Возможности комбинированных биогазовых установок, использующих возобновляемые источники энергии

В связи с постоянной тенденцией к удорожанию природного топлива и с возрастающим в связи с этим интересом к нетрадиционным источникам энергии бытовые отходы также находят свое место в общем энергетическом балансе многих стран.

Что такое свалка сегодня. Прежде всего — это гниение, в процессе которого происходит разложение органических веществ. При этом выделяется биогаз или биометан, а также наблюдается повышение температуры в центре разложения.

Образующийся угарный газ (оксид углерода) крайне неблагоприятно воздействует на экологическую обстановку. При воспламенении в теле свалки неизбежно загораются отходы из пластика, продукты его распада обладают мутагенным воздействием на человека.

Оценки показывают, что обеспечение среднестатистического жителя продуктами питания сопровождается выбросом в окружающую среду около 3 т/год биомассы в виде растительных отходов, навоза и помета, фекалий и органических составляющих твердых бытовых отходов. При этом важно учитывать, что для жизнеобеспечения человека необходимо сохранять приемлемые нормы потребления на всех этажах упомянутой ниже пирамиды. Человек как гетеротрофная (питающаяся органическим веществом) система существует за счет энергии и биомассы, создаваемыми почвенно-растительными экосистемами. Понимание и рациональное использование взаимоотношений автотрофных и гетеротрофных компонентов в биосфере лежат в основе успешного управления циклическими биохимическими процессами. Установленное соотношение массы человека, его пищевого белкового ресурса (животных) и растительного источника их существования составляет 1:10:100. Такое же соотношение распространяется и на энергетические затраты для каждого из этажей пирамиды. Другими словами, с точки зрения экологии, обеспечивая питание человека, мы обязаны заботиться о системе питания животных, растений и, особенно, флоры и фауны почвы.

В этой связи перспективно, энергетически и экономически выгодно использовать органические отходы для переработки не только в энергию, но и органоминеральные удобрения, повышающие плодородие почв.

Раздельный сбор отходов и их переработку, например, Гринпис считает единственной подходящей альтернативой мусоросжиганию [1].

Относительно объемов отходов и их негативного воздействия на окружающую среду. Так в Омске на свалки в течение года поступает более 400 тысяч т твердых бытовых отходов (ТБО), при влажности до 65 %. При этом вместе с атмосферными осадками в почву, грунтовые воды, реки уносится неконтролируемое количество различных вредных для человека веществ. Происходит резкое ухудшение экологической обстановки не только в районах свалки, но и на достаточном удалении от неё. При самовозгорании выделяется весь букет вредных выбросов, включая канцерогенные, как диоксины и фураны.

Если металл, бумага, пластмасса, кости и другие компоненты, находящиеся в составе бытовых отходов, загрязнены, то возникает вопрос, как их очистить от налипшей грязи, уничтожить санитарно опасные микроорганизмы перед сдачей организациям для использования в качестве вторичных ресурсов. Степень загрязнения компонентов допускается принимающими организациями не выше 5 % (в соответствии с требованиями ГОСТов), что также является одной из проблем переработки ТБО.

На очистных сооружениях канализации города Омска ежесуточно образуется 28 т осадка в пересчете на сухое вещество. В период работы промышленности города на полную загрузку ежесуточно образовывалось до 50 т осадка в пересчете на сухое вещество.

В илошламонакопителях (их несколько карт) уже накоплено и хранится около 10 млн т иловых осадков с натуральной влажностью 92 % [2].

Анализ показывает, что биомасса отходов, которая возникает и может быть использована в пределах города, содержит не более 10 % совокупного энергетического потенциала. Основной потенциал, содержащийся в отходах, остается у сельхозпроизводителя (вне городских поселений), где он может быть с успехом использован при организации производства продуктов питания для последующего сбыта в городах.

В связи с этим представляет интерес количество биомассы, сопровождающей производство и потребление основных продуктов питания.

На рисунке 1 представлено содержание среднестатистической продовольственной корзины и энергетический потенциал биомассы, сопровождающей производство и потребление содержащихся в ней продуктов питания

Рисунок 1 – Распределение энергетического потенциала отходов, возникающих при производстве и потреблении основных продуктов питания

Применение экологически чистых органических удобрений на основе переработки отходов животноводства позволяет получать в растениеводстве экологически чистую продукцию без применения дорогостоящих минеральных удобрений и ядохимикатов и одновременно значительно повысить урожайность, всех без исключения сельскохозяйственных культур, особенно кормовых трав и овощей.

При этом суммарные доходы от реализации продуктов анаэробной переработки отходов животноводческих ферм могут превышать доходы от реализации производимого на фермах мяса.

Получаемые жидкие концентрированные экологически чистые органические удобрения полностью сохраняют калий, азот в легкоусвояемой аммонийной форме и фосфор в окисной форме. Твердую гумусосодержащую органическую биомассу, образующуюся в процессе переработки биомассы, как показали результаты исследований, можно совместно с торфом с успехом использовать для рекультивации и структурирования обедненных почв.

