,

$ 74.25 90.26

Сельское хозяйство

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

 

Показатели

Значения

1

Период работы БЭУ, сут

24 -26

2

Масса утилизируемого свежего навоза с влажностью 93%, кг

88

3

Масса  в метантенке АМД для следующего запуска БЭУ, кг

50 – 52

4

Ожидаемая масса получаемого удобрения, кг

80 — 81

5

Стойловый период, дней

240

6

Масса утилизируемого навоза КРС за стойловый период, кг

704

7

Масса удобрения, прогнозируемого за стойловый период, кг

655 – 669

8

Стоимость 1 кг биоудобрения, руб.

5

9

Доход от реализации биоудобрения, руб.

3275 — 3345

10

Увеличение урожайности с.-х. культур, %

10

 

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

 

Использование

Объем биогаза, м3

1

Приготовление пищи для 1-го человека

0,15 – 0,3

2

Кипячение воды

0,03 – 0,05  


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

 

Показатели

Значения

1

Выход биогаза,  эквивалентного природному газу, м3/сут

0,18

2

Норма газа для приготовления пищи

1 чел., м3/чел

0,15 – 0,3

3

Период работы БЭУ, дней

24

4

Выход биогаза с 1 кг навоза, м3

0,14

5

Общий объем получаемого газа за стойловый период, м3

43,2

6

Стоимость 1 м3
газа, руб.

3,14

7

Стоимость замещаемого газа за стойловый период, руб.

135,42 


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

Всего

хозяйств, ед.

Всего поголовья скота, гол.

Прогнозируемый объем производимого органического удобрения, т

Ожидаемый ежегодный объем вырабатываемого биогаза, тыс. м3

5 – 10

гол

20 — 30 гол

40 — 50 гол

5 – 10

гол

20 — 30 гол

40 — 50 гол

80 203

199 229

559 080

447 264

111 816

78 271

62 617

15 654

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 (ЭУ) можно определить с учетом стоимости от повышения урожайности сельскохозяйственных культур  и по выручке средств от продажи биоудобрения [20]:

где   УДОП – прибавка урожая от использования биоудобрения, ц;

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

МУ – масса произведенного БЭУ биоудобрения, ц;

СУ – 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

Изготовители биогазовых установок

Стоимость

ед. руб.

1

АО «Стройтехника-Тульский завод»

(без транспортных расходов и монтажных работ)

288 000

2

«КОУД» г. Вологда

(без транспортных расходов и монтажных работ)

500 000

3

Местное производство

82 450

 

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

Таблица 6- Перечень технологического оборудования

Виды расходов

Количество,

шт.

Стоимость

единицы, руб.

Сумма, руб.

1

Метантенк

1

82 450

82 450

2

Компрессор

1

5000

5000

3

Расходный материал и монтажные работы

 

30 000

30 000

4

Газгольдер

1

20 000

20 000

 

Итого:

 

 

137 450 


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

КРС, гол.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Объем

метантенка, м3

0,15

0,2

0,4

0,6

0,7

0,85

1

1,2

1,3

1,4

КРС, гол.

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

Объем

метантенка, м3

1,6

1,7

1,85

2

2,15

2,3

2,45

2,6

2,7

2,85

КРС, гол.

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

Объем

метантенка, м3

3

3,15

3,3

3,4

3,6

3,7

3,85

4

4,15

4,3

КРС, гол.

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

Объем

метантенка, м3

4,4

4,55

4,7

4,85

5

5,15

5,3

5,45

5,6

5,7

КРС, гол.

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

Объем

метантенка, м3

5,85

6

6,15

6,3

6,45

6,6

6,7

6,85

7

7,15


Метантенки объемами от 0,2 до 1,4 мрекомендуются 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.