Эффективность биогазовых установок в условиях республики Саха (Якутия)

ЭФФЕКТИВНОСТЬ БИОГАЗОВЫХ УСТАНОВОК В УСЛОВИЯХ РЕСПУБЛИКИ САХА

М. П. СОЛОМОНОВ, кандидат экономических наук, заведующий сектором Институт региональной экономики Севера

Приведены расчеты экономической эффективности устройства биогазовой установки на основе сбора навоза крупного рогатого скота с личных подсобных хозяйств и установки на основе промышленного содержания птицы в условиях Севера. Расчетами показана экономическая эффективность строительства на Севере биогазовых установок большой производительности. На основе расчетов выработаны предложения по технологии сбора, подготовки, переработки и реализации отходов сельскохозяйственных животных в северных условиях.

Ключевые слова: эффективность, биогазовая установка, отходы, сертификация.

По заказу администрации Игидейского наслега Таттинского улуса Республики Саха (Якутия) — Р (Я) — были произведены расчеты экономической эффективности строительства биогазовой установки (БГУ). Актуальность разработки данного проекта очевидна ввиду следующих обстоятельств:

• в осенне-весеннюю распутицу и дождливым летом транспортная связь с наслегом полностью прерывается. В видимой перспективе газопровод к наслегу не будет подведен;

• ежегодно деляны для заготовки дров все более и более удаляются в связи со сплошной вырубкой леса населением. Уголь с Харбалахского карьера, находящегося на расстоянии 103 км, для отопления чрезвычайно дорог — коммерческая цена с доставкой составляет 2 100 руб. за тонну;

• на селе с населением 858 чел. содержится 730 голов дойного стада и 900 голов молодняка крупного рогатого скота (КРС). Практически все стадо находится на территории частных дворов, т. е. вопросы утилизации навоза КРС, оздоровления экологической ситуации на селе являются первостепенными;

• к центральному отоплению подключить большую часть жилых домов не удастся из-за большой разбросанности частных дворов.

Перечисленные обстоятельства характерны для большинства сел республики и вынуждают искать альтернативные пути удешевления отопления на селе.

В республике работает пока единственная БГУ, весь биогаз которой идет на отопление очистных сооружений канализации г. Якутска. ОАО «Водоканал» в настоящее время ведет работу по сертификации биоудобрения, получаемого от БГУ.

Авторами проекта совместно с администрацией наслега были выбраны конкретные объекты для внедрения биогазового отопления. Это здания: пожарного депо — 243 м2, библиотеки — 257 м2, подключенные в настоящее время к центральной котельной.

В селе имеется неиспользуемый металлический емкостной парк, из которого можно оборудовать приемный и расходный бункеры, емкость реактора — на 35 м3, толстостенные металлические емкости для устройства газгольдера, свободные помещения для размещения котла для обогрева реакторов, незавершенное строительство деревянного здания, подлежащее к разборке, материалы которого можно использовать для строительства здания БГУ.

Выбор схемы БГУ с реактором на 35 м3 в проекте заложен по схеме, указанной в работе [1, с. 45]. После бункера выгрузки отработанного субстрата в проект закладывали сепаратор ГДЦ-360 с поли-уретановой футеровкой для отделения твердых фракций отработанного субстрата от воды для повторного применения.

Технологический процесс заключается в подготовке субстрата путем разведения в приемном бункере свежего навоза КРС водой до 85 % влажности и подогрева в мезофильном режиме, загрузки субстрата в реактор для переработки в биогаз. Перелитый в разгрузочную емкость отработанный субстрат сепарируется, и получаются удобрения

40—45 %-ной влажности без патогенных палочек и семян растений. Обратная вода после сепарирования составит 40—45 % загрузки. Собираемый с частных подворьев свежий навоз имеет 55—60 %-ную влажность. Соответственно, обратная вода после сепарирования будет подаваться в приемный бункер и обеспечивать 85 %-ную влажность субстрата, загружаемого в реактор.

Учитывая климатические условия Севера, биогаз наиболее эффективно использовать на выработке тепла для отопления и горячего водоснабжения. Выработка электроэнергии сопряжена с дополнительными затратами на очистку биогаза для подачи в когенератор, плюс потери на его КПД, равные 15 %.