Предлагаемый автором гелиометантенк-реактор [3] может стать в составе солнечной биогазовой установки для малых предприятий, фермерских хозяйств частью локальной архитектуры автономного самоэнергообеспечения и энергосбережения (рисунок 2).

Рисунок 2 – Функциональная схема солнечной биогазовой установки

Использование солнечной энергии, аккумулируемой солнечным соляным прудом, при выработке биогаза (биометана) принципиально отличается, по эффективности, от предлагаемых ранее технологий использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

Возможности комбинированных биогазовых установок, использующих ВИЭ при выработке биогаза, приведены в таблицах 1, 2, 3, 4.

Это — сводный анализ наиболее эффективных с точки зрения минимизации: энергетических потерь; расхода создаваемых человеком материалов; отрицательного воздействия на окружающую среду и человека использования в средней полосе России наиболее распространенных видов ВИЭ для выработки биогаза. К этим видам ВИЭ относятся в первую очередь энергия Солнца, ветра, геотермальная энергия.

Таблица 1 – Достоинства и недостатки комбинированных биогазовых установок для средней полосы России

Тип установки	Преимущества	Недостатки	Область применения
С солнечным соляным прудом	Минимальное количество технологических переделов. Простота. Не требуется резервного источника тепловой энергии	Значительные площадь и объем пруда. Наличие большого концентратора солнечной энергии	В местностях с низкой плотностью проживания и размещения производств
С солнечным коллектором	Минимальное количество технологических переделов. Малые размеры	Требуется резервный источник тепловой энергии	В условиях плотного размещения производств
С ВЭУ	Возможность выработки биогаза в условиях низкой солнечной радиации	Деградация «механической» энергии установки в теплоту. Требуется резервный источник тепловой энергии	В местностях со сверхнизкой плотностью проживания и размещения производств
С использованием геотермальной энергии	Минимальное количество технологических переделов. Не требуется резервного источника тепловой энергии	Большая стоимость. Трудоемкость эксплуатации. Компромисс — использование совместно с ГэоЭС	В условиях плотного размещения производств

Таблица 2 – Эксплуатационные характеристики комбинированных биогазовых установок в средней полосы России

Тип установки	Период эксплуатации	Неблагоприятные климатические факторы	Поступление биогаза в газгольдер
С солнечным соляным прудом	Весна, лето, осень	Ветер, пыль	100 %
С солнечным коллектором	Круглый год при наличии резервного источника тепловой энергии	Град, пыль, дождь, снег, ветер Холодная погода	<100 %, т. к. часть выработанного биогаза будет использоваться для поддержания температуры в биореакторе
С ВЭУ		Штиль. Обледенение. Порывы ветра
С использованием геотермальной энергии	Круглый год	Холодная погода	100 %

Таблица 3 – Экономические особенности комбинированных биогазовых установок для средней полосы России

Тип установки

Используемые природные материалы

Остальные используемые материалы

перечень

срок службы

перечень

срок службы

С солнечным соляным прудом

Вода, соль, грунт, глина, галька, песок >90 % от веса системы

Не ограничен

Металл, пластики

До 10 лет

С солнечным коллектором

—

Металлы, стекло, пластики

До 10 лет

С ВЭУ

—

Бетон,

металл, пластики

До 10 лет

С использованием геотермальной энергии

—

Бетон, металл, пластики

До 10 лет

Таблица 4 – Социальные и экологические характеристики комбинированных биогазовых установок в средней полосе России

Тип установки	Влияние на занятость населения	Влияние на энергетическую безопасность	Воздействие на окружающую среду
С солнечным соляным прудом	Создается новое сезонное производство	Уменьшается зависимость территориального образования, производства и быта от поставок моторного топлива	—
С солнечным коллектором	Создаются новые постоянные производства.		Вредные выбросы от резервного источника тепловой энергии
С ВЭУ			Вредные выбросы от резервного источника тепловой энергии
С использованием геотермальной энергии			Загрязнение солями

Технико-экономические характеристики гелиобиогазовой установки ГБГУ-100

(масштаб цен и методика расчета 2007 года)

•Солнечный соляной пруд глубиной 2,3 м (с теплоизоляцией)

площадью 50 м² (10×5 м) с теплопроизводительностью — 40 МВт∙ч/сезон*

(* сезон — 215 дней для 55° северной широты).

• Рабочий объем гелиометантенк-реактора — 10 м³.

• Количество гелиометантенк-реакторов — 2 шт.;

• Температура метаногенерации — 53…54 ⁰С.

• Производительность установки (биогаз с удельной

теплотой сгорания 21 МДж/м³ или 5,84 кВт∙ч/м³) — 100 м³/сутки

— 21500* м³/сезон.

(* без учета работы установки ранней весной и поздней

осенью с температурой метаногенерации 35 ⁰С)

• Суточная загрузка сырья (растительной биомассы,

отходов животноводства влажностью 85 – 90 %) — 4 т.

• Среднесуточное количество теплоты с температурой

85 – 90 ⁰С, аккумулируемой прудом для нагрева сырья — 186 кВт∙ч.

• Количество теплоты для нагрева 4 т сырья с 14 до 54 ⁰С — 186 кВт∙ч.

