Изменение климата, рост потребления энергии, повышение цен на горючие ископаемые и большие опасения во многих промышленно развитых странах, что нефть и газ могут все больше использоваться как политическое средство воздействия на них со стороны стран-поставщиков, явились толчком к широ­кому распространению применения возобновляемых источников энергии во всем мире.

Весьма серьезные задачи стоят перед правительствами Германии и многих других европейских государств: из возобновляемых источников должно быть получено 10% энергии в краткосрочной перспективе и 20% - в долгосрочной.

Фермеры Европы возлагают большие надежды на биоэнергетику. Сельскохозяйственная и биоэнергетическая техника неразрывно связаны друг с другом, так как биомасса является одним из главных источников энергии и продуктов питания. Производители продуктов питания и энергии конкурируют в борьбе за ограниченный ресурс - землю. Из-за ограниченности земельных ресурсов происходит постоянное совершенствование технологий и оборудо­вания для эффективного использования биомассы, направленное на значи­тельное увеличение удельной выработки энергии из нее.

Состояние развития технологий и оборудования для эффективного исполь­зования биомассы было продемонстрировано в Центре биоэнергетики — раз­дел выставки «Агритехника-2007» в г. Ганновере. В 2007 г. количество экспо­нентов в данном разделе по сравнению с прошлым годом выросло на 40% и составило 350 фирм, что сделало выставку крупнейшим в мире мероприятием в области биоэнергетики. Не случайно число экспонентов в этой отрасли на вы­ставке «Агритехника-2007» было существенно выше, чем на BioEnergy-Europe - 2006 в рамках выставки «EuroTier-2006».

На выставке были представлены как новейшие технические разработки для экологичного и эффективного производства энергоносителей: от древесины, старейшего энергоносителя человечества до энергетических культур (кукуру­за, сорго, мискантус, сахарная свекла и др.), так и новейшие технологии и обо­рудование для производства биоэтанола, биодизеля, биогаза, пеллет и щепы.

Наибольшее место в Центре биоэнергетики заняли экспозиции фирм, за­нимающихся производством биогаза, который по сравнению с остальными способами получения «чистой энергии» обладает рядом преимуществ. Для ферментации в биогазовых установках можно использовать все растение це­ликом, а не только семена, т.е. «...выход энергии с 1 га в 3 раза выше, чем при производстве биодизеля». Соответственно требуется в 3 раза меньше пло­щади, а отходы брожения можно вносить как удобрение. Биогазовая отрасль развивается в Германии давно и весьма успешно, а в последние 2,5 года пере­жила невиданный ранее подъем.

2006 г. был самым успешным в развитии биогазовой технологии. Общая мощность новых биогазовых установок в Германии составила около 550 МВт. Ежегодный объем производства на них электроэнергии составит около 3,9 млрд. кВт/ч. В 2006 г. в Германии примерно 3500 биогазовых установок про­извели в сумме более 5 млрд. кВт/ч электроэнергии. Роль биогаза для разви­тия «многоукладного» энергетического хозяйства в этой стране становится все значительнее.

В 2007 г. отрасль продолжила дальнейшее поступательное развитие. Увеличение товарооборота составило, включая экспорт, в среднем 30%. В 2007-2008 гг., когда сооружения, построенные в 2006 г. с запуском биологи­ческого процесса, достигнут проектной мощности, ожидается производство более 10 млрд. кВт/ч электроэнергии из биогаза.

На выставке было представлено около 50 компаний, занимающихся проек­тированием и изготовлением оборудования, эксплуатацией и обслуживанием биогазовых установок. Среди наиболее известных можно назвать «EnviTec», «MT-Energie», «SchmackBiogasAG», «LippGmbH», «VogelsangMaschinenbauGmbH», «AufwindSchmackGmbH», «AgriKompGmbH», «Cowatec», «LehmannGmbH», «LimnoTec» и др. Появилось множество инновационных технических разработок в области строительства и эксплуатации биогазовых установок. Следует отметить, что сегодня почти каждый проект биогазовой установки включает в себя развернутую концепцию использования тепла. Такое повы­шение эффективности обеспечивает экологические и экономические преиму­щества, которые дают отрасли новый импульс. Помимо вариантов с исполь­зованием сушильных установок проекты предусматривают подвод тепла к со­седним зданиям.

