Введение

Особенностью развития животноводства в России является создание «мегаферм» с большим поголовьем скота и птицы. Как результат жизнедеятельности животных, на этих фермах производятся огромные объёмы навоза и помёта. Расчётный объём отходов животноводства в РФ за 2020 год составил 217,3 млн тонн, из них 130 млн тонн (65%) накапливаются на открытых площадках и хранилищах, бесконтрольно вносятся на поля. По официальной статистике, в стране под хранение и биотрансформацию отходов птицеводства и животноводства заняты 2,4 млн га земли сельскохозяйственного назначения [1]. Следствием этого является ущерб окружающей среде, падение плодородия почв и качества сельскохозяйственной продукции, создание неблагоприятной среды обитания населения. Такое положение дел, вероятно, объясняется отсутствием экономических и экологических требований к утилизации органических отходов в «Программе развития АПК», а также противоречиями в трактовке юридического статуса навоза и помёта.

Так, согласно Федеральному классификационному каталогу отходов (ФККО) РФ, навоз и помёт являются отходами III-IV классов опасности, по ГОСТ Р 53765–2009 — сырьём для производства органических удобрений, а по ГОСТ Р 33830–2016 и ГОСТ Р 53042–2008 — готовыми органическими удобрениями. Устранить существующие противоречия и способствовать повышению эффективности вовлечения побочных продуктов животноводства в сельскохозяйственное производство призван Федеральный закон №248-ФЗ «О побочных продуктах животноводства и о внесении изменений в отдельные законодательные акты РФ», который вступит в силу 1 марта 2023 года.

Одной из самых эффективных технологий утилизации отходов животноводства, имеющей статус наилучшей доступной технологии переработки навоза и помёта, как в европейских, так и в отечественных технологических справочниках, является технология анаэробного сбраживания органических отходов с получением биогаза и сбалансированных удобрений [2, 3].

Из доклада Международного энергетического агентства (МЭА) за 2020 год следует, что современный мир использует лишь незначительную часть потенциала производства биогаза из органических отходов, которая может покрыть примерно 20% сегодняшнего мирового спроса на природный газ. Однако отдельные регионы достигли значительного прогресса в переработке энергии отходов в энергию биогаза. В настоящее время более 60% мощностей по производству биогаза приходится на Европу и Северную Америку.

Являясь ведущим регионом по производству биогаза, Европа имеет около 20 тыс. биогазовых установок, большинство из которых расположено в Германии. При этом в Германии основным исходным сырьём для биогаза служат энергетические культуры, отходы сельского хозяйства и пищевые отходы [4]. В Дании в 2021 году использование биометана составило четвёртую часть от полного потребления газа, при этом бóльшая его часть была получена из отходов животноводства [5].

В России биогазовое производство пока не получило широкого распространения и ограничивается отдельными проектами. На базе животноводческих комплексов действуют две биогазовые станции — «Лучки» и «Байцуры» (Белгородская область) общей установленной мощностью 4,1 МВт [6], производящие электрическую и тепловую энергию. При этом в стране планируется построить сеть биогазовых станций и увеличить их совокупную мощность до 10 МВт [7].

Для Республики Крым, региона с развитым сельским хозяйством и энергосистемой, зависимой от внешних поставок энергии, привлечение альтернативных источников энергии в дополнение к традиционным могло бы снизить нагрузку на энергосистему.

В данной работе мы продолжаем тему оценки энергетического потенциала сельскохозяйственных отходов в Республике Крым, начатую в статье [8], и рассматриваем энергетический потенциал отходов животноводства на полуострове.

По данным управления Федеральной службы государственной статистики по Республике Крым и городу Севастополю (Крымстат), на сельское хозяйство в 2021 году приходилось 5,9% валовой добавленной стоимости региона. Доля животноводства в производстве продукции составляет 34%. В структуре животноводства Республики Крым основную роль играют сельскохозяйственные организации, на долю которых в 2021 году приходилось 52,4% от общего объёма произведённой продукции, что может обеспечить сбор отходов производства и дальнейшее использование их, в том числе для получения энергии для местных нужд [9].

Методика

В расчётах энергопотенциала биомассы отходов животноводства учитывались отходы содержания следующих видов скота и птицы: крупного рогатого скота (КРС), свиней и птицы (кур-несушек). С помощью статистических материалов Росстата и Крымстата были определены показатели численности каждого вида животных по муниципальным районам и городским округам Республики Крым в хозяйствах всех категорий за вычетом данных хозяйств населения в силу невозможности централизованного сбора (концентрации) сельскохозяйственных отходов хозяйств такого типа.

Масса ежегодно образующихся органических отходов содержания скота Mi (вида i) с использованием статистических данных о численности животных этого вида на конец года в данном муниципальном образовании Ni и нормы образования отходов Li от животных этого вида [10–12]: Mi = NiLi.

Выход биогаза подсчитывался в кубических метрах на единицу массы сухого вещества, содержащегося в физиологических отходах животных. Масса сухого вещества при влажности исходных отходов W [%] рассчитывалась как:

Количество биогаза из навоза (помёта) данного вида животных:

где Bi — усреднённый выход биогаза на тонну сухого вещества данной биомассы.

Значения выхода биогаза рассчитывались для самого распространённого мезофильного режима сбраживания отходов после 10–20 дней ферментации [12].

Нормы образования отходов, их удельное энергосодержание и выход биогаза и метана при сбраживании приведены в табл. 1 (при вычислении использовались средние значения величин).

