-
Виробництво біогазу
Перспективи сировини для виробництва біогазу
В ідеалі виробництву біогазу має сприяти коректна суміш матеріалів сировини, що будуть подрібнюватись та змішуватись для забезпечення оптимального виходу метану.
На практиці робота анаеробних біореакторів також може залежати від частки харчових відходів. Це значною мірою сприяє стану довкілля; проте харчові відходи та побічні продукти промисловості у якості єдиного джерела сировини можуть викликати складнощі зі стабільністю отримання газу і, відповідно, прибутку.
Базова сировина з проміжних культур або енергетичні культури, які вирощуються на фермі в рамках сівозміни, є ідеальним рішенням для аграріїв і створюють альтернативне джерело доходу на додачу до стандартних культур, що збираються комбайном, та товарних культур.
Мал. 1. Біогаз: Характеристика відносної ферментації різних культур (Джерело даних: KWS SAAT AG)
Вихід продукції є головним фактором, який слід взяти до уваги для ефективного вирощування енергетичних культур. Ключовим є використання суміші сировини, яка забезпечує ефективний процес метанового бродіння та максимально збільшує вихід метану, враховуючи розмір, розміщення та потужність роботи заводу.
Швидкість бродіння різних видів сировини у біореакторі варіюється від двох днів до двох місяців. Матеріал, що має високий рівень цукру або крохмалю, ферментує швидше, ніж сировина, яка містить більше лігніну або целюлози (мал. 1).
Таким чином, у матеріалу на кшталт енергетичного буряка час зберігання в біореакторі буде коротшим, і він зможе дати більше газу за коротший проміжок часу у порівнянні з рослинною масою зернових культур або кукурудзою. Втім, якщо розглядати загальний вихід метану, і рослинна маса зернових культур, і кукурудза можуть бути настільки ж ефективними, як енергетичний буряк, хоч вони й виділяють газ повільніше (табл. 1.1).
Таблиця 1.1. Характеристики сировини
|
Урожайність сировини (т/га) |
Вихід зеленої маси |
Суха речовина (%) |
Конверсія виходу біогазу (м3/т) |
Метан (%) |
Вихід метану (м3/т) |
|---|---|---|---|---|---|
| Силос з енергетичної кукурудзи | 45-60 | 27-31 | 200 | 53% | 105 |
| Засилосований буряк | 70-100 | 22-24 | 180 | 55% | 99 |
| Свіжий буряк | 70-100 | 22-23 | 170 | 51% | 86 |
| Рослинна маса зернових культур* | 35-45 | 33-36 | 200 | 54% | 108 |
| Гібридне жито | 35-45 | 33-36 | 200 | 54% | 108 |
| Силос із зернових культур | 25 | 25-28 | 160 | 53% | 90 |
| Силос із соняшника | 12 | 22-26 | 105 | 57% | 60 |
| Гній великої рогатої худоби | - | 8-10 | 24 | 40% | 12 |
* Пшениця, овес, тритикале
Джерело даних: KWS SAAT AG
Таблиця 1.2. Переваги та недоліки сировини
Кожен окремий компонент сировини має свої переваги та недоліки.
| Сировина | Переваги | Недоліки |
|---|---|---|
| Енергетична кукурудза |
Високий вихід метану на гектар Легко зберігати та завантажувати в реактор |
Відносно повільний час утримання |
| Енергетичний буряк |
Найвищий можливий урожай/га Короткий час утримання в реакторі |
Потребує обережного зберігання |
| Зернові культури | Високий вміст сухої речовини – але вихід газу на тонну сирої маси на 20% нижчий, ніж у рослинної маси | Низький вихід метану на гектар |
| Гібридне жито |
Висока урожайність з високим вмістом сухої речовини Добре підходить для посушливих регіонів вирощування Добре поєднується з кукурудзою у сировині |
Під час збору врожаю його необхідно коротко сікти |
| Гній | Корисний продукт для стартеру та суміші компосту | Низький вихід метану, тому може не підійти для великих заводів |
Джерело даних: KWS SAAT AG
У таблиці 2 проілюстровано деякі приклади потенційних сумішей, що використовуються на заводах з виробництва біогазу.
Це показує, що на тонну отриманої зеленої маси для отримання максимального виходу метану до найефективніших сумішей має входити кукурудза та рослинна маса. Однак, якщо подивитися на вихід метану на гектар, використання 10-30% енергетичного буряка разом з цими двома культурами позитивно впливає на вихід із одиниці використаної площі.
Потрібно подбати про те, щоб в'язкість суміші не перешкоджала належному функціонуванню заводу. У планах так званих «мокрих» або «сухих» заводів часто зазначено конкретну сировину, щоб забезпечити достатній час утримання та буферну здатність.
