Проект биогаза Азовского моря

Морская гелиобиоэлектростанция.

Водоросли в настоящее время стремительно превращаются в основной источник сырья для биотопливной промышленности. Объем инвестиций в 2008 году в водорослевую энергетику в развитых странах составил свыше 300 млн долл. США. Препятствие, с которым пока сталкивается водорослевая энергетика, – гибель монокультур водорослей при выходе на большие акватории.

Наиболее распространенный промышленный метод производства биогаза – анаэробное сбраживание в специальных емкостях – метантенках. Биогаз используют для производства электроэнергии, тепла, пара или в качестве автомобильного топлива.

Среди промышленно развитых стран ведущее место в производстве и использовании биогаза по относительным показателям принадлежит Дании – биогаз занимает до 18% в ее общем энергобалансе.

Затраты в мире по этому направлению в 2008 году, например, превышали 300 млн долл. Эта сумма включает следующие составляющие:

1) 100 млн. долл. инвестиций Билла Гейтса и Фонда Рокфеллера в компанию Sapphire;

2) более 45 млн долл. в 2008 году инвестировано в компанию Solazyme; это средства компании Chevron и частных инвесторов;

3) контракт с компанией Green Fuels в сумме 92 млн долл. на производство биомассы водорослей в Испании;

4) контракт с компанией Petrosun в сумме 40 млн долл. на производство водорослей в Китае;

5) инвестиции Министерства энергетики США в 2008 году в размере 2,3 млн долл. в новые водорослевые проекты;

6) объявленные гранты Великобритании в размере 40 млн долл. для ведущих компаний по выращиванию водорослей.

Начало пути

В России использование биогаза находится в зачаточном состоянии, хотя еще в 1982 году была издана (в переводе) книга: Баадер В., Доне Е., Бренндерфер М. «Биогаз: теория и практика». Несмотря на все экологические проблемы, связанные с другими видами топлива, биогаз пока не занял своего места в списке используемых энергоносителей. Однако переход к возобновляемым источникам энергии неизбежен. С учетом этого заслуживает рассмотрения возможность использования биогаза различного происхождения, в том числе и получаемого из морских водорослей. В нашей стране одним из перспективных регионов получения такого газа является Азовское море.

В Азовском море, как и во всех морях и океанах, происходит накопление донных отложений. Материал для них приносят Дон, Кубань и другие реки – как в растворенном виде, так и в виде ила, песка и гравия. Песчаные и илистые частицы поступают в море в результате разрушения волнами береговых уступов. Поскольку берега сложены преимущественно суглинками, мелкие частицы преобладают. Раковины моллюсков на пляжах под действием волнения истираются, и образующаяся муть уносится в море.

Один из наиболее важных компонентов донных отложений образуется в самом море. Это мельчайшие, но очень многочисленные планктонные животные (зоопланктон) и растения (фитопланктон). По данным академика Льва Зенкевича, состав фи­топланктона Азовского моря насчитывает 258 видов и разновидностей водорослей. В прибрежной части моря и лиманах обнаружено 174 вида микроводорослей. Биомасса фитопланктона для Азовского моря составляет в среднем 3635 мг/м³. В течение года фитопланктон цветет дважды и испытывает два пика численности: один в начале лета, второй в августе-сентябре. Связано это с тем, что весной цветут диатомовые водоросли, численность которых достигает 7 г/м³, а осенью другие организмы – перидинеи, достигающие численности 2 г/м³. После цветения фитопланктон отмирает, опускается на дно и образует органическую часть донных отложений.

