Резюме
Цель Второй программы измерения параметров по производству биогаза в Германии (BMP II) заключалась в оценке мощности, принципа работы и эксплуатационной надежности различных систем производства биогаза на основе репрезентативного числа расположенных в Германии биогазовых установок, работающих исключительно с биомассой (установки, работающие с возобновляемым органическим сырьем). На протяжении всего периода исследования, составляющего один год, в отношении установок были определены все важные технические, сырьевые и экономические параметры, которые позволили дать оценку установкам также и относительно изменившихся рамочных условий ввиду принятия новых поправок к Закону о возобновляемых источниках энергии (EEG).
На основании всегерманского опроса 413 биогазовых установок, который позволил получить рамочные данные по технической части и применяемым субстратам, были отобраны 63 репрезентативные биогазовые установки, отличающиеся различивши техническими характеристиками и принципами работы. Вследствие технических проблем по двум установкам из этой выборки заключительная оценка не была предоставлена. В ходе одногодичного периода исследования в отношении каждой установки были собраны регистрируемые в производственном журнале данные по еженедельным объемам загрузки субстрата, выработке газа и электроэнергии. Кроме того ежемесячно проводились анализы для определения структурных свойств используемых субстратных смесей, а также материала ферментера и остатка брожения. В заключение аттестации были собраны экономические данные на основе расчетов, договоров и опросов организаций, которые занимаются эксплуатацией биогазовых установок.
Результаты общегерманского сбора данных с участием 413 биогазовых установок наглядно демонстрируют, что при выработке биогаза использование возобновляемого сырья, средняя доля которого в субстратной смеси составляет 63 %, достигло очень большого значения. Кукурузный силос используется на более чем 94 % всех биогазовых установок и является, таким образом, главным субстратом с массовой долей, равной 48 %. В общегерманском сравнении доминируют небольшие установки, работающие в диапазоне мощности на уровне 250 кВтэя, со средним объемом ферментера в 3000 м3. В 70 % случаев на установках реализуется многоступенчатый
технологический процесс, причем чаще всего — в мезофилъ — ном температурном режиме.
В репрезентативной группе биогазовых установок, которые участвовали в данном исследовании, 67 % установок являются многоступенчатыми. 82% установок отличаются ме — зофилъным режимом рабочих температур. Только 10 % установок работают исключительно в термофильном режиме. В рамках данной исследовательской программы биогазовые установки подразделялись на установки влажной ферментации и т. н. установки сухой ферментации, которые получают технологический бонус (в соответствии с законом EEG от 2004 г.) за применение субстрата с высоким содержанием СВ. При этом речь идет как о гаражных установках периодического действия, так и об установках с непрерывным технологическим процессом.
Рабочий объем в рассматриваемой 61 биогазовой установки находится в пределах от 410 до 8100 м3, а установленная электрическая мощность лежит в диапазоне от 46 до 2128 кВтм. Т. е. на каждый кВт установленной электрической мощности приходится величина рабочего объема ферментера, лежащая в пределах от 1,1 до 13,1 м3раб. об./кВтэл.
В соответствии с различными объемами ферментеров и субстратными смесями годовой оборот общего объема субстрата на 61 установке колеблется в диапазоне от 1000 до 36000 т/г. Доля возобновляемого сырья в общем объеме субстрата находится на уровне 67 % СМ, что наглядно свидетельствует о большом значении возобновляемого биосырья. На 98 % рассматриваемых установок в качестве сырья используется кукурузный силос, средняя массовая доля которого составляет 50 %. В соответствии с долей возобновляемого сырья значения содержания органического сухого вещества (оСВ) в субстратных смесях варьирует в пределах от 11,0 до 34,7 % СМ. В результате анаэробного брожения происходит сокращение содержания оСВ в среднем до величины, равной 6,0 %СМ.
В связи с различными способами эксплуатации показатели нагрузки ферментера на рассматриваемых установках составляют от 1,1 вплоть до 9,8 кг оСВ/(м3 раб. объема в день). При этом на фоне других установок выделяются некоторые установки сухой ферментации, имеющие очень высокие показатели нагрузки. Время гидравлического отстаивания субстрата во всей системе составляет от 29 до 289 дней, причем на
Резюме
многоступенчатых установках определяется зависимость времени отстаивания от содержания оСВ в субстратной смеси. Чем выше величина содержания оСВ в субстрате, тем дольше время его отстаивания. Одноступенчатые системы работают, как правило, со значительно более низкими величинами времени отстаивания, находящимися по большей части на уровне менее 100 дней.
Достигнутые величины выхода метана на одну тонну загруженного оСВ находятся в пределах от 224 до 464 нм3 СН4/тоСВ. В среднем величина выхода метана составляет 371 нм3 СН4/тоСВ. Независимо от зачастую ненадежной техники для измерения объема газа, средняя величина выработки электроэнергии на одну тонну загруженного оСВ составляет 1296 кВт. ч/тоСВ.
