Биогазовая энергетика: опыт Китая

Китай на сегодняшний день является мировым лидером по внедрению технологии производства биогаза. Суммарный выпуск биогаза в стране составляет 14 млрд м3/год. При этом Китай экспортирует как сам биогаз, так и двигатели на основе этого топлива более чем в 20 стран мира. По мнению экспертов, при сохранении текущих темпов роста биогазовой индустрии (а это практически ежегодное удвоение рынка) Китай выйдет в мировые лидеры по производству биогаза уже к 2020 году.

Китай – единственная страна в мире, где биогаз используется с древних времен. Данные о первых биогазовых установках в Китае относятся к началу XVI века до нашей эры. В конце XIX века множество маленьких биогазовых установок работало в прибрежных регионах Китая. Одной из первых биогазовых компаний в мире стала фирма Santou Guorui Biogas Lamp Company, основанная Луо Гуори в 1920 году. В 1935 году компанией была выпущена первая монография о биогазе, которая стала также первым трудом в мире, посвященным биогазу и строительству биогазовых установок. В 40-х годах XX века их начинают строить зажиточные китайские семьи.

Первые попытки развития биогазовой энергетики Китай сделал еще в 1958 г., когда появилась программа комплексного использования биогаза для утилизации навоза и улучшения санитарных условий на селе.

Однако первые серьезные шаги китайского правительства, осознавшего выгоды от использования этого ресурса как механизма модернизации сельского хозяйства, были сделаны в середине 1970-х гг. Именно тогда в сельских районах Поднебесной стали появляться установки переработки канализационных стоков, получившие название «китайский купол».

По мнению историков, такую конструкцию использовали в Китае еще тысячу лет назад. Хотя правильнее было бы назвать ее «подземной биогазовой установкой для теплого грунта».

Сегодня такие бытовые установки объемом 6-8 кубометров производят биогаз, обеспечивающий 80% потребностей семьи из четырех человек (имеется в виду приготовление пищи). Большинство установок очень просты и после определенного обучения фермеры строят и эксплуатируют установки самостоятельно.

К 2005 году таких биогазовых реакторов в Китае насчитывалось более 10 млн, ежегодно они производили около 7,3 млрд м³ биогаза. «Китайский купол» экономичен и довольно дешев при изготовлении. Его конструкция примечательна тем, что в ней нет никаких движущихся деталей, а сырье движется по ней самотеком. Конструкция состоит из входной трубы, герметичной ямы-реактора, выходной трубы для биогаза, выходной трубы для шлама и буферного накопителя шлама.

К верхнему отверстию входной трубы стекается по канавкам сырье. Обычно применяется жидкий навоз, стекающий из расположенного рядом стойла для содержания домашних животных, а также из туалета. Размер (объем) реактора подбирают в соответствии с объемом ежесуточных фекальных стоков. Естественно, что высота расположения таких сборников фекалий немного больше высоты расположения горловины приемной трубы, чтобы фекалии свободно стекали в приемную трубу.

Входная труба косо опускается вниз под землю и входит в стенку реактора ниже уровня субстрата в реакторе. Получается гидравлический затвор, который пропускает внутрь реактора свежий субстрат, но не выпускает биогаз. Выходная труба выходит из противоположной стенки реактора почти от самого его днища и косо поднимается вверх. Наверху она входит снизу в емкость в форме открытого сверху параллелепипеда. Верхние края этой емкости должны быть расположены ниже горловины входной трубы. Из этой емкости проложен «аварийный» сток в более низкорасположенную лагуну или яму. Реактор в нижней части имеет цилиндрическую форму, а верх реактора выполнен в форме купола-полусферы. Из вершины купола выходит трубка для отвода биогаза.

Для получения газа годится не только жидкий навоз, но и измельченные стебли растений. Для улучшения процесса ферментизации используют бактериосодержащий субстрат — отстой мясоперерабатывающих или консервных предприятий. При первичной загрузке сначала закладывают измельченные растительные стебли слоем до 20 см, затем навоз, а сверху — бактериальный препарат и заливают воду до 1/3 объема резервуара, но крышки пока не ставят.