В Черном море образующиеся на небольших глубинах илистые частицы и органическое вещество в большинстве своем уносятся волнами и течениями за пределы шельфа. В глубоководных условиях происходит захоронение органического вещества, его глубокая переработка и образование в дальнейшем углеводородов. В Азовском море этого не происходит: оно мелководно, соединяется с Черным морем только через Керченский пролив и, ко всему прочему, на входе в пролив дно повышается на 2 м. Азовское море – ловушка для илистого материала. То же можно сказать и о питательных веществах, приносимых реками: большая их часть остается в море. Из-за мелководности – преобладают глубины 9–12 м – вода хорошо прогревается, перемешивается, обогащаясь кислородом. Особенно теплая вода в заливах и лиманах. Дон и Кубань приносят очень большое количество питательных веществ – азота, фосфора, кремнекислоты в виде взвеси и в растворенном состоянии. Эти вещества частично усваиваются организмами, частично опускаются на дно, но в результате перемешивания вновь поступают в водную толщу.

Все эти факторы очень способствуют развитию жизни во всех ее формах – не только планктонной, пассивно перемещающейся в водной толще, но и активной нектонной (рыбы, дельфины), а также бентосной. Жизнь организмов бентоса связана с дном. Именно эти существа вместе с микроорганизмами активно разлагают поступающее на дно органическое вещество, препятствуя его захоронению. Большую роль играют частицы ила неорганического происхождения: по своему составу они представляют мельчайшие чешуйки глинистых минералов с очень большой удельной поверхностью. На ней происходят активные химические реакции.

В летнее время воды Азовского моря прогреваются очень сильно, и нередко у берегов вода имеет температуру 30–31 градусов Цельсия, а в средней части моря 25–26 градусов Цельсия, зимой же опускается ниже нуля. Обычно вследствие мелководности воды Азовского моря хорошо переме­шиваются, соленость и температура одинаковые от поверхности до дна, так что кислород имеется в достаточном количестве во всей толще воды и у дна. Но если перемешивание затормаживается, что бывает летом в жаркое и тихое время, могут происходить катастрофические явления «за­мора», в силу того что верхний сильно прогретый и несколько опреснен­ный слой становится легче глубже лежащих слоев, а волнение и ветер, ко­торые так легко перемешивают воду, отсутствуют. Имеющийся в воде кислород используется для дыхания полностью, а новый не поступает. Впрочем, отмирающие организмы все равно попадают на дно.

Визуально илы Азовского моря представляют собой черные, темно-серые и серые желеподобные осадки, цвет которых светлеет при увеличении содержания песчаных и алевритовых (промежуточных по размеру между песками и глинами) частиц. Они содержат большое количество органики, часто газонасыщены, имеют сероводородный запах. В них встречаются раковины моллюсков; частицы псаммитовой (песчаной) размерности имеют терригенное происхождение – результат разрушения горных пород – или представляют собой раковинный детрит, то есть мелкие обломки раковин.

Замкнутый цикл преобразования солнечной энергии в электрическую.  Схемы предоставлены авторами

Таким образом, в Азовском море в настоящее время происходит процесс образования биогаза в донных илах. В обычных условиях биогаз выделяется из донных илов, проходит через толщу воды и поступает в атмосферу. Этот газ горит, и его целесообразно использовать в дополнение к обычному природному газу. Самое главное при этом то, что образование биогаза – природный процесс, при котором не образуются отходы, загрязняющие вещества, не наносится ущерб окружающей среде, а источник энергии – возобновляемый.

На Азовском море большую роль играют квазициклические (то есть почти циклические) процессы развития берегов. На фоне продолжающегося подъема уровня Мирового океана и связанного с ним Азовского моря отмечается чередование аккумуляции – накопления песка – и размыва кос, баров в дельтах рек (Кубань), пляжей и других аккумулятивных форм. Цикличность процессов происходит с различной периодичностью; один из проявляющихся циклов – 30–35 лет. Однако в целом эти колебания имеют более сложный характер. Это определяет развитие берегов с переменным режимом. Можно предполагать, что такой же характер имеют процессы накопления илов и генерации биогаза.

