"Биогаз полигона ТБО как источник энергии."

В последнее время возрастает интерес к альтернативным источникам энергии, в частности, к биоэнергетике на основе возобновляемых биологических ресурсов. Одно из ответвлений этого направления - утилизация биогаза животноводческих комплексов, канализационных стоков, свалок и полигонов ТБО.

Биогаз полигонов твердых бытовых отходов (ТБО), образующийся при анаэробном разложении органической составляющей отходов, интересен с разных точек зрения.

Из 1 т сухого вещества ТБО образуется 170-200 м3 биогаза, половину объема которого и 25-30% массы составляет метан - сильнейший парниковый газ. Влияние свалочного метана ставится в один ряд с мощнейшими природными (болота) и техногенными (нефтегазовые месторождения) источниками, его вклад в развитие парникового эффекта оценивается в 6%. По интенсивности выбросов метана с единицы площади поверхности (порядка 200 т/год с 1 га) полигоны ТБО превосходят все другие источники.

Метан горюч и взрывоопасен, что вынуждает заниматься дегазацией массива отходов и обезвреживанием биогаза независимо от намерений по его использованию.

С биогазом буквально улетучивается до 20% первоначальной массы сухого вещества ТБО, в том числе 8-10% - за время эксплуатации полигона. Убыль массы отходов сопровождается увеличением их плотности и снижением влажности, т.к. перерабатывается на биогаз прежде всего легкая органика с рыхлой структурой и высокой влажностью.

Если собрать и использовать половину образующегося биогаза, то это будет равноценно утилизации 10% отходов, доставленных на полигон. Для сравнения: на таком же уровне оценивается возможный уровень утилизации отходов на полигоне при помощи дорогостоящих мусоросортировочных комплексов. Причем, при сортировке мусора энергия потребляется (25-30 кВт*ч/т ТБО), а при утилизации биогаза - вырабатывается (50-60 кВт*ч/т ТБО).

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. Объем добычи биогаза на полигоне ТБО может составить 10-15 м3 в год на 1 жителя обслуживаемого населенного пункта. Утилизация биогаза на полигоне, обслуживающем город с населением 100 тыс. человек, может обеспечить потребности в электричестве и тепле жилого поселка с населением 1 тыс. человек. Причем это техногенное газовое месторождение не создается специально: гигантский биохимический реактор, коим является полигон ТБО - это побочный продукт жизнедеятельности человека, своего рода отхожее место города. Существенное отличие этого месторождения от природных - отсутствие газонепроницаемой изоляции, вследствие чего без оперативной добычи газа одновременно с его генерацией образующийся биогаз будет просто выбрасываться в атмосферу, загрязняя ее.

Теоретический энергетический потенциал биогаза при объемном содержании метана 50% составляет 5 кВт*ч/м3. При 100% использовании всего добытого газа, 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.

Например, при переоборудовании для работы на биогазе базовой модели мини-ТЭЦ МТД-100/110 соотношение тепловой и электрической мощностей составляет 110:100, при этом КПД использования биогаза составит 75,6%, технический потенциал биогаза 5*0,756=3,78 кВт*ч/м3.

Мощность газоэнергетической установки, работающей на биогазе по схеме когенерации (с совместной выработкой электричества и тепла), может составить 200-220 кВт по электроэнергии и 220-280 кВт по теплу на 1 млн. м3/год утилизируемого биогаза. Возможная максимальная выработка энергии на биогазе в 2-3 раза превосходит собственные потребности полигона.

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.

Полезное использование биогаза для энергоснабжения потребителей с циклично-сезонными нагрузками составит 25-30% при обеспечении только технологических потребностей полигона и 65-70% - при создании на полигоне собственного энергоемкого производства с выпуском рентабельной продукции (например, тепличного хозяйства). Остальное количество собранного биогаза в периоды спада нагрузок придется сжигать. Энергетические потери от недоиспользования биогаза для рассмотренного примера малого полигона могут составить 1500-2000 МВт*ч/год, экономические - 2,5-3 млн. руб. в год. В то же время сжигание биогаза обеспечивает значительный экологический эффект благодаря сокращению выбросов парниковых газов (главным образом, метана) в 3-4 раза по сравнению с эмиссией биогаза в атмосферу из массива отходов. Поэтому с экологических позиций сжигание биогаза также квалифицируется как его утилизация.

Себестоимость производства энергии на биогазе по схеме когенерации вдвое ниже цены покупки сетевой электроэнергии. Если же использовать биогаз для выработки только электрической энергии, то ее себестоимость будет выше цены сетевой электроэнергии на 30-50%.

Даже с учетом недостаточно высокого КПД использования собранного биогаза, применение его в качестве моторного топлива с выработкой электрической и тепловой энергии обеспечивает значительное снижение затрат на топливно-энергетические ресурсы. Например, для полигона, обслуживающего город с населением 100 тыс. человек, снижение суммарных текущих затрат за 20 лет составит 10-11 млн. руб. (в ценах 2006 г.) по сравнению с вариантом энергоснабжения от внешних электрических сетей. Расчетный срок окупаемости дополнительных капитальных затрат составит 6-7 лет.

В проектах утилизации биогаза следует прорабатывать вопросы повышения коэффициента полезного использования биогаза. Направления, которые представляются наиболее перспективными:

аккумуляция избыточного газа в периоды спада нагрузок в специальном хранилище;
обогащение биогаза с получением метана для использования его в качестве моторного топлива автотракторной техники, прежде всего технологических машин полигона.