В соответствии со спецификацией оборудования и материалов и выбранной схемой БГУ, смета опытно-конструкторских работ по устройству установки со строительством теплых помещений для БГУ составила в текущих ценах 2,2 млн руб. [2].

Расчет образования биогаза и объемов отапливаемых помещений произведен из следующих составляющих. Исходный объем реактора равен 35 м3. Реактор должен быть заполнен на 2/3 субстратом 85 %-ной влажности объемом 23,3 м3. Свежий навоз КРС имеет 55 %-ную влажность. Для первичного формирования субстрата объемом 23,3 м3 с влажностью 85 % необходимо иметь 15 м3 свежего навоза 55 %-ной влажности и 8,3 м3 подогретой до 25—30 °С воды. Для запуска БГУ производится сбор 15 м3 свежего навоза от 273 голов КРС. После стабилизации работы установки для ежедневной загрузки потребуется сбор 1,5 м3 навоза с 28 голов КРС с учетом 10-дневной ферментации сырья. Для получения субстрата добавляется сепарированная обратная жидкость в объеме 830 л.

1 кг субстрата 85 %-ной влажности дает 0,043 м3 биогаза [2]. Проектируемая установка будет ежедневно давать (1 500+830) *0,043=100,2 м3 биогаза. На 100 м2 жилых помещений по методике [2] потребуется 20 м3 биогаза. 100,2 м3/20 м3100 м2=500 м2 жилых помещений смогут отапливаться проектируемой установкой: пожарное депо 243 м2; здание БГУ с реактором 100 м2; часть здания библиотеки — 157 м2.

Для страховки от возможных неполадок установки центральное отопление от стационарной котельной будет закольцовано байпасами на узлах ввода отопления этих помещений.

Представляем следующий расчет экономического эффекта, получаемого от реализации органического обеззараженного удобрения с ней-

трализованными семенами растений. Ежедневно после сепарирования получается 1,5 м3 органических удобрений без патогенных палочек и нейтрализованными семенами растений 50—55 %-ной влажности. Путем замораживания зимой и высушивания летом влажность удобрений доводится до уровня 25—30 % и тарируется в пропиленовые мешки для реализации населению. Соответственно ежедневно производится 1,5/1,2=1,25 м3 удобрений. Если ежегодно на реализацию направляется порядка 300 м3 удобрений в мешках по 0,03 м3, всего 10 000 мешков по цене 70 руб., то доход от реализации удобрения составит 700 000 руб. за год.

Расчет экономии от замены угля на биогаз представляется следующим. Проект может быть эффективным только при подаче сырья насосом, транспортерами или самотеком. Располагается БГУ в низине около стационарной котельной на отметке 204,78. Верхняя точка проектируемой навозной канализации расположена на отметке 216,00. Навозная канализация охватывает 5—6 дворов, или около 30 голов КРС, навозной жижи которых хватит на ежедневную загрузку. Уровень навозного канализационного коллектора всегда должен быть ниже уровня полов скотопомещений, чтобы все фекалии попадали в коллектор. Коллектор для удобства обслуживания должен в основном проходить в наземном утепленном канале и обогреваться греющим кабелем.

За 2008 г. котельная фактически расходовала 680 т угля по цене 637 руб. за тонну. Транспортные расходы рассчитываются по тарифу 5,53 руб. за т/км при расстоянии 103 км от Харбалахского угольного разреза до Игидейского наслега. Расходы стационарной котельной по углю составляют 637 (руб.) х 680 (т) +680 (т) х 5,53 руб. (т/км) х 103 км = 820 481,2 руб. Удельная отопительная характеристика котельной равняется 3,8 (ккал/м3) ч°С. Из них 0,7 (ккал/м3) ч х °С потребляет гараж и библиотека 0,614 (ккал/м3) х ч х °С. В данном проекте установка обеспечивает теплом часть здания библиотеки общей площадью 157 м2 из 257 м2. Соответственно экономия от замены угля на биогаз составит 231 030,2 руб.