АНИС-Технология

Ученые географического и химического (Азовская научно-исследовательская станция) факультетов МГУ им. М.В. Ломоносова совместно с коллегами из Приазовского государственного технического университета (Украина) изучают илы Азовского моря и вопросы образования из них газа. Наблюдения за динамикой природных процессов на северном побережье Азовского моря проводятся с 1997 года. С 2010 года в Белосарайском заливе оконтуривались границы илистых отложений, отбирались пробы и определялось содержание органического вещества, проводились специальные наблюдения за процессами генерации биогаза, определялось содержание органического вещества в илистых отложениях, изучался химический состав газа, выделяемого из донных отложений до его подъема на поверхность; разрабатывались варианты наиболее целесообразной его утилизации, для чего необходимы представления о хронологической (временной) структуре процессов генерации биогаза.

Установлено, например, различное содержание органического вещества в илах: от 7–14% вблизи берега до 2–3% вдали. Сравнение химического состава газа у дна с газом, собранным на поверхности воды при глубине моря более 1 м, показало их различие. Придонный газ содержит кроме метана сероводород, углекислый газ и другие вредные примеси. Метана в нем около 63%, углекислого газа – до 33%. Собранный на поверхности воды газ состоит на 80–93% из метана; содержание углекислого газа уменьшается до 7%, а сероводород практически отсутствует. Это означает, что толща воды более 1 м способствует очищению биогаза за счет большей растворимости сероводорода и других вредных примесей. По оценкам специалистов, 1 кв. м водной поверхности может за сезон (апрель–октябрь) дать примерно 30 м³ газа.

Возникает вопрос: как практически можно использовать биогаз? В поисках ответа на него специалисты Азовской научно-исследовательской станции разработали проект «АзовБиоТехГаз», составной частью которого является АНИС-Технология, включающий принципиальную схему морской гелиобиоэлектростанции. Установка по получению биогаза должна состоять из нескольких блоков-реакторов. Первый реактор – это фитогенератор. Он располагается на поверхности воды и имеет прозрачное для солнечных лучей покрытие. В нем продуцируется биомасса фитопланктона, осуществляющего фотосинтез. Для этого он использует энергию солнечных лучей, углекислый газ, воду, питательные элементы и в итоге создает новое органическое вещество. Это вещество – биомасса – поступает во второй реактор.

Второй реактор – это донные илы, в которых поступающая биомасса перерабатывается микроорганизмами, в результате чего получается биогаз. Оборудование по сбору газа располагается на дне. Предполагается его периодическое перемещение по дну после того, как на данной площади биогаз будет собран. Кроме того, газ для очистки должен проходить через воду с помощью специального устройства.

Полученный газ может в сжатом виде транспортироваться в баллонах к местам потребления, но может подаваться в третий реактор, где используется в качестве топлива для выработки электроэнергии.

Такова принципиальная схема. Можно сказать, что ученые свою работу выполнили: проанализировали ход процесса накопления донных осадков Азовского моря, определили его специфику, выяснили происхождение морского биогаза, сформулировали идею его использования, разработали принципиальную схему сбора и утилизации газа.

Следующий этап – создание опытно-промышленной установки. Она представляет собой мобильную платформу с необходимым оборудованием, приспособленную к работе на мелководье и выполненную с максимальным использованием имеющихся малых плавсредств, оборудования и деталей, не являющихся особым дефицитом и вполне доступных. У платформы должна быть рабочая палуба достаточных размеров. Поскольку первый и второй реакторы представляют собой забортные устройства, которые необходимо то приводить в рабочее состояние, то поднимать на борт, их размеры должны позволять это делать. Соответственно на борту должно находиться подъемное устройство – стрела, лебедка, генератор. Сама платформа должна выходить к месту работы, долгое время находиться там, иметь возможность уйти в укрытие в случае ухудшения погоды или в других ситуациях – то есть быть достаточно мобильной.

Надо сказать, что вся предполагаемая работа носит сезонный характер: с апреля по октябрь. Зима на южном, но замерзающем Азовском море – весьма суровое время года. Поэтому надо обеспечить опытно-промышленную установку укрытием на зимний сезон.

