Автор: менеджер по международным продажам HRS Heat Exchangers Мэтт Хейл (Matt Hale)
Если не брать во внимание некоторые заметные исключения, такие как новый президент США Дональд Трамп и наш соотечественник Найджел Лоусон, научный консенсус в отношении изменения климата хорошо известен. Ещё в 2004 году в 75 % американских научных работ утверждалось, что деятельность человека влечёт за собой изменения климата. Сегодня, по мере роста объёма доказательств и выхода новой научной литературы, эта цифра возросла до 97 % и более.
Самые последние данные, полученные как от Met Office, так и от NASA, свидетельствуют, что 2016 год оказался самым тёплым за всю историю наблюдений. Эта информация подтвердила прогноз, сделанный Всемирной метеорологической организацией ООН в ноябре прошлого года.
Если не вдаваться в подробное обсуждение национальной и глобальной политики в области охраны окружающей среды, представляется достаточно очевидным, что избежать самых худших последствий изменения климата можно лишь при условии использования всех доступных инструментов. С их помощью необходимо исключить влияние как можно большего числа аспектов жизни человеческого общества: от производства энергии и транспорта до выпуска продуктов питания и утилизации отходов.
Комплексный подход к снижению уровня углеродных выбросов в атмосферу должен включать не только генерацию и использование возобновляемой энергии с минимальным загрязнением окружающей среды, хотя это, очевидно, одна из ключевых областей поиска решения. Наше современное общество зависит от многих веществ и процессов, которые прямо или косвенно способствуют выбросу в атмосферу основных парниковых газов (ПГ), включая углекислый газ, метан и окись азота. В глобальном масштабе на долю сельского хозяйства приходится около 17 % от общего количества парниковых газов, а ещё 7-14 % обусловлены изменениями в технологиях землепользования.
Эти выбросы происходят на протяжении всего сельскохозяйственного цикла, включающего в себя обработку почвы (и более долгосрочные процедуры оздоровления и ухода за почвой), удобрение, выращивание скота, потребление энергии, а также являются результатом производства отходов во время уборки и переработки урожая во всей цепочке поставок. Решение данных проблем может показаться невозможным, но есть одна уникальная технология использования возобновляемых источников энергии, которая может помочь сократить выбросы сразу из всех источников – анаэробное сбраживание (AD).
Технология AD позволяет получать «зелёную», возобновляемую энергию в виде биогаза путём бактериального разложения органических материалов в анаэробных условиях. При этом её продуктом является не только универсальный энергоноситель (биогаз может использоваться для производства электроэнергии и тепла в качестве замены природного газа или в качестве топлива для транспортных средств), но и отходы самого процесса, также известные как дигестат. Это богатое питательными веществами органическое удобрение для почвы. Кроме того, путём переработки на заводе AD органических отходов, таких как продукты питания, растительные отходы и навоз, весь метан, который в противном случае оказался бы в атмосфере, вместо этого извлекается и используется. То есть наряду с производством энергии из возобновляемых источников предотвращается выброс в атмосферу особо мощного ПГ.
Чтобы с максимальной отдачей использовать AD для снижения выбросов парниковых газов, важно перерабатывать на заводе, прежде всего, те отходы (сырьё), которые достаточно устойчивы и получены с минимально возможным выбросом в пересчёте на углекислый газ. Не менее важно обеспечить эффективность процесса и использовать каждый ватт энергии. Применение теплообменников для рекуперации тепла на заводах AD и других объектах является одним из наиболее экономичных способов, позволяющих добиться этого.
Рекуперация отработанного тепла из таких зон, как генераторы ТЭЦ, системы выхлопа и даже обработанный дигестат, и использование этой энергии для других процессов на предприятии – это реальный способ повысить общую эффективность завода анаэробного сбраживания. Варианты использования тепла, полученного путём рекуперации, могут включать предварительную обработку исходного сырья (для улучшения выхода газа или сокращения времени, необходимого на сбраживание в биореакторе), пастеризацию (в соответствии с правилами контроля отходов животных или сертификатом PAS 110), обработку дигестата или процессы нагрева (например, для сушки сельскохозяйственных культур). Его можно даже использовать для систем местного или централизованного теплоснабжения. Такой подход позволяет сберечь тепло, которое в противном случае было бы потрачено впустую, улучшить экологический профиль предприятия и повысить его эффективность. Он также улучшает общие экономические показатели завода в течение всего срока его эксплуатации.
Следующий шаг к достижению экологических преимуществ AD – оптимальное использование полученного дигестата. На выходе большинства заводов получается смесь жидкого и твёрдого дигестата. В зависимости от физических свойств она обладает различными материально-техническими требованиями к хранению и использованию, а также отличается питательной ценностью. Но, в любом случае, дигестат особенно богат азотом, фосфором и калием. Азот, попадающий в почву вместе с биоудобрением, лучше усваивается растениями по сравнению с другими источниками, что не только способствует быстрому росту урожая, но и позволяет минимизировать потерю ценных компонентов почвы из-за впитывания и выветривания.
