Кластерный подход в производстве биотоплива в Алматинской области: экономико-экологический и социальный аспект

VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Кластерный подход в производстве биотоплива в Алматинской области: экономико-экологический и социальный аспект

Шинкарюк Л.Н. 1
1НУ"Школа"Престиж"
Абдиманапов Б.Ш. 1Колесникова Т.А. 2
1РК, г. Алматы КазНПУ им. Абая
2РК, г. Алматы НУ "Школа "Престиж"
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Актуальность проекта. Сложившаяся ситуация по производству электроэнергии, требует кардинального пересмотра источников производства и является весьма актуальной, особенно в годы глобального потепления климата и энергетического кризиса. Ежегодный рост дефицита углеводородного сырья и ухудшение экологической ситуации, потребовали иного и качественного перехода на альтернативные источники энергии [1].

Для решения данной проблемы, мы предлагаем проект по производству биотоплива на региональном уровне.

Факторы для производства биотоплива связанны с энергетической безопасностью, изменением климата, экономическим спадом.

Сегодня, на мировом рынке увеличились инвестиции в производство биотоплива. В результате растущего глобального спроса, многие развитые страны начали увеличивать свой потенциал по производству биотоплива.

Этому способствовали общий рост экономики, рост цен на нефть, налоговые стимулы, производственные субсидии и пограничные тарифные сборы, законодательное увеличение доли биотоплива в горючем в ряде стран мира.

В Казахстане сегодня эта отрасль находится практически не развита, несмотря на то, что есть все условия для этого.

Тема научно-исследовательской работы соответствует стратегии экономического развития Республики Казахстан в условиях четвертой промышленной революции. Кластерный подход в использовании биотоплива имеет ряд важных преимуществ. Развитие биотопливного производства окажет существенное влияние на рост экономики, развитие инфраструктуры, формирование биотопливного кластера, а также вытекающих последствий: к росту занятости, к производству экологически-безопасных продуктов и защите окружающей среды [2].

В проектной работе рассмотрена роль производства биотоплива в экономической, социальной и экологической сфере. На основе анализа собранных материалов были произведены экономические расчёты, выявлены перспективы производства биотоплива в регионе.

Значимые идеи проекта.Производство биотоплива экологично, затраты - минимальны. Алматинская область, со своими богатыми природными возобновляемыми ресурсами, может выйти на лидирующие позиции в этом секторе экономики в регионе. Привлечение инвестиций и заинтересованных компаний, продвинет экономику Алматинской области в производстве возобновляемых энергоресурсов, несмотря на то, что находится на самых ранних стадиях развития. При незначительном капиталовложении и модернизации техники, будут обеспечены необходимым топливом фермы и сельское хозяйство Алматинской агломерации.

Гипотеза: если производство биотоплива экологично, а затраты минимальны, то при наличии богатых возобновляемых энергоресурсов, экономически выгодно производство электроэнергии и её использование в хозяйстве отдельно взятого региона и страны в целом.

Цель проекта: разработать биотопливный кластер на примере Алматинской области Республики Казахстан.

Для достижения поставленной цели необходимо решение задач:

- исследовать ресурсно-сырьевой потенциал региона для развития альтернативной энергетики; - проанализировать и оценить существующую базу для развития биотопливного кластера, его преимущества и недостатки, возможности применения в условиях Алматинской агломерации; выполнить экономические расчеты;

- разработать кластер на основе использования биотоплива. Практическая значимость проекта заключается в практических рекомендациях и экономических расчетах производства альтернативных источников энергии на примере биотоплива, кластерный подход при производстве биоэнергетики. В проектной работе представлен биотопливный кластер, благодаря которому в Алматинской области увеличатся возможности выйти на лидирующие позиции в этом секторе экономики региона. Можно отметить, что начинается формирование рынка возобновляемых энергоресурсов и в нашей стране. Комплексное применение биотоплива в различных областях сельского хозяйства и строительство инновационного производства будет уникальным для Казахстана.