Висока швидкість конверсії буряка допомагає буферизувати видобуток газу, підвищуючи рН всередині рослини, стимулюючи бактеріальне перетворення всієї сировини в метан. Крім того, буряк є чистішим джерелом метану у порівнянні з іншими видами сировини, що забезпечує більш ефективне перетворення метану в електроенергію за допомогою комбінованої установки з виробництва тепла та електроенергії (ТЕЦ), або біометан.
Оператори заводів також зрозуміють, що синергія, отримана від використання буряка, має значні переваги. Таку синергію важко оцінити кількісним показником, і вона варіюватиметься залежно від типу рослин. Втім, європейський досвід переконливо дозволяє припустити, що використання рослинної маси із кукурудзою забезпечує вищий вихід на тонну матеріалу, ніж його можна було б отримати з лише однієї кукурудзи.
Таблиця 2. Потенційні суміші сировини на основі сільськогосподарських культур
| Приклад суміші сировини |
Вихід метану, м3/т (зелена маса) |
Вихід метану, м3/га (зелена маса)1 |
|---|---|---|
| Кукурудза 100% | 105 | 6300 |
| Кукурудза 90% + Буряк** 10% | 100 | 6360 |
| Кукурудза 70% + Буряк** 30% | 96 | 6480 |
| Кукурудза 70% + Гібридне жито 30% | 112 | 5544 |
| Кукурудза 40% + Гібридне жито 30% + Буряк** 30% | 106 | 5724 |
** Мається на увазі засилосований буряк
1 Не враховується синергія різних сумішей сировини
Джерело даних: KWS SAAT AG
Сівозмінна суміш
Важливо, щоб усі культури, обрані для сівозміни, при використанні в суміші кожного сезону давали стабільний врожай і, таким чином, не обмежували поставки сировини.
Сільськогосподарські культури з низьким рівнем ризику – наприклад, гібридне жито – добре підходять для наших умов.
Географічні обмеження та обмеження за типом ґрунту
Кукурудза
Для вирощування кукурудзи на біогаз немає географічних обмежень.
При вирощуванні цієї культури необхідно дотримуватися рекомендованої густоти стояння та підбирати гібриди з оптимальним ФАО для конкретного регіону вирощування.
Енергетичний буряк
Єдине обмеження для вирощування енергетичного буряка – це можливість знайти землю, щоб посадити, а потім зібрати врожай.
Гібридне жито
Немає жодних географічних обмежень щодо того, де можна успішно вирощувати гібридне жито. Воно дасть кращий урожай на ділянках з важкими ґрунтами з достатньою вологістю, що сприятиме хорошому наповненню зерна, що в свою чергу максимізує вихід сухої речовини.
Сівозмінний баланс
Кукурудза
Кукурудза підходить для більшості сівозмін, у тому числі для безперервного вирощування, проте слід бути обережними, якщо ви вирощуєте кукурудзу у тісному поєднанні з зерновими культурами через підвищене поширення та ризик розвитку фузаріозу.
Проблему може становити пізній збір урожаю, однак у більшості ситуацій аграрії повинні мати змогу посіяти після неї восени гібридне жито або зернові культури. Розглядаючи варіант вирощування енергетичного буряка після кукурудзи, аграріям слід враховувати питання заробки пожнивних решток кукурудзи. Ця культура залишає досить велику листосеблову масу яка потребує заробки в ґрунт для якісної сівби буряку.
Енергетичний буряк
Як і у випадку з кукурудзою, найвищі врожаї енергетичного буряка можна отримати, якщо збирати урожай якомога пізніше, причому пік врожайності припадає на середину-кінець листопада.
Не рекомендується щільно висівати енергетичний буряк, інакше може накопичуватись ризоманія або бурякова цистоутворююча нематода. Буряки у сівозміні не слід вирощувати частіше, ніж один раз на три роки.
Гібридне жито
Підходить для вирощування після кукурудзи або рано зібраних буряків і, таким чином, може виступати озимою покривною культурою, а також культурою для виробництва біогазу з високою врожайністю. При використанні в сівозміні зернових гібридне жито найкраще сіяти другою культурою.
У більш теплих і південних місцях його можна використовувати для змішаної культури, при цьому після жита слід вирощувати ранні гібриди кукурудзи.
Таблиця 3. Результати для прикладів сівозмін
| Приклад потенційної сівозміни та врожайність | Вірогідна ситуація/локація |
Сукупний урожай за 3 роки (т/га) |
|---|---|---|
| Рік 1-3 | Сприятливі умови: підходить для великих заводів потужністю 1 мВт+ | 165 |
|
2-річна сівозміна: Рік 1 – Кукурудза (55 т/га) Рік 2 – Гібридне жито (40 т/га) |
Сприятливі умови: де не підходить буряк (наприклад, регіони вирощування овочів) – підходить для заводів потужністю 1 мВт | 127 |
|
Рік 1 – Кукурудза (45 т/га) Рік 2 – Гібридне жито (40 т/га) Рік 3 – Зернові* (15 та/га) |
Ідеально підходить для територій, де тримають худобу, або для менших установок для виробництва біогазу потужністю 650-750 кВт | 100 |
|
Рік 1 – Буряк (70 т/га) Рік 2 – Гібридне жито (40 т/га) Рік 3 – Кукурудза (55 т/га) |
Більш стабільна сівозміна: підходить для заводів з виробництва біогазу усіх розмірів | 155 |
|
Рік 1 – Буряк (70 т/га) Рік 2 – Гібридне жито (40 т/га) Рік 3 – Зернові – 2-річне угіддя (30 т/га) |
Для територій, де неможливе вирощування кукурудзи | 130 |
* Мається на увазі лише першоскошений силос із зернових культур
Джерело даних: KWS SAAT AG
Таблиця 3 ілюструє ймовірну врожайність для деяких прикладів трирічних сівозмін біогазових культур.