Расходы годового содержания БГУ состоят из следующих компонентов:

• амортизация при норме 10 % составит 220 000 руб.;

• электроэнергия: 250 дней отопительного сезона, 4 загрузки в день по 0,5 ч при установленной мощности 6 кВт: 250 х 2 х 6 = 3 000 (кВт/ч) х 2,65 (руб.) для ЖКХ с 01.01.2009 г. (см. сайт Якут-

РЕгиомьнАя экономикА: теория и практика

49

скэнерго) =7 950 руб. Плюс греющий кабель длиной 300 м потребляемой мощностью 4 кВт. 250 х 24 х 4 = 24 000 руб. Всего 31 950 руб.;

• рабочие-газооператоры (4 чел.) с учетом отпускных с заработной платой 10 000 руб. в месяц 4 х 12 х 10 000 = 480 000 руб.;

• слесарь-сантехник (1/2 ставки) 1 х 12 х 5 000 = 60 000 руб.;

• мастер-слесарь КИПиА (2/2 ставки) 1 х 12 х 6 000=72 000 руб.;

Всего годового содержания: 863 950 руб. Рентабельность: [(700 000 + 231 030) -863 950] / 863 950 х 100(%) =7,8 %;

Срок окупаемости: 2 200 000/ (700 000 + 231 030-863 950) = 32 года.

Автору также было предложено рассчитать экономическую эффективность переработки на биогаз помета с яичной и бройлерной площадок Нерюнгринской птицефабрики (табл. 1—3, рис. 1). С фабрики вывозится в сутки 40 т птичьего помета 50 %-ной влажности.

Годовая потребность в тепле определяется по формуле [3]:

Q =д V

^от. год -*от н 4 вн ср. от7 о ' 7 \ /

где: qот — удельная отопительная характеристика здания, ккал/ (м3 ч °С), равная при объеме здания бройлерного цеха 41 316,9/4 = 10 329,25 м3 (определяется вычислением методом интерполяции при 10 000 м3 = 0,344 и при 11 000 м3 = 0,335 [3, табл. 2.2], а при 10 329,25 м3 = 0,341); V - наружный

Технические характеристики биогазовой установки на помете [1]

Таблица 1

Характеристика Единица измерения, т/сут Масса сырья, т/сут

20 40 60 80 100 200 400

Используемые ресурсы

Выход биогаза м3/сутки* 2 600 5 200 7 800 10 400 13 000 26 000 52 000

Потребляемая электр. мощность кВтч 16 28 39 48 60 100 200

Потребляемая тепловая мощность кВтч** 54 108 156 208 249 400 800

Обслуживающий персонал чел. 1 1 1 1 2 2 2

Занимаемая площадь га 0,20 0,25 0,35 0,45 0,50 0,65 0,80

Выход твердых биоудобрений т/сутки 10 20 30 40 50 100 200

Выход жидких биоудобрений м3/сутки 7 14 21 28 35 70 140

* Выход биогаза из свежего помета.

** Потребляемая тепловая мощность рассчитана для г. Харьков (авт.).

Таблица 2

Состав строительных сооружений [1]

Сооружение Объем, м3 Количество, шт.

Резервуар предварительного накопления и смешивания 150 1

Резервуар гидролизного окисления 300 2

Ферментатор 1 500 2

Резервуар выгрузки переброженной массы 100 1

Участок газоотведения и очистки - 1

Теплотрасса надземная - 1

Помещение для газгольдера - 1

Таблица 3

Объекты бройлерной площадки Нерюнгринской птицефабрики

Объекты Площадь, м2 Длина, м Ширина, м Высота, м Объем, м3

Цех цыплят-бройлеров (1 шт.) 1 764,0 84 21 4,7 -

28,2 6,4 4,4 2,5 -

Всего 1 792,2 - - - -

Цех цыплят-бройлеров (4 шт.) 7056,0 336 84 4,7 41 316,9

112,6 25,6 17,6 2,5 -

Всего 7168,6 - - - -

Санпропускник 648,0 54 12 3,3 2 848

Пожарные емкости - - - - 261,5

Насосная 25,2 - - - 63

Итого - - - - 44 489,4

Схема БГУ Нерюнгринской птицефабрики

строительный объем здания, Vh =10 329,25 м3; tBH - расчетная температура воздуха отапливаемого помещения tBH = + 32 °С [7]; от - средняя температура наружного воздуха за отопительный период для г. Нерюнгри tcp от =-17 °С [3, прил 1]; 24 - число часов в сутках; по - продолжительность отопительного периода для г. Нерюнгри, по= 268 суток [3, прил. 1].

