Биогазовые установки как альтернативный метод получения электрической и тепловой энергии

УДК 544.338

БИОГАЗОВЫЕ УСТАНОВКИ  КАК АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ МЕТОД ПОЛУЧЕНИЯ  ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ И ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

Мурыгина М.О.

Научный руководитель – доцент, кандидат экономических наук Финоченко В.А.

Сибирский Федеральный Университет

В настоящее время энергетика переживает ряд проблем, которые  должны быть решены на данном этапе  развития общества. Достаточно остро  стоит вопрос нехватки энергоресурсов, только в нашей стране около 70% выработанной электроэнергии приходится ТЭС, использующие в качестве горючего каменный и бурый  уголь. По статистике около 4 млрд. тонн угля потребляется ежегодно, причем прирост  потребления составляет приблизительно 2-2,5% в год. Также необходимо учитывать ввод новых производственных мощностей. Например, до 2012 года в ФРГ планируется строительство новых ТЭС суммарной мощностью около 12 ГВт, в Индии – 2,25 ГВт, во Вьетнаме – 7 ГВт, а в США планируется построить 77 электростанций. По подсчетам специалистов, если не будет найден альтернативный источник энергии, то через 50-70 лет месторождения бурого и каменного угля опустошатся. Остановка ТЭС, работающих на угле, приведет к прекращению обеспечения электрической и тепловой энергией жилых домов и закрытию предприятий. Решение этой проблемы – использование возобновляемых источников энергии. К возобновляемым источникам энергии относят: солнечная энергия, энергия ветра, энергия гейзерных образований; энергия, получаемая в результате ядерных и термоядерных реакций; энергия течения воды. На основе этих источников энергии спроектированы и построены солнечные, ветряные, гейзерные электростанции, а также ГЭС, ГаЭС и АЭС.

Помимо использования  возобновляемых ресурсов существует возможность  использования вторичных энергоресурсов. Ко вторичным энергоресурсам, в первую очередь, относят отходы агропромышленного и бытового характера. Существует два принципиальных отличных способа выработки электроэнергии из мусорных отходов. Один из них это использование мусора как топливо, в результате сгорания которого образуется энергия, нагревающая свою очередь воду, поступающую в барабан котла. Второй – использование метана или биогаза, образующегося над большим скоплением мусора при разложении отходов анаэробными организмами, в ГТУ. Наибольшее распространение из способов переработки отходов для выработки электрической и тепловой энергии получил последний вариант.

Под понятием «биогаз» подразумевается газ, получаемый путем метанового брожения биомассы под влиянием трех групп анаэробных бактерий (гидролизные, кислотообразующие, метанообразуюшие). В состав биогаза входят метан СН₄ (50-87%), углекислый газ СО₂ (13-50%), а также примеси водорода Н₂ и сероводорода Н₂S. После очистки биогаза от СО₂ получается биометан. Биометан — это абсолютный аналог природного газа, отличие состоит только лишь в происхождении.

Для производства биогаза могут быть использованы следующие виды отходов: навоз, птичий помёт, свекольный жом, фекальные осадки, отходы рыбного и забойного цеха (кровь, жир, кишки), трава, бытовые отходы, отходы молокозаводов, отходы производства биодизеля, отходы от производства соков, виноградная выжимка, водоросли, отходы производства крахмала, отходы переработки картофеля, производства чипсов и др.

В науке, занимающейся вопросами  «мусорной энергетики» различают  свалочный биогаз, который получают на свалках мусора из бытовых отходов. Свалочный мусор широко используется на северо-востоке США, на полигонах, куда свозятся бытовые отходы, смонтированы электростанции, работающие на биогазе, получаемого при разложении этих отходов. Эти электростанции обеспечивают отоплением более одного миллиона домов в год. По прогнозам специалистов, к 2020 году выработка биогаза из мусора возрастет в два раза. Одна из таких свалок, где метан используется в качестве топлива на электростанции, находится близ университета Нью-Гемприша. 85% потребной энергии для вуза вырабатывается этой станцией. Следует отметить, что наличие такой станции позволяет вузу сократить финансовые расходы на электроэнергию.

На сегодняшний день известны две технологии получения биогаза из бытовых и агропромышленных отходов. Одной из них является гидросепарация и осуществляется следующим образом. Сначала несортированный мусор поступает на ленту транспортера. Двигаясь под очень сильным магинтом, металлические отходы прилипают к нему, остальная же часть попадает в барабан с отверстиями разного диаметра, где происходит сортировка мусора по размеру. В дальнейшем крупные и мелкие фракции идут по разным лентам и погружается в резервуар с водой. Здесь более легкий мусор всплывает на поверхность, и с помощью мощного вентилятора пакеты попадают в одну емкость, бутылки в другую. Всплывший на пверхность мусор подвергается вторичной переработке, а осевший используется для выработки биогаза.

Кроме выше описанной технологии существует и другая, которая заключается в перекрытии полигонов твердых бытовых отходов (ТБО). Для отходов выкапывают большую яму, на глубине которой производится гидроизоляция. Поверх гидроизоляции кладется система дренажных труб для отвода воды, которая попадает в толщу мусора в результате осадков или образуется при разложении органики. Затем эта вода проходит очистку как обычные промышленные стоки. Помимо этого, по всему периметру полигон обводится водоотводной канавой, для того чтобы ядовитый фильтрат не растекался по окрестностям. Мусор, предварительно уплотненный специальными машинами, ложится не ровным слоем по всей территории, а по отдельным площадкам-кастам. После заполнения каждый карт оборудуется еще одной системой труб для откачки "свалочного газа" (смесь метана и углекислого газа, "ароматизированная" множеством летучих продуктов разложения) и покрывается слоем грунта. Эти трубы подводятся к расположенной неподалеку ТЭС и используются для производства электро- и теплоэнергии.

