Использование сельскохозяйственных отходов для малых биоэнергетических решений

В глобальном масштабе сельское хозяйство производит приблизительно 1,3 миллиарда тонн отходов ежегодно - остатки сельскохозяйственных культур, навоз скота и побочные продукты переработки, которые часто сжигаются, оставляют гнить или сбрасываются. Этот массивный поток органического материала представляет собой не только проблему удаления, но и неиспользованный энергетический ресурс. Малые биоэнергетические решения появляются как практический способ для фермеров и сельских общин преобразовать эти отходы в тепло, электричество и топливо. Таким образом, они уменьшают загрязнение, снижают затраты на энергию и создают местные экономические возможности. В этой статье рассматриваются типы сельскохозяйственных отходов, технологии, доступные для мелкомасштабной конверсии, преимущества и проблемы, и политика, которая может помочь масштабировать эти решения.

Что такое сельскохозяйственные отходы?

Сельскохозяйственные отходы включают все органические остатки, образующиеся при выращивании сельскохозяйственных культур, животноводстве и переработке.

Количество сельскохозяйственных отходов варьируется в зависимости от региона, типа сельскохозяйственных культур и сельскохозяйственной практики. Во многих развивающихся странах значительная часть сжигается на открытых полях, выделяя углекислый газ, твердые частицы и токсичные соединения. По данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации , сжигание остатков сельскохозяйственных культур способствует загрязнению воздуха и потере органического вещества почвы. Преобразование этих отходов в биоэнергию не только смягчает эти воздействия, но и обеспечивает возобновляемый источник энергии.

Малые биоэнергетические технологии

Несколько проверенных технологий позволяют фермерам и сельским домохозяйствам генерировать энергию из сельскохозяйственных отходов в небольших масштабах (обычно от нескольких киловатт до 100 кВт). Выбор зависит от типа отходов, содержания влаги, местных потребностей в энергии и доступных инвестиций. Ниже приведены наиболее широко распространенные варианты.

Биогазовые дигестеры

Производство биогаза является одной из старейших и наиболее успешных мелкомасштабных биоэнергетических технологий. Биогазовый дигестер (или анаэробный дигестер) представляет собой герметичный резервуар, где микроорганизмы расщепляют органическое вещество в отсутствие кислорода. Процесс производит биогаз (смесь 50-70% метана и 30-50% углекислого газа) и богатый питательными веществами дигестат, который может использоваться в качестве удобрения. Мелкие дигестаты могут быть построены из кирпича, бетона или сборных материалов. Типичные размеры варьируются от 2 м3 для одного домохозяйства до 50 м3 для сообщества или небольшой фермы. Биогаз используется для приготовления пищи, освещения и — с генератором — производство электроэнергии. В докладе IRENA 2021 отмечается, что более 50 миллионов малых биогазовых установок работают во всем мире, с самыми высокими показателями в Китае и Индии.

Пеллет Стоувс и Брикетс

Сухие остатки сельскохозяйственных культур, такие как кукурузные початки, рисовая шелуха и опилки, могут быть сжаты в плотные гранулы или брикеты. Печи Пелет сжигают эти виды топлива с высокой эффективностью (80-90%), производя тепло для приготовления пищи, космического отопления или небольших промышленных процессов. Процесс сжатия увеличивает плотность энергии и снижает содержание влаги, облегчая транспортировку и хранение. Для ферм, которые производят постоянные потоки отходов, доступны небольшие гранулирующие машины. Брикеты также могут быть изготовлены вручную с использованием винтовых прессов или гидравлических прессов. В регионах без электросети гранулы биомассы обеспечивают чистую альтернативу древесине и дровам, уменьшая обезлесение и загрязнение воздуха в помещении.