1. Реализация проекта и экономический эффект

1.1. Возможности реализации проекта

Решение региональных экологических проблем, наличие сырья для получения биотоплива, необходимость создания новых рабочих мест, безотходность производства и кластерный подход, обуславливают востребованность и коммерческий успех проекта [4]. Внедрение производства биотоплива в регионе инновационными компаниями будет содействовать понижению цены продаваемого на заправочных станциях региона топлива за счет добавления в его состав биотоплива без ухудшения энергетических характеристик, обеспечению устойчивого производства биотоплива и его реализации, созданию биотопливного кластера.

При производстве биотоплива образуется энергия, в то же время из него извлекаются компоненты, имеющие ценность для пищевой и фармацевтической промышленности и сельского хозяйства (клейковина, углекислый газ, глицерин, удобрения), которые используются как самостоятельные продукты, что уже окупает значительную часть затрат на производство биологического топлива. Сырьем для производства биоэтанола являются различные культуры, которые выращиваются в Алматинской области, сельскохозяйственные отходы и бытовой мусор в г. Алматы:

- пшеница, ячмень, рис (не прошедший отбор или испорченная в связи с неправильными условиями хранения) и стебли пшеницы (основной продукт при сборе);

- кукуруза (прошедшая отбор или испорченная в связи с неправильными условиями хранения);

- сахарная свекла (не прошедшая отбор или испорченная в связи с неправильными условиями хранения);

- отходы целлюлозы (полученная из бытового и промышленного мусора и привезенная из других районов);

- отходы в виде навоза от частных и крупных животноводческих хозяйств (молочно-товарные и откормочные комплексы, конефермы, свинофермы и др.).

Важным условием является обеспечение доступности сырьем круглый год, которое возможно при правильном планировании и поставках дополнительного сырья из соседних регионов, в том числе побочных продуктов и отходов сельского хозяйства и других видов производств. Наряду с этим, можно осуществить обеспечение аграриев высокоэнергетическим удобрением – биогумусом из технологических отходов производства.

Как известно, себестоимость биотоплива складывается на 70 – 80% из стоимости сырья, поэтому технологические установки надо будет располагать недалеко от источников сырья - рядом с крупными хозяйствами, вблизи границы с соседними районами, из которых может поставлять дополнительное сырье. Исходя из сложившейся экономической ситуации, предполагается внедрять проект в несколько этапов:

1) обеспечение сбора аналитической информации по предполагаемым источникам сырья;

2) разработка этапов или составных частей кластера;

3) экономическая эффективность;

4) привлечение инвесторов к постройке завода, покупке и наладке оборудования, концентрируясь, прежде всего, на получении опыта создания подобных производств и обучении будущего высококвалифицированного персонала и менеджеров.

Произведенная продукция будет направлена в основном на внутренне местные рынки (например, сочетание относительно дешевой рабочей силы, климата и земельных ресурсов, а также его географическое положение может способствовать привлечению инвесторов).

1.2. Экономический, социальный и экологический эффект от реализации проекта

Реализация проекта позволит:

Развить опыт работы в области энергоффективных технологий;

Создать бизнес-сообщества, привлечь инвестиции в регион;

Обеспечить привлечение государственных и частных инвестиций в наукоемкие технологии;

Создать новые рабочие места, развить соответствующий бизнес в районах Алматинской области в энергетическом и смежных с ним секторах экономики;

Увеличить поступления денег в местный бюджет области, что будет способствовать дальнейшему развитию региона и повышению уровня жизни жителей Алматинской области

Снизить трудовые миграционные потоки;

Повысить заинтересованность в открытии государственных и частнопартнерских компаний;

Улучшить экологическую ситуацию;

Повысить урожайность сельскохозяйственных культур;

Расширить возможности дальнейшего роста продовольственного пояса Алматинской агломерации;

Повысить показатели индекса человеческого развития в Алматинской области, устойчивое развитие сельских и пригородных территорий;

Повысить конкурентоспособность Алматинской области;

15. Понизить цены продаваемого на заправочных станциях региона топлива за счет добавления в его состав биотоплива без ухудшения энергетических характеристик.