Q = 0,341 х 10329,25(32- (-17) 24 х 268 х

^от. год '

1/1000000 = 1110,11 Гкал.

Проверим проектные данные немецкой фирмы Big Dutchman на отопление Qot и вентиляцию Q^, равные соответственно 0,256 Гкал и 1 Гкал. Годовая потребность в тепле Qot год определяется по формуле [3]:

Q = Q

^от. год 4 вн ср. от' ' 4 вн н. р' о 1 \ /

где: tH р - расчетная температура наружного воздуха для отопления, tH р = — 49 °С для г. Нерюнгри в соответствии с [3];

Qот год =256 000(32- (-17)) / (32- (-49) х 24 х 268 х 1/1 000 000 = 996,1 Гкал;

Расчетное тепло по проекту Big Dutchman равное 996,1 Гкал, несколько ниже рассчитанного нами (1 110,11), так как проектировщики Big Dutchman использовали свои формулы, учитывающие автоматизацию и соответственно оптимальные температурные режимы в течение отопительного сезона. В дальнейших расчетах нам выгоднее пользоваться своими расчетными цифрами, сложившимися на многолетней практике, учитывающими наши возможные потери, т. е. 1 110,11 Гкал в год. Но для расчета экономической эффективности будем манипулировать расчетными данными, основанными на проектных показателях Big Dutchman и равными 996,1 Гкал.

Рассчитаем годовую потребность в тепле для вентиляции по формуле [3]:

Q = Q

^вент. год ^вент 4 вн ср. от7 ' 4 вн р. в' о ' 4 7

где: Q^. год - годовая потребность в тепле для вентиляции Гкал; Q^ - максимальный часовой расход тепла на вентиляцию, ккал/ч. По проектным расчетам птицеводческого оборудования Big Dutchman, Q =1 000 000 Ккал; t - расчетная температура

^вент р. в ^ f J f

наружного воздуха для проектирования вентиляции, для г. Нерюнгри tp в = - 40 С [3]; ^ - среднее число часов работы системы вентиляции в течение суток, в часах. В нашем случае в бройлерных цехах вентиляция работает круглосуточно, т. е. zB =24 ч.

Qвент год = 1 000 000 (32- (-17)) / (32- (-40) 268 х 24 х 10-6 = 4 377,33 Гкал.

Всего Q = Q + Q = 996,1+ 4 377,33=

^реал ^от. год ^вент. год ' '

5 373,43 Гкал на 1 бройлерный цех.

На 4 цеха расход годового тепла составит 5 373,43 х 4= 21 493,72 Гкал.

На бройлерной площадке кроме 4 цехов имеются и другие здания. Их объемные характеристики приведены в табл. 3. Рассчитываем расход тепла отдельно для каждого здания и сооружения: санпропускника 316,72 Гкал, насосного и 2 пожарных резервуаров 60,43 Гкал. Всего для отопления объектов бройлерной площадки требуется за отопительный сезон: 21 493,72+316,72+60,43=21 870,9 Гкал тепла.

В соответствии с установленным тарифом на теплоэнергию [4] стоимость 1 Гкал составляет 949 руб. Всего расходы птицефабрики по покупке тепла от Нерюнгринской ГРЭС за год составят по объектам бройлерной площадки 21 870,9 (Гкал) х 949 (руб. /Гкал) = 20 755 484,1 руб.