Фирма «LimnoTec» (Германия) представила установку для обработки сточных вод на предприятии «GemuseMeyer» с использованием процесса FAR-SBR— инновационной формы работы биогазовой установки (FAR-реактор обогащения сбраживаемого материала).

Для многих установок по выработке биогаза из сельскохозяйственных от­ходов и особенно из возобновляемого первичного сырья требуется сравни­тельное большой период времени выдержки для достижения почти полного разложения поступившего в них субстрата. Ферментеры работают по принци­пу реакторов со смешанными потоками. Они часто разрабатываются с использованием времени выдержки гидравлически отрабатываемой среды. Время выдержки для обеспечения разложения загруженного субстрата практиче­ски идентично времени выдержки гидравлически обрабатываемой среды. Скорость разложения веществ в таких ферментерах часто недостаточная, что заметно по большой концентрации летучих органических жирных кислот, по­ступающих в сборный резервуар для органических веществ. Причины этого — частично неконтролируемая скорость поступления материала, неполное его перемешивание, неконтролируемые потери биомассы и неблагоприятные в отношении технологического процесса смены режимов работы.

В этих случаях преимущество имеет процесс FAR-SBR, т.е. включение в тех­нологическую цепочку реакторов обогащения сбраживаемого материала. Порционное поступление материала в ферментер происходит с участков пред­варительного хранения и дозирования твердых фракций. Сразу после загруз­ки вырабатывается максимальный объем биогаза, после чего количество его равномерно снижается (рис. 2.1).

Загрузка реактора FAR происходит в переходной фазе, и только после это­го осуществляется следующая загрузка (следующий цикл) ферментера. В этом цикле в FAR происходят сепарация в верхнем слое «тонкой» фракции и обра­зование осадка высококонцентрированной фракции. Обе эти фракции можно распределять либо в ферментер и резервуар для дображивания или в сбор­ный резервуар для сброженного органического вещества. В результате проис­ходят концентрация биомассы в ферментере и более стабильная выработка большого объема биогаза лучшего качества (с более высоким содержанием метана). Кроме того, в сборный резервуар для сброженных органических ве­ществ поступают полностью разложившиеся органические вещества с очень низкой концентрацией растительных остатков. Выделения запахов сведены к минимуму.

Для сравнения на рис. 2.2 представлено содержание органического сухого вещества в отдельных резервуарах. В сборном резервуаре для сброженных ор­ганических веществ концентрация органического сухого вещества ниже вслед­ствие того, что биомасса распределилась между ферментером и резервуаром дображивания. В результате благодаря значительному увеличению времени выдержки увеличивается скорость брожения.

Рис. 2.2 Содержание сухого органического вещества в отдельных резервуарах выработки биогаза в реакторах обычного типа и с участием реактора FAR 

Предприятие «GemuseMeyer» инвестировало 4 млн евро на установку по обработке технологической воды с участием FAR(рис. 2.3).

В настоящее время на предприятии ежегодно перерабатывется 60 тыс. т сырья, в основном овощей с кожурой и картофеля. Непрерывное увеличение количества перерабатываемой продукции ведет к ежегодному увеличению расхода воды с высоким уровнем загрязнения ее органическими раститель­ными остатками в виде кожуры. Поэтому принятие решения по очистке за­грязненной органическими веществами технологической воды и возвращение ее в процесс рециркуляции, с одной стороны, и использование выделенных органических веществ для выработки энергии (метан) с использованием анаэ­робного брожения, с другой - дало эффект с экологической и экономической точек зрения.

Рис. 2.3. Установка по обработке технологической воды с участием реактора FAR

Фирма «FarmbauFertigungssystemeGmbH» (Германия) предста­вила биогазовые установки ново­го поколения серии FB. BiolinerPlus с электрической мощностью от 500 до 1500 кВт (табл. 2.1).