Внедрение проекта позволит повысить уверенность предпринимателей, создателей и инвесторов в области наукоемких технологий, новаторов на рынке высокотехнологичных товаров и услуг, что может обеспечить благоприятный инвестиционный климат, стать своеобразным бизнес-инкубатором новых идей.

2. Бизнес-проект и технология производства биотоплива

2.1. Технология производства биотоплива

В последние годы в мире активно разрабатываются технологии получения биотоплива из бытового мусора, канализационных стоков, сельско–хозяйственных отходов, отходов промышленности [3].

Весь технологический процесс представляет собой сложную схему, от транспортировки отходов до производства готовой продукции (рисунок 1).

Рисунок 1 - Технологический процесс переработки отходов

Биогаз, полученный из отходов жизнедеятельности животных, представляет собой бесцветный газ, не имеющий запаха, содержит 70% метана. 1 куб. м биогаза дает столько же тепла, сколько дает 1.5 кг угля. При переработке 1 тонны навоза получается 100 куб. м топлива.

Целлюлозосодержащие компоненты (бумага, картон, древесина и пищевые отходы) являются перспективным сырьем для производства биотоплива. Во многих странах осуществляется реализация некоторых процессов переработки биомассы в спирты, жидкие и газообразные топлива.

Целлюлозосодержащие компоненты ТБО перерабатывают методом кислотного гидролиза. Организовывая предприятие по переработке отходов в биотопливо и его реализации, основной доход планируется получать от реализации продукта гидролизной переработки целлюлозосодержащей части отходов – гидролизного этилового спирта. Эффективнее размещение производства рядом с химпредприятиями, производящими кислоты или тепловых электростанций, имеющих избыток низкопотенциального тепла. В специальном реакторе под влиянием анаэробных бактерий (при отсутствии воздуха) в биомассе происходит брожение. В течение этого процесса происходит непрерывное выделение газа, на 60% состоящего из метана, на 35% углекислого газа и 5% других веществ, иногда сероводорода. При непрерывной выработке газа, он поступает из биореактора на очистку.

В результате очистки образуется биогаз, который используют в качестве биотоплива, а отходы идут на изготовление удобрений. Существуют установки для небольших хозяйств и домашних условий (одна из самых простых и распространенных вариаций: производственная нагрузка – до 200 кг навоза в сутки; функционально ограниченная); для больших хозяйств и промышленных фирм - больше функций, чем у первой установки; для сельскохозяйственных и животноводческих фирм - полный автоматизированный набор.

2.2. Бизнес-проект производства биотоплива

В рамках проекта предполагается организация производства дизельного топлива по новейшим технологиям с использованием европейского оборудования. Данное оборудование позволяет организовать производство дизтоплива из соломы, опилок и других органических отходов с применением нанотехнологий. Поэтому наиболее выгодным будет размещение такого производства в сельских территориях Алматинской агломерации (продовольственный пояс).

Данный проект рассчитан на один комплект оборудования, однако вспомогательные производственные площади позволяют использовать два комплекта, что с учетом скидки 20% позволит существенно повысить рентабельность проекта и снизить срок окупаемости, даже при условии отгрузки сельхозпредприятиям биодизельного топлива по льготному тарифу.

Суть проекта: в рамках бизнес-плана предполагается организация производства дизельного топлива по новейшим технологиям с использованием европейского оборудования. Данное оборудование позволяет организовать производство дизтоплива из соломы, опилок и других органических отходов с применением нанотехнологий. Поэтому наиболее выгодным будет размещение такого производства в продовольственном поясе Алматинской агломерации.