Утилизация выработанного газа со средним содержанием метана, равным 52 %, осуществляется в 45 % случаев в газожидкостных и в 55 % случаев в газовых двигателях БТЭЦ. Показатель использования установленной общей мощности БТЭЦ для выработки электроэнергии составляет в среднем 85 %; в зависимости от неполадок или слишком низкого объема выработанного газа этот показатель находится в диапазоне значений от 52 до 98 %.
Потребность биогазовых установок в электроэнергии на собственные нужды находится в среднем на уровне 7,9 % от объема выработанной электроэнергии. По отношению к загружаемому субстрату существует однозначная зависимость между удельной потребностью в электроэнергии на собственные нужды и величиной доли навозной жижи в субстратной смеси. Чем выше доля навозной жижи, тем меньше величина потребления электроэнергии на тонну загруженного субстрата.
Уже 93 % установок используют вырабатываемую тепловую энергию. Однако показатель использования теоретической мощности по выработке тепловой энергии составляет в среднем всего 23 %. Показатель использования тепловой энергии, составляющий более 50 %, отмечается всего на 9 % от всех установок.
Суммы общих инвестиций на рассматриваемых биогазовых установках находятся в пределах от 2900006 до 5,0 млн. 6, причем величина удельных капиталовложений по отношению к установленной электрической мощности установок лежит в диапазоне от 1529 до 6140€/кВтэл. Средняя доля расходов на БТЭЦ в общем объеме капиталовложений составляет 22,5 %.
Ежегодная прибыль поступает, прежде всего, от сбыта электроэнергии и, тем самым, в соответствии со ставками оплаты, установленными в законе EEC. Сбыт тепловой энергии имеет всего лишь второстепенное значение, и только на одной установке доля прибыли от продажи тепла составляет 20 % от общего объема доходов. В ежегодных затратах доминируют расходы на субстрат, доля которых составляет 42 %. Средние затраты на одну тонну субстрата составляют 326. Общеэкономическое рассмотрение биогазовых установок привело к очень разным результатам. Величина разницы между связанными с выработкой электроэнергии доходами и издержками производства электроэнергии, которая отображает размер убытка или прибыли на один выработанный кВт. ч, находилась в диапазоне значение от -10,4 до + 7,8 центов/кВт. чэл. При этом наглядно демонстрируется зависимость результата хозяйственной деятельности от показателя использования биогазовы- ми установками мощности по выработке электроэнергии. Высокая величина убытка, отмечаемая на отдельных биогазовых установках, свидетельствует о том, что в некоторых случаях все еще существует потребность в оптимизации технологического процесса в отношении оборудования и способа эксплуатации.
Анализ чувствительности показывает, что изменение стоимости субстрата оказывает большое влияние на экономическую эффективность биогазовых установок, а увеличение ставки оплаты переданной в сеть электроэнергии на 1 цент/кВт. чэя может лишь частично компенсировать увеличение расходов на субстрат в размере 25 %.
Помимо показателя использования мощности по выработке электрической энергии в рамках сравнительной оценки биогазо вьтх установок в качестве критерия эффективности производства биогаза рассматривались также величины выхода метана и удельной выработки электроэнергии. Оба параметра показывают однозначную зависимость от времени отстаивания субстрата и имеют самые низкие величины на одноступенчатых установках с высокой долей навозной жижи в сырье. Для проведения комплексной оценки также рассматривались величины потенциала остаточного газа в остатке брожения, что является важным критерием и при рассмотрении выбросов метана на биогазо вьтх установках. Только на 20 % установок есть хранилище остатков ферментирующей массы, оборудованное покрытием, а, соответственно, на 80 % установок имеющийся потенциал метана используется не в полном объеме. В результате этого на установках происходят выбросы метана, которые оказывают неблагоприятное воздействие на окружающую среду в контексте изменения климата. Это распространяется, прежде всего, на все установки, время отстаивания массы в которых составляет менее 100 дней.
В общем итоге результаты исследования показывают, что в отношении принципа работы, мощности и эксплуатационной безопасности, а также с точки зрения экономической эффективности, между установками существуют большие различия. Становится очевидным, что оплата электроэнергии по ставкам в соответствии с законом EEG не является гарантией рентабельности эксплуатации биогазовых установок. Ключ к экономическому успеху производства биогаза заключается в правильном выборе параметров и размеров установки в сочетании с оптимальным выбором субстратов, а также в достижении высоких показателей использования БТЭЦ установленной мощности по выработке электроэнергии при одновременной утилизации вырабатываемого тепла. Не в последнюю очередь важную роль играет также и квалификация предприятия, в ведении которого находится биогазовая установка.