Установки серии FB BiolinerPlus представляют собой замкнутую систему, которая пригодна и для эксплуа­тации в водоохранных зонах. В состав установки входят как вспомогательные участки, так и рабочие зоны, на которых располагаются пути подъезда к про­езжему наземному силосохранилищу, состоящему из двух боксов, ферментер с мешковидной оболочкой для газа, склад для хранения конечных субстратов, плита для загрузки, яма для предварительного приема и смешивания биомас­сы и других необходимых компонентов, насосы, трубопроводы, блочная ТЭЦ, транспортировочная подстанция.

Новизна этих установок состоит в том, что площади, занимаемые ими, уменьшены на 30%, время строительства сокращено на 50%, кроме того, они пригодны для водоохранных зон.

Эта же фирма предложила биогазовые установки серии FB BiolinerG малой мощности (рис. 2.4, табл. 2.2).

Рис. 2.4 Биогазовая установка серии FB Bioliner plus 

Это компактные установки, идеально приспособленные для использования навозной жижи, имеют модульное исполнение из предварительно собран­ных укрупненных узлов. Например, система отопле­ния, встроенная в стены ем­кости (ферментера), или на­сосное оборудование, уста­новленное в контейнерах, гарантируют безупречную сборку и высококачествен­ное функционирование установки. Отпадает необходимость в загрузочном оборудовании, поскольку био­масса непосредственно сгру­жается в яму предварительной обработки сырья, где она сме­шивается с навозной жижей и подается насосным агрегатом в ферментер. 

Рис. 2.5 Схематичное изображение биогазовой установки серии FB BiolinerG малой мощности

Фирма «EnviTecBiogasAG» (Германия) предлагает полный комплекс работ по проектиро­ванию, строительству, техни­ческому, технологическому и лабораторному сопровожде­нию биогазовых установок с использованием новых технологий (ноу-хау) и оборудования. На рис. 2.6 представлена схема компоновки оборудования для производства биогаза, которая имеет очевидные преимущества:  

• получение возобновляемой энергии и прибыли за счет законных комиссионных за подачу электроэнергии в коммунальную сеть;

• используется тепло, которое аккумулируется при выработке электриче­ства, для обогрева дома, производственных помещений, подачи в поселковую сеть или других целей;

• уменьшается количество органических отходов за счет превращения их в высококачественное жидкое удобрение и ценный компост.

В смесителях с погружным мотором традиционной конструкции существу­ет опасность проникновения подвергаемого ферментации субстрата в коробку передач через изоляцию вала. Часто это является причиной повреждений дорогостоящей зубчатой передачи. Система защиты зубчатой передачи МТ-Energie гарантирует высокую безопасность эксплуатации смесителя и неболь­шие затраты на ремонт и техническое обслуживание.

Для эффективного управления биогазовой установкой необходимы данные о содержании сухого вещества в субстрате, его температуре в ферментере дозе суточной загрузки, количестве и составе производимого биогаза и др. Для получения таких сведений установки оснащаются контрольно-измерительной аппаратурой, раз­личные виды которых были пред­ставлены на выставке.

Рис. 2.9 Контролер биогаза BC20 

Рис. 2.10 Измерительный блок smartALERT

Фирма «СНЕМЕС GmbH» (Гер­мания) представила контролер ВС20, предназначенный для изме­рения содержания СН₄ (метана), С0₂ (двуокиси углерода), 0₂ (кисло­рода) и H₂S(сероводорода) в био­газе (рис. 2.9).

Контролер ВС20 определяет со­держание метана, двуокиси угле­рода и кислорода через каждые 5 мин и сохраняет данные послед­них 500 измерений. Графический дисплей позволяет оператору рас­познавать продолжительные по времени изменения. Аналоговые и цифровые интерфейсы (устрой­ства сопряжения) сообщаются с контроллером с программируемой логикой и персональным компью­тером. Бесплатное программное обеспечение документирует дан­ные на персональном компьютере.

Фирма представила иннова­ционную систему предупреди­тельной сигнализации по газу. Измерительный блок smartALERT является системой предупреди­тельной сигнализации, работаю­щей по принципу поглощения ин­фракрасного излучения (рис. 2.10).