Долгосрочность просчета: 5 лет.
Потребность в инвестициях: 123 млн. тенге.
Средний годовой оборот: 54 млн. тенге.
Количество персонала: 26 человек.
Район: продовольственный пояс Алматинской агломерации.
Срок окупаемости проекта: 58 месяцев с момента начала реализации.

Таблица 1 - Конец формыПоказатель эффективности инвестиций бизнес-плана производства биодизельного топлива

Показатель

Тенге

Евро

Период окупаемости - PB,мес.

58

58

Чистый приведенный доход - NPV

9 млн 747 тыс.

 

Индекс прибыльности - PI

1,07

1,07

Внутренняя норма рентабельности – IRR, %

3,11

3,11

2.3. Бизнес-проект производства биотоплива из навоза

Отходы сельского хозяйства и пищевой промышленности позволяют получать энергию. Такими отходами могут быть навоз скота, свиней, птичий помет, отходы боен, пивная дробина, послеспиртовая барда, свекольный жом, канализационные стоки и др. [3]. Теплотворные возможности биотоплива довольно внушительны. К примеру, 1 куб. м. переработанного газа может дать столько же тепла, что и 1,5 кг угля. Ежегодно в животноводческих и птицевод–ческих хозяйствах образуется огромное количество навоза и помета. Каждые сутки образуется навоза: от одной головы крупного рогатого скота - 45 кг, свиньи - 4,5 кг, птицы - 0,1 кг (таблица 2). За год на птицефабрике производительностью 1 млн/год бройлеров образуется 1,5-2,0 тыс. т подстилки и помета.

Таблица 2 - Количество образующегося навоза и помета (в пересчете на одну голову животного)

Параметр

Птицы

Свиньи

КРС

кг/сут

0,1

4,5

45

% от живого веса

5-6

8-9

9-11

сухое вещество, %

20-30

15-20

10-11

средний сухой вес, кг/сут

0,03

0,7

4,5

По состоянию на 1 марта 2019 года в целом по Алматинской области поголовье рогатого скота составляло 1015,3 тыс. голов; овец и коз - 3552,3 тыс. голов; лошадей - 294,1 тыс. голов, верблюдов - 7391 голов, птицы - 9579,3 тыс. голов, свиней - 71,3 тыс. голов. Наши исследования, проведенные по данным молочно-товарной фермы ТОО «МедеуКоммерц» рассчитанной на 750 голов КРС, в окрестности аула Алатау (Иргели) Большеалматинского сельского округа Карасайского района показали, что в настоящее время ежегодный объем производимых органических отходов агропромышленного комплекса (АПК) Алматинской области в сумме составляет почти 12 тыс. тонн (4,4.тыс. тонн по сухому веществу).

Рисунок 1- Отходы животноводческой фермы

Из этого количество отходов можно ежегодно получать до 1,25 млн. куб. м биогаза (980 т. тут.), до 1 538 тонн пиллетов, 1 280. т «сингаза», который можно конвертировать в 2688. куб. м водорода, а также получить до 5 400 тонн этанола, и или до 2 700 тонн растворителей (бутанола и ацетона).

Определим объем реактора для небольшого частного хозяйства: если в наличии есть 5 коров, 10 свиней и 40 кур, то за сутки их жизнедеятельности образуется помета 5 х 55 кг + 10 х 4,5 кг + 40 х 0,17 кг = 275 кг + 45 кг + 6,8 кг = 326,8 кг. Чтобы довести куриный помет до необходимой влажности 85% необходимо долить 5 литров воды. Общая масса = 331,8 кг.  Для переработки за 20 дней необходимо: 331,8 кг х 20 = 6636 кг - около 7 кубов только под субстрат. Это две трети нужного объема. Чтобы получить результат, нужно 7х1,5= 10,5 куб. Полученная величина и есть необходимый объём биореактора. Для эффективной работы биореактора необходима его загрузка сырьем на 2/3 объема, необходимая для работы бактерий температура, поэтому бункер для подачи биомассы следует расположить на солнечной стороне, чтобы он прогревался.