Биомасса должна быть нейтральной; если рН ниже 6, то необходимо добавить известковой воды. Время первичной ферментации - 1-2 дня летом и 3-5 дней зимой. Когда температура поднимется до 40-60°С, доливают воду настолько, чтобы до потолка оставалось пространство, равное примерно четвертой части высоты всей внутренней полости генератора. Эта вода и является гидрозатвором. Только после всего этого надвигают крышки, и процесс в дальнейшем проходит в герметичном пространстве. Ежедневно в установку добавляют свежее топливо и удаляют из буферной емкости отработанный шлам через загрузочно-разгрузочную трубу черпаком на длинной ручке либо специальным насосом.

Конструкция «китайского купола» не требует дефицитных материалов. На строительство наиболее распространенного 8-кубового устройства необходимо 730 кг цемента, 1,4 м³ песка и 1,5 м³ щебня (потребуется
фракция щебня 5-20).

Из бетона, приготовленного из этих материалов, сооружается вся оболочка установки: днище, стены, крышки. Изнутри ее дважды штукатурят раствором цемента, затем наносят слой песчано-цементной штукатурки. Когда она высохнет, стенки резервуара изнутри нагревают паяльной лампой примерно до 65-70°С и покрывают горячей мастикой. Ее готовят так: берут воск или парафин и растворяют в машинном масле. Затем вновь нагревают штукатурку, чтобы мастика лучше пропитала стенки. Обычно установки сооружают под землей, причем ниже уровня промерзания почвы. Чтобы конструкция была герметичной, крышки должны быть плотно подогнанными. Если выдержаны все требования технологии при строительстве и эксплуатации, то такие установки могут служить десятки лет. Но работать они будут только в теплом климате. Даже если сделать стенки такого реактора в виде термоса, чтобы теплоизолировать их от окружающего грунта, не получится полностью исключить отток тепла в холодное время года. При падении температуры внутри реактора ниже 200 ^оC выделение биогаза практически прекратится.

Также у этой конструкции есть недостаток – на дне реактора постепенно скапливается песок и прочие тяжелые осадки. Поэтому время от времени такой реактор надо вскрывать и чистить. Во-первых, это усложняет конструкцию реактора, а во-вторых, сама процедура чистки – весьма грязная и трудоемкая.

По мнению экспертов, причиной китайского феномена является сбалансированная система государственной поддержки. Начиная с 2003 года в стране действовала семилетняя «Национальная программа развития сельской биогазовой энергетики» - масштабный проект, призванный увеличить число семей, использующих биогаз.

Но этот проект далеко не единственный – развитие биогазовой энергетики обозначено как национальный приоритет в таких законодательных актах, как «Одиннадцатый пятилетний план социально-экономического развития страны», в Среднесрочной и Долгосрочной программах развития возобновляемой энергетики, Плане развития сельскохозяйственной биоэнергетики.

Они направлены в первую очередь на реформирование традиционного уклада, создание дополнительной инфраструктуры и сглаживание диспропорций в уровне социально-экономического развития между селом и городом. Биогазовая программа – своего рода «зеленая революция» по-китайски. Например, овощи, выращенные без использования химических удобрений (которые заменяются отходами от производства биогаза), стоят в среднем на 30% дороже, как экологически чистые.

Еще в 70-е годы китайское правительство определило биогаз как наиболее эффективный и рациональный вариант использования ресурсов в сельской местности и обеспечило поддержкой фермеров. Поддержка правительства дала толчок и обеспечила бурный рост биогазовой отрасли в Китае. Начиная с 70-х годов около 80% автобусного парка в сельской местности и порядка 60% национального парка работают, используя биогаз.