Он разрабатывался в соответствии с нормами промышленного стандарта ФРГ DINEN50194 (VDE, часть 30-1). Эта система способна обнаруживать уже самые незначительные количества метана и двуокиси углерода и приводить в действие предохранительные устройства или центральные посты сигнали­зации.

Подача сигнала тревоги подразделяется на предварительную тревожную сигнализацию и основную тревожную. Предварительная тревожная сигнали­зация в случае обнаружения утечек СН₄ запускается начиная с концентрации 10% от нижней границы опасности взрыва. В этом случае осуществляется опти­ческое и акустическое предупреждение. Начиная с 20% от нижней границы опасности взрыва, прибор включает основную тревожную сигнализацию.

Устройство автоматического контроля утечек газа распознает блокировку входа по газу. Акустическое устройство речевой информации сообщает о воз­никшей опасной ситуации и дает советы по осуществлению соответствующих контрмер.

Однако в области биогазовых технологий в Европе ощущаются некоторые проблемы. Драматичный рост цен на зерно летом 2007 г. привел к тому, что инвестиции в строительство новых установок были прекращены, небольшие проекты по введению в строй новых мощностей повсеместно свернуты, те­кущее строительство даже при идеальном местоположении производства законсервировано. Поэтому западноевропейские компании рассматривают возможность развития бизнеса за рубежом, особенно в Восточной Европе. Сейчас многое зависит от правильности политических решений, и ближайшие месяцы покажут, способна ли биогазовая промышленность Германии преодо­леть трудности. По оценкам специалистов, при наличии политической воли к 2020 г. Европа сможет полностью удовлетворить потребность в природном газе за счет производства биогаза.

Большое внимание на выставке было уделено вопросам производства рап­сового масла и биодизеля.

Как по статистическим данным, так и по презентациям фирм стало ясно, что в Европе пока преобладают небольшие установки для отжима рапсового масла. В Германии, например, за последние три года в этот сектор экономики было вложено от 60 до 70 млн евро, а число таких установок выросло по всей стране с 98 до 300, они способны обработать от 0,5 до 0,6 млн т семян.

На выставке была представлена вся линейка прессов для отжима расти­тельных масел фирмы «StrahleGmbH» (Германия) пропускной способностью по рапсу от 60 до 500 кг/ч (SK60/1, SK-150/3, SK-250/1 и др.). Фирма «Screw-pressGmbH» (Германия) представила маслоотжимные прессы производитель­ностью от 8 до 140 кг/ч масла (КК 8/2, КК 20/4, КК 40/2, КК 140F), а также камер­ные фильтр-прессы (KKF350/10-2, KKF470/10-3 и др.).

В Германии рапсовое масло используется в чистом виде как топливо или как сырье для производства биодизеля. При соблюдении технологии такое масло по своим физико-химическим параметрам не уступает традиционно­му дизельному топливу, а содержание в нем серы не превышает 0,01 г/кг. В процессе прессования в масле не должны образовываться вредные вещества, отрицательно влияющие на работу дизельного двигателя или отопительного котла. С 2006 г. идет процесс стандартизации качества. В настоящее время соз­даны предварительные стандарты и очень серьезно поставлен вопрос гаран­тии качества, чтобы покупатель такого топлива был максимально защищен. По мнению специалистов, стандарт DINV 51605 должен действовать для топлива из рапсового масла и быть основой сравнительных испытаний по выбросам сажи. Уже сейчас ясно, что нормы по сажеобразующим компонентам (каль­цию, магнию и др.), а также фосфору подлежат дальнейшему снижению. Это обстоятельство учитывают в своей работе изготовители техники. Ожидается, что и небольшие установки по отжиму масла должны полностью соответство­вать ужесточающимся требованиям. При этом выход масла, предположитель­но, может сократиться. Производители работают над совершенствованием процесса измельчения и прессования сырья.

