской Федерации»,  наиболее актуальным и востребованным является применение биогазовой технологии. Как известно, использование данной  технологии дает возможность получения не только биогаза – резервного источника энергии, но и значительно улучшить  экологическую обстановку [1, 2, 3, 22, 24, 25]. Вырабатываемый  биогаз после очистки и компрессии может использоваться для сжигания в конфорках, в бытовых целях [17]. Отходы, получаемые после метанового брожения биомассы, являются качественными экологически чистыми удобрениями и кормовыми биодобавками [5, 6, 7, 8, 23].

Таким образом, использование биогазовых установок обеспечивает фактически безотходное производство, что в условиях действия ФЗ-88 «О техническом регламенте на молоко и молочную продукцию», требующего строгого соблюдения санитарных требований, несомненно, может только положительно повлиять на развитие аграрного сектора республики в целом [27].

Конкретная схема установки для каждого фермерского хозяйства может быть различна и зависит от множества факторов, в т. ч. от количества поголовья крупного рогатого скота, возможности (объем рынка) реализации удобрений, стоимости существующих энергоносителей (электричество, тепловой энергии), отдаленности населенного пункта и т.д. [11, 12].

В процессе анаэробной утилизации  в среднем 5…7% сбраживаемой массы навоза теряется за счет преобразования в биогаз.  С учетом этого, с 1-го метантенка предлагаемой БЭУ можно получать 130…133 кг минерализированного удобрения (таблица 1) [14].

В Якутии на сегодняшний день содержится 199 229 гол. КРС [21]. Если считать, что с одной средней головы КРС в сутки выход навоза составляет 25 кг, то ежесуточно образуется 4 981 т навоза. Годовой объем производимого навоза КРС составит около 1 195 374 т. Этим навозом можно удобрить 29 884 га земли, что соответствует 28,5% от всей площади пахотных земель. С учетом этого, в общем возможно удобрить минеральными  и органическими элементами 61,3% пахотных земель, т.е. большую половину.

Согласно данных Госкомстата РС (Якутия) за 2013 г средние  урожайности  по основным  культурам в т/га  следующие: зерновые – 1,24; картофель – 9,64; овощи – 20,15. По сравнению с 2000 г заготовка зерновых уменьшилась в 3,71 раз, а посевная площадь под них — в 5 раз [25].

Таблица 1 – Эффект от применения БЭУ с одним метантенком

Ожидаемый прогноз повышения урожайности с.-х. культур от внесения биоудобрения  будет иметь следующий вид (рисунок 1):

Таким образом, средняя производительность БЭУ по нашей технологии составляет 0, 3 м³
биогаза в сутки.  Биогаз эквивалентен природному газу в соотношении 0,6:1. Исходя из этого, c БЭУ с 1-ним метантенком можно получать 0,18 м³/сут эквивалент природного газа.

В Республике Киргизия накоплен практический опыт по применению биогаза в быту и установлен норматив потребления биогаза на 1 чел. [4]:

Таблица 2 — Расход биогаза на бытовые нужды

На биогазе, вырабатываемом БЭУ с одним метантенком по предлагаемой технологии можно сэкономить следующий объем природного газа (таблица 3):

Таблица 3 — Применение биогаза, вырабатываемого БЭУ с одним метантенком

По состоянию на 1.12.2013 г. на территории Республики Саха (Якутия) в 28 районах насчитывалось   199 229 гол крупного рогатого скота. Таким образом,  при условии обеспечения всех фермерских (крестьянских) хозяйств БЭУ, можно ежесуточно получать  в среднем 4 651, 8 т качественного органического удобрения и  16,9 тыс. м³ биогаза. Объемы за год приведены в таблице 4.

Таблица 4. — Объем производимого удобрения и биогаза от  поголовья КРС фермерских (крестьянских) хозяйств

При стоимости 5 руб/кг, объем средств, получаемых в результате реализации органических удобрений, составит 1118,16 млн. руб. Но это идеальный случай. В действительности, если бы на практике реализовать хотя бы 10 % от теоретически возможного выхода удобрения, то это позволило бы производить ежегодно удобрения 112 млн.т. При норме внесения 3 т/га можно было бы удобрить 37 млн.га земли, когда как в республике всего сельскохозяйственных угодий 1 640 млн.га.

Экономический эффект от применения сброженного субстрата как органического биоудобрения (Э_У) можно определить с учетом стоимости от повышения урожайности сельскохозяйственных культур  и по выручке средств от продажи биоудобрения [20]:

где   У_ДОП – прибавка урожая от использования биоудобрения, ц;

С_УР
– стоимость единицы урожая, выращенного использованием биоудобрения, руб/ц;

М_У – масса произведенного БЭУ биоудобрения, ц;

С_У – цена единицы стоимости биоудобрения, руб/ц.

Исследованиями зарубежных и российских ученых доказано, что получаемое органическое удобрение обеспечивает повышение урожайности культур минимум на 10%, снижает кислотность почвы [9, 21] . 1 л такого удобрения достаточно для обработки 2-15 м²почвы. Применяется не реже 3-4 раз в сезон [4].

Высушенный переработанный субстрат (эффлюент) биогазовых установок  может использоваться и  в качестве кормовой биодобавки, как источник белка и витаминов группы  В₁₂, что немаловажно для разведения животных в наших климатических условиях [15].

Сравнительный анализ способов использования биогаза, показывает, что оптимальным вариантом является его непосредственно сжигание. Это связано с тем, что КПД при преобразовании биогаза в электроэнергию в среднем равен 20%.