• Расход теплоты пруда для производства 1 м³ биогаза — 1,86 кВт∙ч.

• Разница между количеством теплоты аккумулируемой

прудом и требуемым для рабочего процесса — 0*

* без учета теплоты рекуперируемой из сливаемого

жидкого удобрения и изменения теплосодержания

сырья от жизнедеятельности бактерий.

• Потери теплоты в окружающую среду через

ограждающие конструкции реактора — 0*

(* у традиционных реакторов они составляют

0,05 – 0,07 кВт/м² ограждающей конструкции.

При площади ограждающей конструкции 60 м²

суточные тепловые потери составляют 72 – 100 кВт∙ч)

• Количество произведенного жидкого удобрения — 4 т/сутки

— 840* т/ сезон

(* без учета периода метаногенерации с температурой

35 ⁰С. Полученная прибыль от внесения в почву 1 т этого

удобрения составляет от 200 до 500 рублей, т. к. урожайность,

например, зерновых культур повышается: гороха на 50 %;

пшеницы на 25…30 %; ячменя на 15…20 %; овса на 10…15 %)

• Расход биогаза на собственные нужды —отсутствует.

Ориентировочная стоимость гелиобиогазовой установки ГБГУ – 100

составляет 600 тыс. рублей и состоит из:

• Стоимости солнечного соляного пруда — 80 тыс. руб.

• Стоимости отражающих полированных алюминиевых

панелей (плиток) на стене здания площадью 80 м² — 20 тыс. руб.

• Стоимости 2-х гелиометантенк-реакторов с КИП и

арматурой — 500 тыс. руб.

Приведенные затраты на выработку 1 м³ биогаза в гелиобиогазовой установке ГБГУ-100 (в первом приближении)

З = С + Е×К= 4 + 0,12(600000 руб./21500* м³ биогаза за сезон) = 7,35 руб./м³ биогаза (для сравнения, стоимость 1 кг баллонного газа (пропан-бутан) — 18 рублей), где: С = 4 руб.** — себестоимость 1 м³ биогаза, складывающаяся только из зарплаты по обслуживанию биореактора в течение 4 – 5 часов, солнечного соляного пруда в течение 0,5 – 1 часа и остальное время суток дежурства, по необходимости. При выработке 100 м³ биогаза в сутки оплата составляет 400 руб. (12000 руб. в месяц);

Е=0,12 — нормативный эффективный коэффициент капвложений в энергетике (при сроке окупаемости — 8,3 года);

К— капвложения в гелиобиогазовую установку ГБГУ-100 на 1 м³ вырабатываемого биогаза.

*без учета работы установки ранней весной и поздней осенью с температурой метаногенерации 35 ⁰С

**Расходы электроэнергии и воды (по стоимости) пренебрежительно малы. Зимой биореактор можно использовать для хранения страхового запаса газа, например, бутана или очищенного биогаза.

После срока окупаемости приведенные затраты на 1 м³ генерируемого биогаза будут определяться только оплатой труда обслуживающего персонала и стоимостью отходов.

Все расчеты проведены без учета прибыли, получаемой от реализации жидких удобрений (в том числе по бартеру, за сырьё), социального фактора — создания нового сезонного производства и зимнего хранилища газа.

Столь пристальное внимание к необходимости наиболее эффективной переработки органических отходов закономерно.

Из всех известных видов переработки органических отходов антропогенного происхождения единственным, полностью возвращающим переработанный материал в виде пригонных к применению веществ, признается биологический способ утилизации (метаногенез). Главное преимущество использование растительной биомассы как сырья — возможность применения биотехнологий для получения энергии, то есть технологий, которые не нарушают экологического состояния окружающей среды. Отходы и побочные продукты такой технологии, являясь компонентами биосферных циклов, тоже могут служить сырьем, что ведет к полностью безотходным технологиям будущего.

Это актуально также и потому, что, как правило, природные геобиоценозы имеют ограниченную продуктивность, и их производительность часто не может обеспечить необходимые потребности человека (особенно это наглядно видно в сфере производства продовольствия). Искусственные геобиоценозы призваны обеспечивать требуемую производительность и устойчивость к вредным воздействиям. Однако для быстрого биологического самоочищения экосистем необходимо повышать скорость обмена веществом и энергией и вовлекать в биотический круговорот весь объем продуцируемой биомассы.

Комбинированные биогазовые установки как раз и призваны эффективно и экономично, способствовать повышению скорости обмена веществ и энергий.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Новости. Сжигать мусор себе дороже // Альтернативная энергетика. 2008. № 2. С. 4.

2 Лебедев В.М.Теплоэнергетика региона– Омск: 1998. 102 с.

3 Осадчий Г.Б. Солнечная энергия, её производные и технологии их использования (Введение в энергетику ВИЭ). Омск: ИПК Макшеевой Е.А., 2010. 572 с.

Автор: Осадчий Геннадий Борисович, инженер, автор 140 изобретений СССР.

Тел дом. (3812) 60-50-84, моб. 8(962)0434819,

Agroxxi.ru