Другим преимуществом дигестата, особенно в виде твёрдой фракции, является его насыщенность органическими веществами. За последнее столетие современные сельскохозяйственные технологии и чрезмерная эксплуатация земли привели к уменьшению содержания органических веществ в пахотных почвах, которые стали более восприимчивы к эрозии и потере углерода. Это создаёт целый ряд организационных проблем для фермеров. В масштабах всей планеты почва содержит почти 4000 миллиардов тонн органического углерода. Это значительно больше, чем содержание аналогичного элемента в атмосфере и всей растительности мира вместе взятых. Добавление в почву богатых углеродом веществ с одновременным уменьшением интенсивности культивации позволяет увеличить общую способность почв к секвестрации углерода. В настоящее время в университете города Аберистуит проводится долгосрочное исследование для количественной оценки некоторых из указанных возможностей секвестрации углерода.
Источников углерода, пригодных для добавления в почву, существует достаточно много. Это и компосты, и отходы сельскохозяйственных культур. Однако, из-за уникальности процесса AD, использование твёрдого дигестата имеет целый ряд преимуществ. Он позволяет избежать выбросов парниковых газов, связанных с аэробным разложением материалов, и обеспечить питательные вещества и углерод в такой форме, которая легко адсорбируется частицами почвы. Эти преимущества способны компенсировать более высокую эффективность некоторых материалов, таких как компост. Наконец, дигестат – это низкоуглеродное удобрение, которое помогает снизить общий уровень углеродных выбросов от любых культур, выращенных на удобренной им почве. Некоторые исследования показывают сокращение выбросов углекислого газа на 13 кг CO2/тонну урожая в результате такого снижения.
Существует неопределённость в отношении потенциальных выбросов N2O из добавляемого в почву дигестата. Их наличие будет отрицательно влиять на общий баланс парниковых газов, однако грамотное применение и введение в грунт удобрения поможет смягчить этот негативный эффект. Как и в других технологиях, связанных с окружающей средой, дьявол кроется в деталях.
Учитывая всё вышесказанное, необходимо, чтобы владельцы и разработчики оборудования для промышленных предприятий рассматривали дигестат как важный продукт, которым он, в сущности, и является. Существует множество технологий, позволяющих повысить питательную ценность и удобство использования дигестата, включая системы пастеризации, разделения и концентрирования. Однако прежде чем инвестировать в какую-либо систему, стоит разобраться и понять её возможности, преимущества и недостатки.
Например, простая система сушки дигестата использует тепло для обезвоживания продукта, который становится более лёгким в обращении за счёт снижения массы и приобретает более высокую концентрацию сухого вещества. Между тем, другие подобные технологии обеспечивают дополнительные преимущества. Так система HRS DCS (система концентрации дигестата) использует метод выпаривания для значительного уменьшения объёмов дигестата, удаления из жидкой фракции до 80 % воды и повышения концентрации сухого вещества до 20 %. При дозированном добавлении серной кислоты в дигестат снижается уровень рН продукта и предотвращается выделение аммиака, поскольку он превращается в сульфат аммония. Это вещество также является идеальным биоудобрением. Поэтому, несмотря на уменьшение объёма дигестата, содержание питательных веществ при концентрировании не только сохраняется, но на самом деле увеличивается.
Существует множество различных способов добиться максимальной эффективности и полезности как самих биогазовых установок, так и полученного в результате их работы дигестата. Рекомендации опытных специалистов и грамотный выбор технологии обработки являются основой для принятия обоснованных инвестиционных решений, которые обеспечат рост эффективности производства с одновременным улучшением экологического профиля AD, то есть позволят с полной отдачей использовать преимущества инновационной технологии с точки зрения смягчения влияния на изменение климата.
[1] Орескес Н. (Oreskes, N). Научный консенсус в отношении изменения климата. Наука. 2004 г.: http://science.sciencemag.org/content/306/5702/1686.full
[2] Научный консенсус: климат Земли становится более тёплым. NASA: http://climate.nasa.gov/scientific-consensus/
[3] 2016 год: один из двух самых тёплых за всю историю наблюдений. Met Office, 2017 г.: http://www.metoffice.gov.uk/news/releases/2017/2016-record-breaking-year-for-global-temperature
[4] 2016 – самый тёплый год во всем мире по данным NASA и NOAA. NASA, 2017 г.: https://www.sciencedaily.com/releases/2017/01/170118112554.htm
[5] Сельское хозяйство и изменение климата. OECD. Сентябрь 2015 г.: http://www.mapama.gob.es/es/cambio-climatico/temas/mitigacion-politicas-y-medidas/agriagricyccocde_tcm7-409687.pdf
[6] Снижение содержания органического углерода (SOC) в почве. FAO. 2016 г.: http://www.fao.org/3/a-i6472e.pdf
[7] Углеродный цикл и органический углерод в почве. Совместное исследование Корнеллского университета. 2016: http://nmsp.cals.cornell.edu/publications/factsheets/factsheet91.pdf
[8] Использование дигестата в качестве органического удобрения. Экологические технологии. 2014 г.: https://www.envirotech-online.com/article/water-wastewater/17/susanna_litmanen_franz_kirchmeyr/the_use_of_digestate_as_an_organic_fertiliser/1593