Правильный отвод газа из биореактора. Получаемый в процессе брожения органики газ отводят через специальное отверстие, предусмотренное в конструкции верхней части крышки, которой плотно закрывают резервуар. Про биогаз можно сказать, что он считается экологически чистым видом топлива. Его основные характеристики очень схожи с природным газом, который добывают в промышленных масштабах [ 5,7]. Технология получения газа из навоза такова (рисунок 2). В специальную емкость (биореактор) помещают навоз, далее в этой емкости происходит безвоздушный процесс брожения биомассы с присутствием анаэробных бактерий [6]. Длительность данного процесса напрямую зависит от объемов сырья. Результатом такого брожения является выделение смеси газов: метан -60%, углекислый газ – 35%, другие газы -5%, в том числе небольшого количества сероводорода. Выделившийся газ постоянно отводится из емкости, после процесса очищения подается на использование по назначению. В процессе переработки навоз превращается в высококачественное удобрение, которое следует периодически удалять из биореактора.

Рисунок 2 - Схема биогазовой установки [6]

Следует сказать, что наиболее целесообразно производить переработку навоза в биогаз лишь в том случае, если есть прямой источник значительного количества навоза или других органических отходов.

2.4. Биотопливный кластер

П роизводство органического удобрения из продуктов производства биотоплива можно представить в виде последней цепочки биотопливного кластера (рисунок 3).

Рисунок 3 - Схема биотопливного кластера [8]

Органические удобрения – удобрения, содержащие питательные вещества в виде органических соединений животного, растительного, растительно-животного и промышленно-бытового происхождения. Они содержат большое кол-во влаги и различных питательных веществ. Эти удобрения чаще всего применяют на местах и недалеко от производства биотоплива [8]. В современном мире ежегодно используется 3 млрд. тонн органических удобрений. К органическим удобрениям относят навоз, торф, птичий помет, компосты, хозяйственные отходы, промышленные отходы, остатки сточных вод, зеленые удобрения.

Органические удобрения, полученные при переработке навоза и птичьего помета, оказывают комплексное воздействие на почву и является источником азота, зольных макроэлементов и микроэлементов. Они пополняет запас питательных элементов в почве, улучшает круговорот различных питательных элементов между почвой и растениями. Рекомендуется их использование при выращивании растений в закрытом грунте.

Древесную кору и опилки компостируют с навозом и навозной жижей и другими азотосодержащими веществами. Соотношение компостируемых материалов и навоза составляет 1:1, 2:1 или 3:2. В состав компоста могут вводиться фосфоритная мука, хлористый калий.

Бытовые отходы – отходы жизнедеятельности человека. Основная масса – бумажные и органические отходы. ТБО по содержанию питательных веществ и удобрительным качествам схожи с подстилочным навозом. При большом количестве пищевых компонентов мусор разлагается быстро и его можно применять как удобрение без компостирования. При преобладании непищевых отходов (бумаги, тряпок и пр.) разлагается медленно и применяется после компостирования.

Городской мусор содержит в среднем в расчете на сухую массу азота 0,6–0,7%, фосфора – 0,5–0,6%, калия – 0,6–0,8 %.

Городской мусор применяют как допосевное удобрение, под основную обработку почвы, в защищенных парниках.

Осадки сточных вод (ОСВ). Осадки сточных вод скапливаются в крупных городах на очистных сооружениях в размере от 1,5 до 1 % объема всех очищаемых вод. Влажность ОСВ высокая – 92–95 %. Перед применением в качестве удобрения ОСВ подвергают разнообразным способам обработки.

Содержание питательных элементов в ОСВ варьирует в зависимости от состава сточных вод и технологии получения. Средний состав ОСВ, % на сухую массу представлен в таблице 4.