Рассмотрим более подробно процесс производства биогаза и необходимые для этого промышленные установки (рисунок 1).

Рисунок 1 – Схема электростанции, работающей на биогазе

Хорошая биогазовая установка должна иметь необходимые части: емкость гомогенизации, загрузчик твердого (жидкого) сырья, реактор, мешалки, газгольдер, система смешивания воды и отопления, газовая система, насосная станция, сепаратор, приборы контроля, КИПиА с визуализацией и система безопасности. На начальной стадии биомасса периодически подается с помощью насосной станции или загрузчика в реактор. В реакторе происходит ее брожения, для чего резервуар биогазации подогревают и утепляют. Кроме этого, в нем предусмотрены миксеры, которые также способствуют протеканию процесса. Чаще всего корпус реактора выполняют из железобетона или стали. В реакторе живут полезные анаэробные бактерии. Для поддержания жизни бактерий требуется подача корма, подогрев до 35-38°С и периодическое перемешивание. Биогаз, скапливающийся в хранилище (газгольдере), проходит систему очистки и подается в котел или на электрогенератор. Сам реактор работает без доступа воздуха, он герметичен и абсолютно неопасен.

Основными преимуществами применения биогазовых установок являются:

1. Решение проблемы утилизации  скапливающихся отходов. 

2. Птичий, свиной помет,  другие отходы агропромышленного  производства зачастую токсичны  и не могут быть утилизированы  без дополнительной переработки.  Направление этих отходов в  биогазовых установках является экологически чистым и экономически наиболее эффективным способом утилизации.

3. Себестоимость получаемых  на биогазовых установках тепла и электроэнергии в 2-3 раза ниже рыночной цены энергоносителей для конечных потребителей.

4. Возможности вести подготовку  сырья (сушку) в период наиболее  активного поступления отходов  на будущие периоды для обеспечения  непрерывной работы энергетической  установки

5. В случае отсутствия  сетей общего пользования, в  удаленных районах биогазовая установка может стать единственным источником тепла и энергии.

Во всем мире биогазовые установки получили широкое применение, например, в Дании 18% от произведенной энергии приходится на биогазовые установки. Ведущее место по количеству такого рода установок занимает ФРГ (около 8000 штук). Планируется, что к 2030 около 100 миллиардов КВт·ч будет выработано биогазовыми электростанциями. Не менее половины всех птиферм в Европе отапливается биогазом. Среди восточных стран лидирующие позиции занимает Китай, в конце 2006 года в КНР уже действовало около 18 млн. биогазовых установок. В Индии с 1981 года до 2006 года было установлено 3,8 млн малых биогазовых установок, а в Непале существует даже программа поддержки развития биогазовой энергетики, благодаря которой в сельской местности к концу 2009 года было создано 200 тысяч малых биогазовых установок.

Что касается нашей страны, то около 60 млн. тонн бытовых отходов в год. Без учета многочисленных стихийных свалок, только в Центральных Федеральных округах их совокупный объем примерно равен 250000 тонн. Самые крупные полигоны являются первоочередными для современных технологических проектов по извлечению метана. Они сконцентрированы в Центральном Федеральном Оруге – 4 свалки, в Московской области – 3, в Туле – 1, в Северо-Западном Федеральном Округе – 2, в Южном Федеральном Округе – 1, в Приволжском Федеральном Округе – 6 свалок, в Уральском Федеральном Округе – 2, в Сибирском Федеральном Округе – 3 свалки и в Дальневосточном Федеральном Округе – 1.

На территории Красноярского  края образуется до 290 млн тонн твердых отходов в год. Большая часть из них является результатом добычи и первичной переработки полезных ископаемых. Эти отходы складируются в 73 накопителях. Доля их вторичного использования не превышает 26 %. Жилищно-коммунальное хозяйство Красноярского края производит около 1,6 млн тонн ТБО в год. В крае действуют 935 санкционированных свалок и свыше 290 несанкционированных свалок. По подсчетам специалистов, занимающихся вопросами «мусорной энергетики» на полигоне площадью 12,0 га с объемом захоронения 2,0 млн м³ ТБО можно получить в год около 150-250 млн м³ биогаза и произвести около 150-300 тыс. МВт·ч электроэнергии. Такой полигон можно эксплуатировать в течение нескольких лет, на одном и том же оборудовании и без дополнительных инвестиций. Вы представляете себе, какое количество электрической и тепловой энергии могло бы быть выработано за время существования этих свалок?

Таким образом, внедрение  в энергетический потенциал нашей  страны биогазовых установок крайне необходимо, так как, во-первых, это ведет к экономному использованию энергоресурсов. Во-вторых, использование биогаза значительно снижает себестоимость электроэнергии. В-третьих, биогаз может быть предложен не только как одна из альтернатив углю на существующих ТЭЦ и ГРЭС, но и может применяться в качестве топлива для автотранспорта. И наконец, наряду с АЭС производство тепловой и электрической энергии в результате сжигания метана, выделяемого мусорными отходами, является экологично безопасным методом получения энергии.

Биогазовые установки – это одна из альтернатив замены угольных электростанций. И с ростом объемов мусорных отходов преумножается актуальность их использования. Возможно предположить, что со временем биогазовые установки станут одним из основных источников получения электрической и тепловой энергии.