Рассчитаем стоимость специализированного оборудования. При производстве метантенков  на территории г. Якутска,  капитальные затраты на их изготовление с учетом стоимости комплектующих, составят 82450 руб. (цены установленные ООО «Дизельремонт») приведены по состоянию на 1.05.2013 г.). Стоимость метантенка местного производства в 3,5 — 6 раз ниже аналогичных российских биогазовых установок (таблица 5) [16].

Таблица 5 — Сравнительная оценка с российскими предприятиями –изготовителями биогазовых установок

Для организации полной технологической цепочки, позволяющей полноценно получать удобрение и использовать биогаз, нужно будет приобрести дополнительное оборудование (таблица 6).

Таблица 6- Перечень технологического оборудования

Использование биогазовых установок для утилизации навоза КРС является однозначно выгодным производством и требующим пристального внимания со стороны сельских производителей.    Сельское население, которое будет использовать биогазовую установку, приобретает большой потенциал для улучшения своего социально-экономического положения,  и при соответствующей оптимизации и интенсификации производства может добиться высоких результатов, переходя на организацию замкнутого энергосберегающего производства [19].     

Кроме этого, особенностью реализации проектов по энергосбережению на территории РС (Я) является то, что стоимость минеральных удобрений и энергоносителей значительно выше, чем в других регионах РФ — в среднем в 3 раза. А применение технологии анаэробного сбраживания утилизации навоза позволяет на каждый вложенный рубль приносить прибыль в размере двух-трех рублей .

Средний расход природного газа для обогрева частного дома в условиях Якутии составляет 1250 куб. м в месяц [25]. Как показали экспериментальные и производственные исследования, по разработанной энергосберегающей технологии с 1-го м³
метантенков получается  весьма малый объем биогаза — 5,4 м³ в месяц. Поэтому, биогаз рекомендуется сжигать в конфорках при приготовлении пищи [18].

В условиях Якутии, естественное разложение навоза длится два-три года, а в метантенках протекает за месяц. Таким образом, основным предназначением БЭУ в Якутии является, на наш взгляд, производство качественных органических удобрений.

Органическое удобрение из БЭУ содержит азот, фосфор и калий в связанной форме. Химические компоненты находятся в следующем соотношении [10]: азот общий — 4,07,0,, в т.ч. аммонийный азот — 2.54.0; фосфор (Р₂0₅) — 7,012,0; калий (К₂0) — 1,03,0; микроэлементы, массовая концентрация мг/л — медь- 3,0 (микроэлементы, массовая концентрация мг/л); кобальт — 5,0; цинк — 23,0; вода — 8595.

В животноводческом секторе Якутии в настоящее время преобладают предприятия частной формы собственности. Процентное соотношение хозяйств в зависимости от содержащегося количества поголовья КРС следующее (рис.2):

Рисунок 2 – Процентное соотношение животноводческих хозяйств по количеству поголовья КРС: 1- от 5 до 10 гол; 2 — от 20 до 30 гол;3 – от 40-50 гол.

Метантенк рекомендуется изготавливать из стального листа или из бывших в употреблении металлических цистерн. Размеры метантенка зависят от имеющегося поголовья животных (рис.3).

Рисунок 3 — График зависимости объема метантенка от поголовья КРС 

Необходимый объем метантенков подбирается в зависимости от поголовья животных по таблице 7:

Таблица 7 – Объем метантенка в зависимости от поголовья КРС

Метантенки объемами от 0,2 до 1,4 м³  рекомендуются для  применения в хозяйствах с поголовьем КРС от 5 до 10 гол. Таких хозяйств, как видно из диаграммы на рис.2, преобладающее количество.

Метантенки следует располагать непосредственно в животноводческом помещении. Таким образом, создаются максимальные условия для сохранения теплоты навозной массы, загружаемой в метантенк. Основное условие для эффективной работы БЭУ – обеспечение герметичности метантенка.

Эффективность разработанной энергосберегающей технологии состоит в следующем:

1.           На утилизацию одной тонны навоза по новой технологии расходуется 1065 руб. В то же время  биоэнергетическая установка в мезофильном режиме (36 ⁰С), устанавливаемая в скотопомещение с температурой воздуха 10…12 ⁰С,   является энергозатратной и финансово  неэффективной. На переработку одной тонны навоза в мезофильном режиме расходуется 26854 руб. Таким образом, эксплуатационные затраты на новую энергосберегающую технологию в 25,2 раза дешевле распространенной мезофильной переработки.

2.           БЭУ с одним метантенком в сутки вырабатывает 0,18 м³ эквивалентного газа, которого достаточно для приготовления пищи одному человеку. За 240 дней стойлового периода замещается 43,2 м³ эквивалентного природного газа на сумму 135,42 руб.

3.           Внедрение биоэнергетических установок во все фермерские (крестьянские) хозяйства Якутии дает возможность ежесуточно получать  в среднем 4 651, 8 т качественного органического удобрения и  16,9 тыс. м³ биогаза.  При стоимости 5 руб/кг, объем средств получаемых от реализации органических удобрений составит 1118,16 млн. руб. Но это идеальный случай.  Переработка в БЭУ хотя бы 10 % от годового производимого навоза крупного рогатого скота позволяет производить ежегодно 112 млн.т удобрения. При норме внесения 3 т/га можно было бы удобрить 37 млн.га земли, т.е. 2,2% от всей площади сельскохозяйственных угодий.

4.           Стоимость метантенка, изготовленного в г. Якутске, составляет 83 000 руб., что в 3,4 раза дешевле российского и зарубежного аналога без учета транспортно-экспедиционных расходов.