По формуле (1) рассчитываем потребление тепловой энергии объектами БГУ (см. принципиальную схему технологической линии на рис. 1 и сооружения в табл. 2) и получаем:

• по резервуару предварительного накопления и смешивания 62,16 Гкал;

• в целях безопасности возводятся два резервуара-гидролизного окисления (см. табл. 2) и их общее потребление тепла составит 180,64 Гкал;

• в целях безопасности возводятся два резервуара ферментатора (см. табл. 2) и их общее потребление тепла составит 525,33 Гкал;

• разгрузочный бункер в наших климатических условиях принимается по объему, равному приемному бункеру, 236 м3. Соответственно расход тепла на его отопление составит 62,16 Гкал;

• такой же объем задается зданию сепаратора с емкостью хранения фильтрата 236 м3 с расходом тепла 62,16 Гкал;

• здания пульта управления и газоподготовки размещаются в двух 20-тонных утепленных контейнерах, расход тепла по которым составит: 4,47 х 2 = 8,94 Гкал.

Всего для отопления объектов БГУ требуется за отопительный сезон 901,39 Гкал.

Выход биогаза из птичьего помета составит 0,310-0,620 м3/кг сухого вещества, а содержание в нем метана - 60 %. В нашем случае при 40 т помета 50 %-ной влажности получается 20 т сухого вещества. При самом пессимистическом варианте суточная производительность БГУ составит 6 200 м3. В табл. 1 при 40 т суточного помета выработка биогаза составляет 5 200 м3, которая рассчитана для большей влажности помета. Возьмем за основу расчета 5 200 м3/сутки биогаза. Теплотворная способность биогаза в соответствии с [2] 22,5 МДж/м3 или может выработаться 117 000 МДж тепла с суточной произ-

водительностью БГУ. Если 1 кДж=0,23884588888889 ккал, то 117 000 000 кДж=27 944 969,00000013 ккал или 27,94 Гкал тепла. За отопительный сезон в 268 дней в Нерюнгри БГУ выработается 7 488 Гкал тепла из необходимого 901,39 Гкал для собственного потребления и 21 870,9 Гкал для бройлерных цехов.

По технологии содержания бройлеров требуется температура внутреннего воздуха, равная +32 °С, и обмен воздуха, равный 5 м3/ч на 1 кг живой массы птицы в летнее время [7]. Соответственно, отопление требуется и в летний период. Нерюнгринская ГРЭС летом имеет 3-4-недельный технологический перерыв на профилактические работы. Летом в отсутствие тепла от внешнего поставщика БГУ станет единственным поставщиком тепла.

Предлагается следующий расчет экономической эффективности БГУ на помете:

(7 488 Гкал-901,39 Гкал) 949 руб. /Гкал = 6 250 692,89 руб. экономии получит птицефабрика в год от замены теплоносителя от Нерюнгринской ГРЭС на тепло от собственного БГУ. При этом вычитаются затраты на электроэнергию [5] 28 кВт-ч х 3,6266 руб. /кВт-ч х 4 часа х 365 дней = 148 255,41 руб. и ФОТ на 1 слесаря 10 000 руб. месячная зарплата х 1,13 с подоходным налогом х 1,128 с начислением ЕСН и соцстраха х 12 месяцев = 152 956,8 руб. Чистый доход 6 250 692,89 -148 255,41-152 956,8= 5 949 480,68 руб.

При этом экономический эффект от реализации биоудобрений не рассчитывается из-за отсутствия земледелия в Нерюнгринском районе.

Сметная стоимость установки (см. стр. 2 табл. 4 [1]) 880 000 евро или по курсу 43 руб. за 1 евро составит 37 840 000 руб. Окупаемость проекта составит 6,4 года.

Как видно из расчетов, БГУ на промышленном содержании сельскохозяйственных животных, даже при отсутствии доходов от реализации удобрений,

Таблица 4

Прайс-лист на биогазовые станции на помете [4]

Производительность по сырью, т/сутки Стоимость, евро*

Проектная документация Шеф-монтаж оборудования, пуско-наладка, обучение Оборудование Строительство**

20 40 000 20 000 290 000 225 000

40 65 000 20 000 450 000 345 000

60 85 000 20 000 550 000 410 000

80 105 000 20 000 630 000 490 000

100 125 000 20 000 750 000 580 000

200 150 000 20 000 1 470 000 1 150 000

400 160 000 20 000 2 820 000 2 300 000

* Оплата по курсу в национальной валюте.