Таблица 4 - Средний состав ОСВ, % на сухую массу» [6]

 ОСВ

Азот 

(N)

Фосфор 

(P2O5)

Калий

 (K2O)

Кальций (CaO)

Магний 

(MgO)

Из первичных отстойников

1,6 – 4,0

0,6 – 5,2

0,2 – 0,6

11,8 – 35,9

2,1 – 4,3

Активный ил

2,4 – 6,5

2,3 – 8,0

0,3 – 0,4

8,9 – 16,7

1,1 – 11,4

Сброженный ил

1,7 – 6,0

0,9 – 6,6

0,2 – 0,5

12,5 – 15,6

1,5 – 3,6

После термичес-кой сушки

1,0 – 3,0

2,0 – 6,0

0,5 – 1,0

13,0 – 40,0

4,0 – 10,0

 ОСВ рекомендуют для удобрения парков, лесопитомников, газонов и других культур.

Солома зерновых злаковых культур.Удобрение из соломы зерновых злаковых культур способствует улучшению физико-химических свойств почвы, усиливает активность микроорганизмов, их азотофиксирующую способность, уменьшает потери азота, повышает доступность фосфатов, увеличивает содержание гумуса в почве на уровне внесения навоза. Особенно эффективно внесение соломы с добавлением азота под пропашные культуры с длительным периодом вегетации. Систематическое применение соломы как удобрения в севооборотах значительно повышает ее эффективность.

Таким образом, мы предлагаем использовать отходы, образующиеся в результате производства биотоплива, в качестве удобрений. Они используются как самостоятельные продукты, что уже окупает значительную часть затрат на производство биологического топлива.

Заключение

Биологическое топливо может являться началом инновационного развития в Республике Казахстан, где применение и производство данного вида топлива решит не только проблемы агропромышленного комплекса: обеспечение качественных продуктов питания, решения продовольственной безопасности региона и страны, но и увеличения занятости населения, поддержания традиционного образа жизни и решения вопроса социальной защиты населения Казахстана. К тому же при производстве биологического топлива, в основном используются растениеводческая продукция технического характера, отходы производства, а также излишки продовольственного сырья, что не окажет ущерба продовольственной безопасности, а наоборот решит проблемы с загрязнением окружающей среды.

Таким образом, основной задачей на ближайшее будущее является обеспечение поддержки государством на законодательном уровне в сфере производства биотоплива.

Анализируя данные, собранные с разных предприятий вокруг школы, мы сделали вывод, который заключается в том, что, перерабатывая пластиковые, бумажные и пищевые отходы различных производств в биотопливо, то в качестве источника энергии оно сможет окупить аренду помещения, уменьшить плату за электроэнергию. Использование биотоплива сможет обеспечить несколько рядом стоящих школ, больниц и др. госучреждений.

Список использованных источников и литературы

1. Концепция развития рынка биотоплива в Казахстане до 2010 года.
2. Стратегия индустриально-инновационного развития Республики Казахстан до 2015 г. (Утверждена Указом Президента Республики Казахстан, № 1096 от17.05.2003 г.)

3. https://econet.ru/articles/146539-kak-poluchit-biogaz-iz-navoza-tehnolo-giya-i-ustroystvo-ustanovki-po-proizvodstvu «Как получить биогаз из навоза: технология и устройство установки по производству». 4. https://www.kazportal.kz/razvitiya-biologicheskih-vidov-topliva-v-kazah-stane/ «Перспективы инновационного развития биологических видов топлива в Республике Казахстан».

5. https://riss.ru/analitycs/1030/ «Роль и значение биотоплива в развитии альтернативной энергетики» автор.

6. http://www.energoinform.org/professionals/waste-recycling.pdf «Перера-ботка отходов».

7. http://profermu.com/ogorod/preparaty/biogaz.html «Технология получения и производства биогаза из навоза». 8. http://www.pesticidy.ru/group_fertilizers/organic_fertilizers «Органические удобрения».

Просмотров работы: 8