Оптимизация использования биогаза полигона ТБО

Вострецов С.П. Открытое акционерное общество «Уральский научно-исследовательский и проектный институт галургии» (ОАО «Галургия»), Пермь

Биогаз полигонов твердых бытовых отходов (ТБО), образующийся при анаэробном разложении органической составляющей отходов, представляет интерес прежде всего как альтернативный источник энергии.

По энергетическому потенциалу 1 м³ биогаза соответствует 0,5 м³ природного газа. Газоэнергетический потенциал полигона, на котором размещен 1 млн. т ТБО с влажностью 40%, можно рассматривать как техногенное месторождение с запасами 50-60 млн. м³ природного газа.

Теоретический энергетический потенциал биогаза при объемном содержании метана 50% составляет 5 кВт*ч/м³. При использовании всего добытого газа с КПД = 100%, теоретическая мощность газоэнергетической установки, работающей на биогазе, могла бы составить 600 кВт на 1 млн. м³/год утилизируемого биогаза.

Технический энергетический потенциал составляет от теоретического при использовании биогаза:

·  в качестве котельного топлива 90-92%;

·  в качестве моторного топлива с выработкой электроэнергии 35-37%;

·   в качестве моторного топлива с когенерацией (совместной выработкой) электрической и тепловой энергии – от 75% до 87% в зависимости от технических решений утилизаторов теплоты. Максимальный КПД=87% достигается в мини-ТЭЦ с соотношением тепловой и электрической мощностей 144:100, минимальный 75% - при соотношении 100:100.

Использование биогаза в качестве моторного топлива с выработкой электрической и тепловой энергии обеспечивает значительную экономию топливно-энергетических ресурсов и снижение суммарных текущих затрат на эксплуатацию полигона. Срок окупаемости дополнительных капитальных затрат составляет 6-7 лет.

Утилизация биогаза в количестве 1 млн. м³ в год (в т.ч. его сжигание) дает снижение выбросов парниковых газов на 8,3 тыс. тонн в СО₂ эквиваленте. На рынке торговли квотами на выброс парниковых газов в рамках механизмов Киотского протокола, такое сокращение выбросов оценивается в 40-45 тыс. долл. США.

Эффективность использования биогаза в большой степени зависит от сезонной и суточной неравномерности потребления энергии. Генерация и объемы добычи биогаза в течение года относительно стабильны, тогда как электрические и тепловые нагрузки подвержены значительным колебаниям по сезонам и времени суток. Вследствие этого в отдельные периоды расход утилизируемого биогаза будет недостаточен для покрытия пиковых нагрузок, а при спаде потребляемых мощностей – избыточен. Избыточные объемы биогаза сбрасываются на факел и сжигаются.

В качестве примера приведем результаты расчёта потребляемых мощностей небольшого полигона (численность обслуживаемого населения 100 тыс. человек). Потенциальная мощность ГЭУ по расходу утилизируемого газа (155 м³/ч) составит 585,8 кВт, а с учетом добавки дизельного топлива («запальная доза ДТ») – 741,5 кВт.

Собственные потребности объектов полигона составляют: по электрической энергии от 44 кВт (ночное время летом) до 156 кВт (дневное время зимой); по теплу – от 0 летом до 255 кВт зимой. Сопоставление нагрузок с мощностью ГЭУ показывает низкую эффективность использования имеющегося энергетического потенциала: по максимальной потребляемой мощности на 55%, по годовой выработке на 23%. Вследствие неравномерной загрузки мощностей ГЭУ, более 70% биогаза, добытого с целью утилизации, должно быть отправлено на сжигание в факельной установке.

Эффективность использования биогаза может быть существенно повышена за счёт более полной и равномерной загрузки мощностей ГЭУ.

Наиболее распространенным способом реализации избыточной энергии на существующих в мире газоэнергетических установках является поставка электроэнергии в общие электрические сети с оплатой её по установленным твердым тарифам. Однако для применения такого способа необходимо, как минимум, наличие нормативных актов (в рамках законодательства об охране окружающей среды и энергосбережении), которые обязывали бы сетевые компании покупать такую электроэнергию. В России таких нормативных документов нет. Второе возражение – низкий КПД утилизации биогаза с выработкой только электрической энергии. Такое же (и даже большее) количество энергии, которое может быть реализовано в виде электричества, будет теряться в виде избыточного тепла.

Более перспективным представляется создание собственного энергоемкого производства с выпуском рентабельной продукции – например, тепличного хозяйства.

На примере того же малого полигона установлено, что к концу срока эксплуатации на полигоне возможно содержание 4600 м² общей площади «летних» теплиц (эксплуатация с мая по сентябрь) и 700 м² «зимних» теплиц, эксплуатируемых круглый год.

Распределение мощностей по месяцам становится более равномерным, их структура – более благоприятной: отношение тепловых мощностей к электрическим в течение всего года более 1, благодаря чему исключаются излишние затраты на перепроизводство тепловой энергии. Использование энергетического потенциала ГЭУ по максимальной потребляемой мощности составит 92,8%, по годовой выработке – 63,9%; сброс биогаза на факел составит  33,8% от собранного.

На 9-10 год эксплуатации полигона, энергетический потенциал утилизации биогаза становится достаточен для начала создания тепличного хозяйства. Вывод тепличного хозяйства на максимально возможную по энергоресурсам мощность с получением наибольшего экономического эффекта возможен после окончания эксплуатации полигона по его прямому назначению. Однако фактически эксплуатация полигона не может закончиться сразу по окончании приема отходов.

В течение 5-7 лет после этого будет наблюдаться максимальный выход фильтрата, и потребуется продолжить работу очистных сооружений на полную мощность. Максимальное образование биогаза будет иметь место спустя 1-2 года после закрытия полигона для приема отходов, а максимальный отбор биогаза для утилизации – еще на 1-2 года позднее. В течение 2-3 лет после номинального закрытия полигона будут продолжаться работы по устройству водозащитного покрытия и дегазации массива отходов.

Процессы образования биогаза и фильтрата в количествах и составе, которые могут нанести ощутимый ущерб окружающей природной среде, будут продолжаться десятки лет после закрытия полигона. В течение всего этого срока на полигоне придется держать определенный персонал, технику и оборудование для выполнения текущих природоохранных мероприятий и проведения мониторинга состояния окружающей среды. Поскольку платежей за прием отходов в этот период не будет, то единственным реальным источником средств для поддержания природоохранных структур полигона останется реализация продукции собственного производства на базе энергоресурсов утилизации биогаза. Поэтому с позиций обеспечения постэксплуатационного периода жизненного цикла полигона, заблаговременное создание и развитие тепличного хозяйства абсолютно необходимо. Альтернативой ему может стать какое-либо другое производство, которое способно использовать дешевую энергию утилизации биогаза с еще большим эффектом.