Из сказанного ясно, что если на первом этапе работы могли проводиться в инициативном порядке, то для создания и эксплуатации опытно-промышленной установки нужны инвестиции. По предварительным оценкам, их размер составляет около 10 млн руб. Поскольку весь проект находится в начальной стадии, существуют вопросы, на которые пока нет точного ответа. Например, какова себестоимость биогаза, стоимость установки, время ее окупаемости и целый ряд других. Но известно, что традиционная метантенковая технология на суше обеспечивает себестоимость в 20–40 долл/1000 м³ биометана. Морская технология позволит понизить и приблизить себестоимость биометана к себестоимости традиционного природного газа на месте его добычи.

Морская биометановая технология по своей сути принципиально не отличается от традиционной метантенковой, но позволяет ее существенно упростить:

1) исключить необходимость создания наиболее трудоемкого и дорогостоящего элемента метанового реактора – герметической вмещающей емкости, необходимость в которой отпадает в морских условиях;

2) исключить транспортировку и подготовку исходного сырья, так как сама установка монтируется в месте наличия готового сырья;

3) проводить естественную очистку полученного биогаза – получать практически чистый биометан;

4) получать исходное биосырье, используя естественные биосообщества в природной среде обитания;

5) исключить необходимость использования дорогостоящих газопроводов.

Существуют методы интенсификации производства биометана:

1) повышение температуры в реакторном пространстве;

2) активирующие добавки в реакторное пространство.

Кроме того, происходит естественная интенсификация из-за наличия большой массы терригенного (образовавшегося при разрушении горных пород) глинистого материала, увеличивающего поверхность взаимодействия.

Варианты утилизации

Полученный биометан можно утилизовать следующим образом: использование газгольдеров; компримирование – сжатие в баллоны; сжижение; химическая переработка; генерирование электроэнергии. Газовые дизель-генераторы хорошо работают на биогазе. За рубежом этот процесс уже хорошо апробирован на использовании свалочного биогаза.

Целесообразно рассмотреть некоторые риски при осуществлении проекта.

1. Реальный риск – незрелость рынка. Потребитель ориентирован на использование природного газа, добываемого за тысячи километров. Но это положение не будет сохраняться вечно как в силу конечности запасов сырья и все возрастающей трудности их извлечения, так и по экологическим причинам. О сложности эксплуатации даже богатых, но находящихся в очень трудных природных условиях запасов говорит непростая судьба месторождений арктического шельфа. Стоит учесть и то, что крупнейшие нефтегазовые компании являются одновременно и главными инвесторами в разработку биогазовых технологий.

2. Политические и макроэкономические риски отчетливо обозначились в связи с развивающимся мировым экономическим кризисом. Но и этот кризис, несмотря на его небывалые масштабы, рано или поздно разрешится, в то время как роль метана в энергетике будет только возрастать.

3. Технологические риски возможны при значительном расширении производства; они могут возникнуть вследствие необходимости перекрытия больших площадей донного грунта. Однако это же расширение приведет к снижению себестоимости газа.

Преимущество нашего проекта – это использование исключительно природных подходящих акваторий, которыми богато Азовское море (теплые мелководные заливы и лиманы с высоким содержанием естественного биопродукта), вместо искусственных тепличных водорослевых плантаций и различных технических биореакторов. Еще одно из преимуществ проекта – использование исключительно природных сообществ водорослей (как макро-, так и микроводорослей), зоопланктона, нектона и бентоса, которые при завершении естественного цикла развития переходят в донный ил. Несомненной положительной стороной при этом следует считать развитую инфраструктуру на большинстве берегов Азовского моря, наличие газозаправочных станций в населенных пунктах, отсутствие необходимости транспортировать газ на дальние расстояния и специально очищать его, ну и, конечно, экологическую чистоту и возобновляемость энергии. Это ведь лишь первые шаги в очень перспективном деле.