** Строительная часть (бетонные емкости) при желании выполняется заказчиком самостоятельно по документации исполнителя по себестоимости.

является окупаемым. При этом в проекте должна быть заложена автоматизация управления процессами гидролиза и ферментации субстрата. Как известно из практики, резкие перепады температуры в емкостях гидролиза и ферментации могут привести к гибели микробов метантенков. Проект БГУ в Не-рюнгри предполагает строительство объектов БГУ в грунте. В других районах республики необходимо строить БГУ на сваях, что увеличит сметную стоимость и срок окупаемости проекта. В регионе проект привлекателен тем, что сводится к простой замене топлива без излишнего передела биогаза, получаемого из отходов. А утилизация отходов сельскохозяйственных животных в зоне вечномерзлых грунтов с экологической точки зрения особенно актуальна.

Таким образом, в изложенных расчетах обоснована экономическая эффективность внедрения в северных регионах крупных БГУ с выходом биогаза от 2 000 м3 и более в сутки для замещения отдельных котельных, отапливающих 1 000 м2 и более жилых помещений. При меньших объемах окупаемость проектов БГУ составит более 10 лет, как в первом проекте.

В проекте было предложено сепарирование отработанного субстрата от жидкости. Сепарирование или отжим отработанного субстрата дает возможность внесения твердых органических удобрений в почву в весенне-летний и осенний периоды. В зоне вечномерзлых грунтов прямое внесение навозной жижи на поля ведет к выносу навозной жижи талыми водами в водоемы и реки, что наносит больше вреда, чем пользы.

Расчеты по первому БГУ показали, что экономический эффект от реализации удобрения в 3 раза превышает эффект от замены топлива на биогаз. Надо также заметить, что при переработке навоза свиного и КРС в технологической линии отсутствуют отдельные емкости гидролиза, а приемные емкости БГУ можно совместить с жижесборником свиноферм и скотопомещений. Далее, в навозе последних ферментация проходит практически в два раза быстрее, чем в помете, и объем ферментатора соответственно в два раза меньше, что в свою очередь приведет к сокращению объемов

первоначальных вложений. Расчеты по второму БГУ показали, что установка в условиях Нерюнгри для собственного отопления расходует 12 % выработанного биогаза и что при этом в условиях Севера никак нельзя рассчитывать на полное замещение традиционного отопления на биогазовое.

Дальнейшие экономические и технологические исследования в данном направлении, на наш взгляд, должны быть связаны с сертификацией твердых остатков после переработки отходов на каждом виде БГУ и решением вопроса их реализации, что, в свою очередь, соответственно повысит экономическую эффективность строительства биогазовых установок.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аксютин И. А. Биогазовые установки для переработки птичьего помета. URL:http:www. zorgbiogas.ru.

2. Веденев А, Веденева Т. Биогазовые технологии в Кыргызской Республике. ОФ «Флюид» — Б. Типография «Евро». 2006. 90 с.

3. Нормирование расхода тепла и топлива на отопление и горячее водоснабжение зданий в ЯАССР. / Под ред. Т. Д. Сивцева. Якутск. 1987. 112 с.

4. Постановление ГКЦ-РЭК РС (Я) от 05.11. 2008 № 71/41 «Об установлении тарифов на тепловую энергию, вырабатываемую Нерюн-гринской ГРЭС ОАО «ДГК», для потребителей Республики Саха (Якутия) на 2009 год». URL: http://rek.sakhanet.ru.

5. Постановление ГКЦ-РЭК РС (Я) от 29.11.2008 № 15/8 «Об установлении платы за услугу по передаче электрической энергии, применяемой для расчетов между ОАО АК «Якутскэнер-го» и ОАО «Нерюнгринские электрические сети» г. Нерюнгри в 2008 г.».

6. Прайс-листы ЗАО «ВостокТехТорг» на 09.02.2009 и ООО «Элеком» на 12.03.2009.

7. Промышленное птицеводство. / Под ред. В. И. Фисинина. Изд. 4-е. ВНИТИП. 2005. 596 с.