Производство Biochar

Биоуголь производится путем нагревания остатков сельскохозяйственных культур в среде с низким содержанием кислорода (пиролиз). Полученный угольоподобный материал богат стабильным углеродом и может использоваться в качестве поправки к почве - улучшение удержания воды, доступности питательных веществ и поглощения углерода. Однако этот процесс также генерирует сингаз и биомассу, которые могут быть сожжены для тепла и энергии. Существуют мелкомасштабные печи пиролиза и реторты, которые обрабатывают 10-100 кг отходов на партию. Сам биоуголь может быть сожжен в качестве бездымного топлива для приготовления пищи. Эта технология двойного назначения набирает обороты, потому что она сочетает производство энергии с пользой для здоровья почвы. Исследования, выделенные в исследовании 2021 года в биомассе и биоэнергетике , показывают, что мелкомасштабные биоугольные системы могут снизить выбросы парниковых газов на 1-3 тонны CO2e на тонну произведенного биоуголь.

газификация

Газификация преобразует твердую биомассу в горючий газ (сингаз) путем частичного окисления при высоких температурах (700–1000°C). Малые газификаторы (10–100 кВт) могут работать на древесной щепе, ореховых оболочках или гранулированных остатках. Сингаз очищается и подается в двигатель внутреннего сгорания, подключенный к генератору, или сжигается непосредственно в котле. Газификация обеспечивает более высокую электрическую эффективность, чем прямое сжигание (15–25% против 10–15%), но требует более сухого топлива (влажность ниже 20%). В то время как технология газификации исторически сталкивалась с проблемами при обработке смол, современные микрогазификаторы используют конструкции притяжения или опускания, которые уменьшают выход смолы. Несколько компаний теперь предлагают контейнерные газификационные установки, подходящие для отдаленных ферм.

Прямое горение с улучшенными кухонными плитами

Даже элементарное сжигание остатков сельскохозяйственных культур может быть сделано более эффективным и чистым с улучшенными кухонными плитами. Эти печи включают в себя металлическую или керамическую камеру сгорания, изоляцию и дымоход для уменьшения потерь тепла и дыма. Они сжигают остатки сельскохозяйственных культур непосредственно - кукурузные початки, кокосовые раковины, кофейную шелуху - для приготовления пищи и нагрева. Альянс чистого приготовления пищи сообщает, что улучшенные печи из биомассы могут сократить использование топлива на 30-60% и сократить загрязнители воздуха в помещении более чем на 50% по сравнению с открытыми пожарами.

Преимущества использования сельскохозяйственных отходов для биоэнергетики

Развертывание небольших биоэнергетических систем в сельскохозяйственных общинах дает широкий спектр экологических, экономических и социальных преимуществ.

Экологические преимущества

  • Сокращение открытого горения — Преобразование остатков вместо сжигания их снижает выбросы черного углерода, монооксида углерода и летучих органических соединений. Это непосредственно улучшает качество местного воздуха и уменьшает частицы, нагревающие климат.
  • Смягчение выбросов парниковых газов — Метан из разлагающихся навозных и сельскохозяйственных остатков является мощным парниковым газом. Захват его в биогазорастворителе или предотвращение его высвобождения за счет производства биоугольного топлива значительно снижает потенциал глобального потепления. Межправительственная группа экспертов по изменению климата признает биоэнергию частью решения, если исходное сырье является устойчивым источником.
  • Улучшение здоровья почвы — Дигестат и биоуголь возвращают органическое вещество и питательные вещества в почву, уменьшая потребность в синтетических удобрениях. Например, биоуголь может увеличить урожайность сельскохозяйственных культур на 10-30% в деградированных почвах, согласно мета-анализу в научных отчетах.
  • Сокращение вырубки лесов[1] — Предоставляя альтернативу дровам и древесному углю, гранулы биомассы и биогаз помогают сохранить леса и биоразнообразие.

Экономические выгоды

  • Энергосбережение — Домашние хозяйства и фермы могут заменить купленное топливо (LPG, керосин, сетевое электричество) на самопроизведенную биоэнергию. В Кении исследование показало, что пользователи биогаза мелких фермеров экономили в среднем 150 долларов в год на топливе для приготовления пищи.
  • Дополнительные потоки доходов — Избыток биогаза, гранул или биоуголь может быть продан соседним общинам. Фермеры также могут взимать плату за чаевые за прием отходов от других производителей, превращая отходы в доход.
  • Продукты с добавленной стоимостью — Биоуголь можно продавать в качестве премиального почвенного кондиционера, а дигестат можно продавать в качестве органического удобрения. Некоторые общины производят брикеты из обугленных остатков сельскохозяйственных культур и продают их на городских рынках.
  • Создание рабочих мест (FLT: 1) — Строительство, установка, обслуживание и эксплуатация мелкомасштабного биоэнергетического оборудования создает местную занятость в сельских районах, особенно для молодежи и женщин.

