Кожна сировина має свій потенціал сировини, який можна отримати як під час монозброджування, так і під час коферментації. Так як зараз інвестори дивляться в сторону біометану, то основною сировиною для біогазових заводів є гній ВРХ, гноївка, курячий послід. Гноївка дуже рідка за своїм складом і потребує додаткових косубтратів, щоб зробити об'єм ферментера більш ефективним.
Біогаз із курячого посліду багатий на сірководень і використання косубстратів може зменшити навантаження на очистку біогазу від сірководню. Гній — одна з базових сировин для виробництва біогазу, яка має непоганий потенціал, але його можна покращити. Саме тому аграрії дедалі частіше застосовують косубстрати для біогазу. У правильно спроєктованих системах косубстрати можуть суттєво підвищити виробництво біогазу — іноді на 50–90% (для БГУ на гноївці), але точний ефект залежить від рецептури, об’єму ферментерів і технологічного режиму.
Ціна біогазової установки враховує не тільки вартість ферментерів, систему очистки, КГУ чи апгрейд, а й систем подачі сировини, тому рецептура майбутнього біогазового заводу має бути передбачена на етапі розробки концепту з огляду на всі види косубстартів, які доступні для біогазового заводу.
У цій статті розглянемо, що додавати до гною, які косубстрати працюють найкраще та як правильно змішувати сировину.
Що таке косубстрати та навіщо вони потрібні
Косубстрати для біогазу — це додаткова органічна сировина, яку змішують із основним субстратом для підвищення виходу біогазу та стабілізації процесу бродіння. Найчастіше основою є гній ВРХ, свинячий гній або пташиний послід.
Проблема в тому, що гній має порівняно низький потенціал газоутворення — лише 20–70 м³ біогазу на тонну (діапазон залежить від вологості, віку тварин, способу утримання та вмісту органічної сухої речовини в гної). Тому маємо низьке органічне навантаження у ферментері, і саме тому змішування субстратів є стандартною практикою на сучасних БГУ на гною.
Додавання косубстратів дає змогу:
- підвищити вихід біогазу з ферментера;
- стабілізувати процес бродіння;
- ефективніше використовувати об’єм ферментерів;
- отримати синергетичний ефект, коли суміш працює краще, ніж окремі компоненти.
Як зазначає Руслан Делідон, директор Pro-Energy: «Правильний підбір косубстратів — це оптимізація всієї економіки біогазового проєкту: від стабільності процесу до окупності станції».
Основні види косубстратів та їхні характеристики
Найпоширеніші субстрати для біогазу — це рослинні відходи, харчові залишки та жири.
Енергетичні культури та рослинні відходи
- кукурудза на силос — 180–200 м³/т;
- цукрове сорго — 130–170 м³/т;
- суданська трава — 120–180 м³/т,
- трав’яний силос — 130–160 м³/т;
- подрібнена солома — 230–350 м³/т;
- зернові відходи — 100–150 м³/т;
- буряковий жом — 90–140 м³/т.
Саме силос для біогазу вважається одним із найбільш стабільних та найпоширеніших косубстратів, однак є певні обмеження під час виробництва біометану. На сьогодні для українського ринку біогазу використання силосу можливе або в концепті виробництва електричної та теплової енергії, або для виробництва біогазу для КГУ на забезпечення власних потреб біометанового заводу.
Харчові відходи
- відходи харчової промисловості — 100–150 м³/т;
- відходи м’ясопереробки — 300–500 м³/т;
- молочна сироватка — 40–120 м³/т;
- барда спиртова — 30–90 м³/т;
- овочеві відходи — 50–100 м³/т.
Харчові відходи сприяють збільшенню виробництва біогазу завдяки високому вмісту білків та жирів і можливості створювати додатковий дохід через послуги з переробки відходів.
Жири та олії
- технічні жири — 600–900 м³/т;
- відпрацьовані олії — 800–1000 м³/т;
- гліцерин — 400–600 м³/т.
Такі косубстрати мають найвищий потенціал газоутворення, але їхня частка не має перевищувати 5% маси суміші через ризик інгібування процесу внаслідок закислення біомаси.
Оптимальні пропорції змішування
Правильне співвідношення субстратів визначає стабільність роботи біогазової установки.
Для ВРХ
- гній ВРХ — 60–70% (на виробництво біометану);
- кукурудзяний силос або жом цукрового буряка — 30–40% (на забезпечення власних потреб електрикою та теплом);
- хоча також можна додавати інші косубстрати до 5–10%.
Для свиноферм
- свинячий гній — 60%;
- рослинні відходи (солома) — 25–30%;
- курячий послід або гній ВРХ з підстилкою 10–15%.
Для птахофабрик
- пташиний послід — 50% (на виробництво біометану);
- силос кукурудзи або трави — 30% (на забезпечення власних потреб);
- рідкий гній ВРХ — до 20% (на виробництво біометану).
Ключовий параметр — співвідношення C:N. Гній містить багато азоту (6–10:1), а рослинні відходи багаті вуглецем (40–80:1). Оптимальний баланс — 20–30:1.