Биодизель в Германии применяется в чистом виде и как 5%-ная добавка к дизтопливу. В 2006 г. в Германии было использовано 2,8 млн. т биодизеля. В 2007 г. объем его производства составил 5 млн. т. Однако, как объяснили специалисты на выставке, повышение энергетического налога на биодизель, растущая стоимость сырья и сравнительно низкие цены на минеральное ди­зельное топливо в последнее время привели в ФРГ к ощутимому сокращению рынка сбыта. Рынок биодизеля как добавки к топливу находился и под давле­нием цен импортеров. Поэтому производство было частично приостановлено, мощности законсервированы, а запланированные инвестиции не состоялись. Чистый биодизель привлекает большинство конечных потребителей, когда по­является ощутимое преимущество в цене при сохранении расхода топлива и интервалов технического обслуживания двигателей.

Проблематичными при сгорании биодизеля по сравнению с обычным дизтопливом являются повышенные выбросы оксида азота. Кроме того, отсут­ствуют данные по влиянию биодизеля на функционирование систем очистки отработавших газов в присутствии катализаторов SCR и фильтрующих элемен­тов. Над этими проблемами в настоящее время работают конструкторы фирм-разработчиков техники.

Выставка «Агротехника-2007» дала полное представление о современных технических возможностях использования соломы, древесины и зерновых культур в качестве биотоплива.

Деревья быстрорастущих пород, отходы деревообработки, низкосортную древесину целесообразно превращать в гранулы и использовать для после­дующего производства тепла. Наименьшую экологическую нагрузку на окру­жающую среду обеспечивает хорошо высушенная древесина. Ее энергетическая ценность составляет 4,1-4,5 кВт-ч/кг. Было показано множество вариантов использования древесного топлива.

Второе место по распространенности занимает солома зерновых. Несмотря на то, что солома и зерновые имеются в больших количествах, к их использо­ванию в качестве топлива предъявляются жесткие экологические требования. Образование шлаков, выбросы пыли и азота, коррозионная нагрузка из-за присутствия хлора, образование диоксинов и фуранов могут свести на нет все их преимущества. Энергетическая ценность соломы зерновых равна 4 кВт-ч/кг. Требуется примерно 2,5 кг соломы, чтобы заменить 1 л жидкого топлива. При сжигании соломы в Германии применяется множество технических изобрете­ний, позволяющих соблюсти требования по выбросам вредных веществ и эко­логическим нормам.

До настоящего времени сельскохозяйственные предприятия не рассматри­вали солому зерновых в качестве топлива, теперь же цены на энергоносите­ли достигли такого уровня, что применение специальной топки для сжигания соломы может стать интересным. Благодаря однородному составу и хорошей текучести пеллеты из соломы можно использовать в топках с автоматической подачей сырья. Спрессованная в пеллеты солома горит не столь импульсивно, как простая солома — тепло отдается дальше и равномернее. Пеллеты из со­ломы имеют высокую плотность и очень низкую влажность, энергетическая ценность их составляет 5 кВт-ч/кг.

Наличие жестких требований к качеству пищевого зерна часто приводит к тому, что большие партии зерна выбраковываются. Использование такого зер­на для получения тепла может оказаться очень выгодным. Зерно представляет собой рыхлую однородную массу, которую можно также дозированно пода­вать в топку, как древесные гранулы.

При существовавших в августе-сентябре 2007 г. ценах на зерно спрос на него существенно возрос. В качестве альтернативы зерновым можно предложить мискантус. В 2008 г. в природоохранное законодательство Германии будут вне­сены поправки, определяющие условия использования зерновых культур для производства тепла.

«Агритехника-2007» показала, что в настоящее время нужны все экономи­чески и экологически целесообразные источники энергии — без возобновляе­мых источников энергии уже не обойтись. Сегодня — в особенности у немец­ких фирм — существует большое количество соответствующих технологиче­ских решений.

Наиболее быстро развивается применение жидкого биотоплива и биогаза, но в последнее время в связи с некоторыми политическими решениями ев­ропейских стран и повышением мировых цен на зерно темпы этого развития несколько уменьшились. Надежды на оживление отрасли связываются с инве­стициями в странах Восточной Европы.