Энергетическая безопасность и социальные выгоды

  • Децентрализованное электроснабжение — Биоэнергетические системы могут работать вне сети, обеспечивая электричеством освещение, зарядку телефонов, охлаждение и малые предприятия. Это имеет решающее значение в регионах, где расширение сети неэкономично.
  • Надежное топливо Надежное топливо — Сельскохозяйственные отходы производятся сезонно, но могут храниться и использоваться круглый год.В отличие от солнечной и ветровой энергии, биоэнергия обеспечивает диспетчерскую мощность по требованию.
  • Улучшение здоровья и безопасности — замена открытых костров чистыми кухонными плитами уменьшает респираторные инфекции и ожоги, особенно среди женщин и детей, которые проводят время на кухнях.
  • Расширение прав и возможностей сообщества[1] — Местный контроль над производством энергии снижает уязвимость к ценовым шокам и перебоям в поставках и может укрепить сплоченность сообщества посредством совместного управления биоэнергетическими установками.

Проблемы и соображения

Несмотря на очевидные преимущества, малые проекты в области биоэнергетики сталкиваются с рядом препятствий на пути реализации, которые необходимо устранить для достижения долгосрочного успеха.

Высокие первоначальные инвестиции

Первоначальная стоимость биогазосварителя (обычно $500-$2000 для бытовой единицы), газификатора (несколько тысяч долларов) или пеллетного завода может быть непомерно высокой для мелких фермеров. Несмотря на то, что сроки окупаемости часто составляют 2-5 лет, доступ к доступным кредитам ограничен во многих сельских районах. Микрофинансовые учреждения и государственные субсидии могут помочь преодолеть этот разрыв.

Технические знания и техническое обслуживание

Многие мелкомасштабные биоэнергетические системы требуют базовых технических навыков для эксплуатации и технического обслуживания. Например, биогазовые дигестеры нуждаются в периодическом кормлении, мониторинге pH и удалении отбросов; газификаторы требуют подготовки топлива и периодической очистки смол. Без обучения системы могут преждевременно выходить из строя. Расширение услуг и сети технического обслуживания на базе сообществ. Руководящие принципы работы биогазовой установки в Energypedia обеспечивают полезные ресурсы для обучения.

Непоследовательные отходы и качество

Производство сельскохозяйственных отходов является сезонным и может не соответствовать круглогодичному спросу на энергию. Кроме того, содержание влаги варьируется - свежий навоз составляет 80% воды, а сухая солома - 10%. Системы должны быть разработаны для доступного сырья. Например, биогазовые дигестеры лучше всего работают с влажными отходами; пеллетные печи нуждаются в сухом сырье. Фермерам может потребоваться хранить или предварительно очищать отходы (например, сушка, измельчение) для обеспечения последовательного снабжения топливом.

Логистика и транспорт

Биомасса является громоздкой и имеет низкую плотность энергии. Перевозка остатков сельскохозяйственных культур более чем на несколько километров быстро становится нерентабельной. Поэтому мелкомасштабные решения лучше всего подходят для применения на фермах или на уровне общин, где сырье производится на местном уровне. Сушка и уплотнение (пеллетирование) могут снизить транспортные расходы, если необходимо переместить излишки топлива.

Политика и регуляторные барьеры

Во многих странах сельскохозяйственные отходы официально не классифицируются как сырье для возобновляемых источников энергии. Это исключает использование мелкомасштабной биоэнергии из субсидий, тарифов на корма или углеродных кредитов, которые доступны для проектов в области солнечной или ветровой энергетики. Требования к разрешению могут быть неясными или обременительными для малых предприятий. Необходимы согласованные политики, которые признают малую биоэнергию в качестве отдельной категории и упорядочение процессов утверждения.

Преодоление проблем: тематические исследования и передовая практика

Несколько инициатив по всему миру демонстрируют, как можно устранить эти препятствия.