Також важлива вологість суміші:
- оптимум — 85–92%;
- понад 92% — падає ефективність;
- менш ніж 80% — виникають проблеми з перемішуванням.
Приклади ефективних рецептур
Правильно підібрана рецептура субстратів дає змогу стабілізувати роботу ферментера, зменшити ризики інгібування та максимально ефективно використовувати наявний об’єм реактора. На практиці найкращі результати дає поєднання гною з рослинними або харчовими косубстратами, які компенсують дефіцит органіки та балансують співвідношення C:N.
Молочна ферма + рослинництво
- гній ВРХ — 60–70% (на виробництво біометану);
- кукурудзяний силос або жом цукрового буряка — 30–40% (на забезпечення власних потреб електрикою та теплом).
Результат: 90–110 м³ біогазу на тонну суміші замість 20–70 м³ із чистого гною.
Свиноферма + харчові відходи
- свинячий гній — 60%;
- силос — 25% або солома 10–15%;
- відходи м’ясопереробки — 10%;
- овочеві відходи — 5%.
Результат: 110–130 м³/т замість 20–30 м³/т.
Птахофабрика + солома
- пташиний послід — 45%;
- буряковий жом — 45%;
- сироватка — 7%;
- флотаційний шлам — 3%.
Результат: 120–150 м³/т замість 180–190 м³/т, однак незначна економія на використанні водних ресурсів, а також зменшення операційних витрат на газоочистку від сірководню.
Де брати косубстрати
Косубстрати для біогазових установок можуть надходити як із власного виробництва, так і від сторонніх постачальників. Найчастіше агропідприємства використовують рослинні рештки, солому, силос або післяжнивні залишки зі своїх полів.
Додатковим джерелом сировини стають харчові підприємства, м’ясокомбінати, молокозаводи та овочеві бази, які зацікавлені в утилізації органічних відходів.
Окремий напрям — вирощування енергетичних культур спеціально для виробництва біогазу, якщо це економічно виправдано для господарства.
Економіка використання косубстратів
Основні витрати під час використання косубстратів пов’язані з вирощуванням або закупівлею сировини, її логістикою, організацією зберігання та підготовкою перед подачею у ферментер.
Додатково необхідно враховувати витрати на подрібнення, змішування та контроль якості субстратів, адже від цього залежить стабільність роботи біогазової установки та ефективність виробництва біогазу.
Проте підвищення виходу біогазу компенсує ці витрати, адже гній часто перешкоджає ефективному використанню енергетичного потенціалу ферментера через низький вміст легкозасвоюваної органіки (наприклад, якщо не викоритовується підстилка). Додавання силосу дає змогу використовувати той самий об’єм реактора, але виробляти вдвічі більше газу та електроенергії.
Незважаючи на значний приріст виробництва біогазу під час використання косубстратів у фінансовому вираженні ефект залежить від ступеня завантаження ферментера, доступності сировини та структури витрат, тому реальний приріст прибутку зазвичай становить 30–70% від базового сценарію.
Для БГУ 600–750 кВт на гною за допомогою використання косубстратів можна досягнути потужності 1,5 МВт, що покращує окупність завдяки тому, що конфігурація ферментерів не змінюється (використовується той самий об’єм, тільки набагато ефективніше). Виробництво електроенергії збільшується вдвічі (додатковий обсяг генерації становить +5 тис. МВт·год/рік). Це дає суттєве зростання виручки без капітального розширення станції.
Далі економіка рахується вже від тарифу. Якщо брати умовно ~2,5 грн/кВт·год, то: +5 000 МВт·год × 2,5 грн ≈ +12,5 млн грн/рік додаткової виручки. Якщо продавати електрику в піковому режимі роботи, то прибуток буде щонайменше вдвічі більший.
Технічні аспекти використання косубстратів
Для стабільної роботи БГУ важлива правильна підготовка:
- подрібнення соломи та силосу до 30–50 мм;
- гомогенізація суміші;
- контроль сторонніх домішок.
Необхідне обладнання:
- прийомні бункери;
- системи дозування;
- премікси чи змішувачі;
- насоси.
Важливо постійно контролювати:
- pH середовища (6,8–7,2);
- температуру;
- баланс C:N;
- динаміку виробництва газу.
Типові помилки:
- надлишок жирів, що призводить до закислення;
- неправильне співвідношення компонентів;
- недостатнє подрібнення;
- нерівномірне змішування.
Висновок
Косубстрати в біогазовій установці використовують не лише для збільшення обсягів газу, а й для підвищення ефективності всього проєкту. Правильне змішування субстратів для біогазу дає змогу збільшити виробництво біогазу, стабілізувати процес бродіння та отримати більше енергії без розширення ферментерів.
Саме тому професійний підхід до підбору рецептур безпосередньо впливає на окупність біогазового комплексу. Pro-Energy не просто підбирає обладнання, а розраховує рецептуру субстратів, перевіряє сировинну базу, моделює газовий вихід і закладає ці дані у фінансову модель проєкту.