Некоторые биогазовые технологии, а также производство двухтопливных и биогазовых двигателей было засекречено в Китае до конца 80-х годов прошлого века. До сегодняшнего дня китайская купольная система биогазовой установки является стандартом во многих странах мира. Сегодня более 31 млн китайских семей уже установили биогазовые установки в своих домах, и эта цифра продолжает стремительно расти, увеличиваясь ежегодно на несколько миллионов.

Кроме малых фермерских установок, в Китае работают 40 тыс. больших и средних биогазовых станций и 24 тыс. биогазовых очистительных реакторов для обработки городских бытовых отходов. Только в 2010 г. было построено 4000 крупных биогазовых станций, функционирующих на основе отходов животноводческих ферм. В конце 2010 года в Китае, согласно статистике Министерства сельского хозяйства Китая, энергия из биогаза поступала на 40 млн ферм, что составляет 33% от всех существующих китайских фермерских хозяйств.

За счет биогаза Китай обеспечивает около 30% своих потребностей в энергоносителях. Это позволяет Китаю сэкономить до 10 млн тонн нефти или любого другого топлива. Страна планирует к 2020 году обеспечить биогазом в сельской местности 300 млн человек.

Китайские власти всерьез рассчитывают на биогаз как на существенный источник электроэнергии для сельских районов. Согласно правительственному плану развития сельских и промышленных биогазовых станций в Китае планируется ежегодное увеличение числа биогазовых установок на 15%.

Так, если к окончанию семилетнего плана суммарная мощность установок когенерации составила 5,5 ГВт, то к 2030 году она должна увеличиться до 30 ГВт, то есть в 6 раз, что позволит полностью обеспечить деревенских жителей электроэнергией и теплом собственного производства. Ожидания китайских властей подкрепляются постоянно растущими инвестициями в отрасль.

За 11 пятилетку центральное правительство Китая потратило на развитие производства биогаза в сельских местностях 21,2 млрд юаней (около 20 млн евро). Китайские фермеры заработали на производстве и использовании биогаза за это же время 8,8 млрд юаней (8-9 млн евро).

Государственные инвестиции, исчисляющиеся миллиардами евро позволили быстро развить производство биогаза в сельской местности Китая, увеличив число потребителей энергии из данного вида биотоплива.

Так, в 2010 году китайское правительство в рамках целевого бюджетного ассигнования инвестировало 800 миллионов юаней. На эти средства закуплено 200 тысяч биогазовых установок для обеспечения биогазом миллиона крестьян Тибета.

Развитие данной промышленности улучшило инвестиционный климат в регионах, системы управления и функционирования биогазовых станций.

Сегодня биогаз используется как в школах, детских садах и других социальных объектах, как и на фермах и частных домах.

Министерство сельского хозяйства КНР, которое реализует программу, комплексно подошло к решению поставленных задач – наряду с непосредственным со оружением объектов, проводится масштабная работа по подготовке кадров и проведению НИОКР, на которые китайский бюджет тратит более 100 млн долл. ежегодно. Система поддержки направлена на проекты разных масштабов – от небольших бытовых установок до крупных комплексов на предприятиях пищевой промышленности. Крупнейшей госкомпанией КНР, специализирующейся на комплексном развитии биоэнергии, является Национальная биоэнергетическая компания Китая (NBE). В штате компании трудятся более 3 млн человек.

С 2002 года правительство Китая выделяет ежегодно около 200 миллионов долларов на поддержку строительства биогазовых установок. Дотация на каждую установку равняется 50% средней стоимости.

Так, китайское правительство предоставляет единовременные гранты в размере 1500 юаней (около 250 долларов) на покупку и монтаж отечественного биогазового оборудования. Таким образом, срок окупаемости такого проекта для фермера составляет всего 2 года. Китайский опыт показал, что развитие биогазовой промышленности – не только важный энергетический проект, но и способ реформирования сельского хозяйства и развития сельской инфраструктуры.

 

Источник -  журнал  «Ресурсосберегающее земледелие», № 2(14). – 2012. – С. 31-35