Биогаз в Непале

Программа поддержки биогаза Непала, начатая в 1992 году, установила более 450 000 бытовых биогазовых установок, в основном питаемых навозом крупного рогатого скота. Правительство предоставляет субсидию в размере 50-200 долларов США на завод, а местные финансовые учреждения предлагают кредиты. Сеть обученных каменщиков обеспечивает качественное строительство и техническое обслуживание. По данным Всемирного банка, программа сократила потребление дров на 1,2 миллиона тонн в год и экономила женщинам 3 часа в день на время сбора топлива.

Кооперативы Pellet в Восточной Африке

В сельских районах Кении и Уганды фермерские кооперативы создали небольшие центры по обезжириванию. Фермеры привозят остатки сухих культур (кукурузные початки, кофейная шелуха) и получают взамен гранулы или получают плату. Кооперативы продают излишки гранул школам и чайным заводам. Первоначальный капитал был предоставлен за счет донорских грантов и беспроцентных займов. Инициатива Clean Energy 4 Africa обеспечивает техническую поддержку и рыночные связи.

Сообщество Biochar в Гане

Международная инициатива по биохару освещает проект в Гане, где женские группы используют небольшие реторты для производства биочара из шелухи какао-подов и раковин пальмового ядра. Биочар продается овощным фермерам для улучшения почвы, а тепло от пиролиза используется для сушки продуктов. Группы получают совокупный доход более 5000 долларов в год за единицу. Проект сочетает обучение, небольшой грант и доступ к углеродному финансированию.

Будущие перспективы и инновации

Будущее биоэнергетики мелких сельскохозяйственных отходов является светлым, обусловленным технологическими усовершенствованиями, неотложностью климатических изменений и потребностями в устойчивости общин.

  • Гибридные системы — Сочетание биогаза с солнечной фотоэлектрикой для обеспечения 24-часового чистого электричества. Биогаз может питать генератор ночью, в то время как солнечная энергия покрывает дневные нагрузки.
  • Цифровой мониторинг — недорогие датчики и мобильные приложения позволяют удаленно контролировать температуру дигестера, давление газа и производительность двигателя, снижая затраты на техническое обслуживание.
  • Интеграция круговой экономики — Биоэнергетика становится частью более крупной системы: перекачка отходов в энергию, энергия в воду, орошение в воду, орошение в поросятах и растительные остатки в биоэнергетику. Этот подход с замкнутым циклом максимизирует эффективность использования ресурсов.
  • Углеродное финансирование и климатические кредиты — По мере созревания рынков углерода небольшие биоэнергетические проекты могут получать кредиты на сокращение выбросов, обеспечивая дополнительный поток доходов. Проекты, подобные Золотые стандартизированные программы кухонной плиты, показывают, как это может работать.
  • Интеграция политики — Все большее число национальных планов по возобновляемым источникам энергии теперь явно включают в себя малую биомассу. Примерами являются Национальная программа Индии по управлению биогазом и ручками и Африканская политика в области биоэнергетики.

Заключение

Сельскохозяйственные отходы не являются проблемой, которую необходимо устранить — это ресурс, который необходимо использовать. Малые биоэнергетические технологии — биогазовые дигестеры, пеллетные печи, печи для биоугольных плит и газификаторы — предлагают фермерам и сельским общинам практический, доступный путь к чистой энергии, улучшению здоровья почвы и экономическим возможностям. Хотя такие проблемы, как первоначальные затраты, пробелы в технических навыках и непоследовательное предложение, остаются, успешные тематические исследования со всего мира доказывают, что их можно преодолеть с помощью соответствующей подготовки, финансирования и поддерживающей политики. Поскольку глобальное сообщество стремится сократить выбросы парниковых газов, улучшить средства к существованию в сельских районах и построить энергетическую независимость, использование сельскохозяйственных отходов для мелкомасштабной биоэнергетики выделяется как проверенное, масштабируемое решение. С продолжающимися инновациями, вовлечением общин и инвестициями в сельскую энергетическую инфраструктуру, сельскохозяйственные общины могут превратить свои отходы в мощный двигатель устойчивого развития.