При расчёте технического энергопотенциала предполагалось, что для преобразования в потребительскую энергию используется вся масса отходов животноводства, без отчуждения части отходов на органические удобрения (энергосодержание 1 м³ метана принималось равным 36 МДж). Для преобразования энергии биогаза в тепло в расчётах принималось, что используются газовые водогрейные котлы атмосферного типа с КПД 90%. Состав и удельное количество биогаза зависят от многих факторов: вида и породы скота, половозрастного состава скота, условий содержания и кормления, технических характеристик и режимов работы биогазовых установок и т. д. В то же время в расчётах были использованы результаты многолетних исследований и практического использования биогазовых установок. В связи с этим полученные оценки ресурсов биогаза вполне приемлемы.

Данные Крымстата по величине тепловой энергии, потреблённой населением в 2021 году [13], и численности жителей (на 1 января 2021 года) [14] позволили определить душевое потребление тепловой энергии — 0,82 Гкал/год.

Результаты

Данные численности поголовья крупного рогатого скота (КРС) в Республике Крым с 2014 по 2021 годы показывают, что за эти годы число животных этого вида неуклонно стабильно возрастало (табл. 2). С учётом этой тенденции решили, что целесообразно рассчитывать выход биогаза из навоза этого вида животных по последним статистическим данным — по данным 2021 года.

Результаты расчёта потенциала производства биогаза из отходов крупного рогатого скота приведены в табл. 3.

Сравнение данных показывает, что наибольший энергетический потенциал для производства биогаза в Крыму обозначен у Первомайского района, данный потенциал тепловой энергии составил 55,7 тыс. Гкал/год. Существенным потенциалом обладают Раздольненский (31 тыс. Гкал/год) и Ленинский (23,5 тыс. Гкал/год) районы. Всего из отходов крупного рогатого скота можно получить биогаз в количестве 40,7 млн м³/год.

Следует отметить, что суммарный теплоэнергопотенциал отходов крупного рогатого скота на Крымском полуострове составил 205 тыс. Гкал/год.

Сравнение количества тепловой энергии, которая может быть получена из биогаза отходов крупного рогатого скота, и тепла, потребляемого населением, показало, что в двух районах (Первомайском и Раздольненском) технический теплопотенциал отходов КРС перекрывает потребляемое населением тепло в 2,21 и 1,26 раза, соответственно.

Аналогично были проведены расчёты потенциала производства биогаза из отходов свиноводства и оценено вероятное теплозамещение существующих источников тепла альтернативными. Как видно из табл. 3, энергия, которую можно получить из биогаза отходов свиноводства, незначительна. Суммарный теплоэнергопотенциал составил 42,4 тыс. Гкал/год, выход биогаза — 8,2 млн м³/год. Отходы свиноводства Красногвардейского и Симферопольского районов можно привлекать в качестве дополнительного ресурса при выработке энергии.

Расчёты показывают, что из отходов птицеводства можно получить в сумме 38 млн м³/год биогаза и 176,6 тыс. Гкал/год тепловой энергии (табл. 3). Наибольший энергетический потенциал для производства биогаза у Красногвардейского (77,8 тыс. Гкал/год) и Джанкойского (69,5 тыс. Гкал/год) районов. Как видно из табл. 3, в Джанкойском и Красногвардейском районах технический теплопотенциал отходов птицеводства перекрывает потребляемое населением тепло в 1,3 и 1,1 раза, соответственно.

Всего из отходов животноводства на Крымском полуострове можно получить 86,9 млн м³/год биогаза, энергия которого составляет почти 70 тыс. т.у.т/год. Из этого количества биогаза можно получить 424 тыс. Гкал/год тепловой энергии, которая может служить дополнительным теплом для жилищного сектора Республики Крым, так и для автономного энергообеспечения самих животноводческих комплексов и фермерских хозяйств.


Рис. 1. Потенциал производства биогаза из отходов крупного рогатого скота

Территориально районы с наибольшим потенциалом производства биогаза из отходов крупного рогатого скота располагаются в центральной и северо-западной частях полуострова (рис. 1).

Биогаз из отходов свиноводства можно использовать для получения дополнительного источника тепла в центральной части Крыма (рис. 2).


Рис. 2. Потенциал производства биогаза из отходов свиноводства

Наибольшим техническим потенциалом для возможного производства тепловой энергии из биогаза отходов птицеводства обладают центральная и северная части Крымского полуострова (рис. 3).

Выводы

1. Для регионов России, в частности, Республики Крым, со значительным развитием отрасли животноводства, вовлечение в оборот вторичного сырья с получением полезных продуктов является актуальным в свете принятого Федерального закона от 14 июля 2022 года №248-ФЗ «О побочных продуктах животноводства и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» [15].

2. Отходы животноводства являются перспективным видом сырья для получения энергии. Из отходов крупного рогатого скота (КРС), свиней и птиц в Республике Крым можно получить 87 млн м³/год (почти 70 тыс. т.у.т/год) биогаза и до 424 тыс. Гкал/год тепловой энергии.

3. Потенциал тепловой энергии, которую можно получить из биогаза отходов животноводства, превышает ежегодно потребляемую домохозяйствами региона тепловую энергию в муниципальных районах: Первомайском, Джанкойский, Раздольненском и Красногвардейском.

4. Применение энергии биомассы отходов позволило бы улучшить ситуацию с дефицитом энергии Республики Крым, снизить экологическую нагрузку, способствовало бы развитию региона.