Безперервне вирощування кукурудзи дає найвищі врожаї, які забезпечать хороший запас матеріалу для більших заводів з виробництва біогазу (1 мВт і вище).
Кращим і більш стабільним підходом може виявитися сівозміна, у якій кукурудза поєднується з гібридним житом і енергетичним буряком.
І нарешті, використання енергетичного буряка, гібридного жита, а потім зернових культур також забезпечить більш прийнятний урожай в тих регіонах, де вирощування кукурудзи є менш успішним.
Інші проблеми
Ерозія ґрунту
Аграрії повинні підтримувати належний стан ґрунту та мінімізувати ризик появи ерозії та втрати ґрунту, особливо під час зими та між вирощуванням культур.
Ризик найбільш високий при вирощуванні кукурудзи або пізнього буряка, і аграріям, можливо, доведеться розглянути можливість обробітку ґрунту лаповим культиватором після збирання врожаю, щоб усунути ущільнення поверхні і поліпшити проникнення води через ґрунт для мінімізації витрат поверхневого стоку води.
Може виявитися корисним включення озимого гібридного жита до складу посівної суміші. Гібриди швидко ростуть, використовуючи будь-які запаси поживних речовин та знижуючи потенційні втрати при вилуговуванні.
Аграрії також залишають в землі частину своїх енергетичних буряків до весни, що теж допомагає мінімізувати потенційну втрату ґрунту на полях, де є ризик ерозії.
В якості альтернативи може знадобитися використання покривних культур після більш пізнього збору врожаю кукурудзи або цукрового буряка. Покривні культури також можуть забезпечити додатковий матеріал для біореактора.
Внесення дигестату
Необхідно слідкувати, щоб використання рідкого гною та дигестату відповідало принципам дотримання системи норм.
Розкидання або внесення дигестату найкраще проводити навесні безпосередньо перед посівом ярої культури.
Аграрії також повинні враховувати вплив поєднання озимих і ярих культур в сівозміні. Збір урожаю жита, наприклад, в червні, дає аграріям ідеальну можливість внести дигестат за гарних літніх умов перед наступним врожаєм.
Період пару може бути корисним, і в певних ситуаціях, особливо коли боротися з бур’янами стає все складніше, використання ярої культури може допомогти аграріям позбутися бур’янів.
Цінність дигестату
Вміст поживних речовин і цінність дигестату також варіюються в залежності від сівозмінної суміші сировини (Таблиця 4).
Однак, незалежно від структури посівів і подальшого аналізу, в ґрунт можна повернути значну кількість N, P і K та цінну кількість інших поживних речовин, якщо вносити дигестат у відповідній пропорції/т (Таблиця 5).
Довгострокове використання біодигестату забезпечує значне поліпшення фізичного стану ґрунту, полегшення його обробітку та покращення родючості.
Таблиця 4. Цінність сировини та дигестату
| Сировина | Цінність дигестату (кг/т) | ||
|---|---|---|---|
| N | P | K | |
| Силос з кукурудзи | 3.7 | 2.4 | 4.5 |
| Засилосований буряк | 2.2 | 1.0 | 2.2 |
| Свіжий буряк | 1.2 | 0.6 | 1.9 |
| Гібридне жито | 5.9 | 3.7 | 7.3 |
| Силос з зернових культур | 5.3 | 2.9 | 9.4 |
| Силос з соняшника | 4.5 | 2.2 | 5.7 |
| Гній ВРХ | 4.5 | 3.6 | 7.9 |
Джерело даних: KWS SAAT AG
Таблиця 5. Типова поживна цінність дигестату
| кг/т свіжого дигестату |
Потенційно доступно елементу (при внесенні 40 т/га) |
|
|---|---|---|
| N | 4.7 | 113 кг/га |
| P | 1.8 | 43 кг/га |
| K | 5.2 | 125 кг/га |
| Mg | 0.8 | 19 кг/га |
| Ca | 2.1 | 50 кг/га |
| S | 0.34 | 8 кг/га |
Аналіз на основі 75% кукурудзи та 25% свіжого гною
Джерело даних: KWS SAAT AG
