Любой полигон твердых бытовых отходов (ТБО) представляет собой большой биохимический реактор, в недрах которого в процессе эксплуатации, а также в течение нескольких десятилетий после закрытия в результате анаэробного разложения отходов растительного и животного происхождения образуется биогаз. Биогаз, или как его иногда называют, свалочный газ, представляет собой смесь метана и углекислого газа примерно в равной пропорции. Примеси других газов незначительны и обычно не превышают 1% [1].
Биогаз неизбежно попадает в атмосферу, что вызывает ряд негативных последствий. Известно много случаев отравления при техническом обслуживании углубленных инженерных коммуникаций. Накопление газа в теле свалки зачастую вызывает самовозгорание ТБО. Процесс горения сопровождается образованием токсичных веществ, в частности, диоксинов. В последнее время особую актуальность приобрели парниковые свойства метана, содержащегося в биогазе, в связи с проблемой потепления земного климата [2,3].
Системы сбора и утилизации биогаза на полигонах ТБО получили широкое распространение в мире. По данным европейской биогазовой ассоциации [4] количество таких систем в 2002 году составляло: в Германии – 409, Италии – 89, Швеции –83, Дании – 17. В США существует около тысячи полигонов, на которых биогаз собирается и сжигается в факеле. Примерно третья часть этих полигонов использует биогаз для получения тепловой или электрической энергии. Наличие системы сбора и утилизации биогаза является обязательным требованием при строительстве полигонов ТБО в большинстве развитых стран мира.
Годовое количество твердых бытовых отходов (ТБО), которые образуются в Украине, составляет приблизительно 15 млн т. Основная часть ТБО располагается на свалках (более 90%). Потенциал биогаза, доступного для производства энергии на 90 наиболее крупных полигонах ТБО, составляет около 400 млн м3/год или 0.3 млн т у. т [5]. Однако, сегодня в Украине нет ни одной работающей системы сбора и утилизации биогаза, образующегося на полигонах ТБО.
В течение 2002-2003 годов на Луганском полигоне ТБО реализован демонстрационный проект в рамках украинско-американской программы ЭкоЛинкс "Снижение выбросов парниковых газов в атмосферу за счет сбора и утилизации метана на полигоне твердых бытовых отходов г. Луганска". Проект явился результатом большой подготовительной работы, проведенной Луганской городской администрацией, производственно-экологической фирмой "Зефир", АОЗТ "Протос" и научно-техническим центром "Биомасса" (Киев). Эти же компании были исполнителями проекта с украинской стороны. В качестве западного партнера в проекте участвовала известная компания SCS Engineering (США). В рамках проекта предполагалось разработать проект системы сбора и утилизации газа, объединяющий около 30 скважин, пробурить три демонстрационные скважины, построить систему сбора и сжигания свалочного газа в факеле. Кроме того, планировалось изучить возможные варианты утилизации газа и разработать концепцию сбора и утилизации свалочного газа в Украине.
Полигон введен в эксплуатацию в 1979 году в 25 километрах от Луганска. Эксплуатацией занимается АОЗТ "Протос". Ежегодно на полигон вывозится 350-500 тыс. м3 ТБО. За период эксплуатации полигона с 1979 по 2002 годы было накоплено 1626 тысяч тонн ТБО. В настоящее время начаты работы по сооружению второй очереди полигона в непосредственной близости от имеющегося полигона.
Первичная оценка количества биогаза, образующегося на полигоне, была проведена с помощью широко используемой модели Агентства защиты окружающей среды (США) [6].
Q = Lo R (e-kc – e-kt),
где: Q = Количество метана, образующегося в течение года (м3/год)
Lo = Потенциал образования метана (м3/т ТБО)
R = Среднее количество вывозимых ТБО (т/год)
k = Постоянная образования метана (1/год)
c = Время с момента закрытия полигона (лет)
t = Время с момента открытия полигона (лет)
В условиях недостатка информации о реальных свойствах украинских ТБО, для расчетов были приняты параметры, типичные для США и других развитых западных стран: потенциал образования метана Lo = 125м3/т, постоянная образования метана k = 0.04 год-1.
Для того, чтобы оценить возможное количество собранного биогаза, было принято, что система сбора биогаза будет покрывать 80% площади полигона, а эффективность сбора биогаза отдельной скважиной составит 75%. Предполагалось, что вывоз ТБО на существующий полигон будет продолжаться до 2010 года включительно. При этом общее количество ТБО достигнет 2154 тысячи тонн. Результаты расчетов показаны на рисунке. Видно, что количество собираемого газа (нижняя кривая) в период 2003-2010 годы может составить от 750 до 950 м3/час.
Сооружение трех демонстрационных скважин было закончено в январе 2003 года. В настоящее время биогаз сжигается в факеле. Три демонстрационные скважины представляют собой 10% полной системы сбора биогаза, которая, как уже упоминалось выше, должна состоять из тридцати скважин. Первые измерения показали, что количество биогаза, собираемого в трех скважинах, составляет 90 м3/час при концентрации метана около 60%. Эти измерения находятся в хорошем согласии с результатами предварительных расчетов. Однако окончательные выводы о количестве собираемого биогаза могут быть сделаны после реализации мониторинга в течение, по крайней мере, нескольких месяцев.
Были рассмотрены пять основных вариантов утилизации биогаза:
– простое сжигание в факеле;
– транспортировка биогаза к потребителю по газовым трубопроводам и продажа в качестве заменителя природного газа;
– выработка электроэнергии на полигоне;
– выработка электроэнергии с частичной утилизацией теплоты на полигоне;
– использование биогаза в качестве топлива для автомобилей.
Для каждого из пяти вариантов проведена оценка величины капитальных затрат на создание системы сбора и утилизации биогаза. Для каждого варианта рассмотрены две возможности использования оборудования – украинского и западного. При определении стоимости системы сбора биогаза с использованием местных материалов и субподрядчиков, учитывались цены и стоимость услуг, определенные в процессе выполнения демонстрационного проекта ЭкоЛинкс. Для западного варианта услуг и оборудования использовались рекомендованные данные USEPA [6] и Мирового Банка [7].
Капитальные затраты включают несколько составляющих: материалы для строительства скважин, горизонтального коллектора, факельной установки; работы по бурению скважин, монтажу скважин и коллекторов, а также работы по подготовке полигона для строительства системы сбора и утилизации биогаза.
Проведенный анализ показал, что потребление биогаза на месте или его транспортировка к потребителю по газовым трубопроводам с дальнейшей продажей в качестве заменителя природного газа является наиболее привлекательным вариантом утилизации в виду относительно небольших капитальных затрат.
Простой период самоокупаемости продажи биогаза потребителям составляет 1.0 или 1.8 года, соответственно, в случае использования украинского или западного оборудования. Предполагалось, что полезно будет использоваться 85% собранного газа, а стоимость 1 калории тепла, полученной при сжигании биогаза, составляет 90% от стоимости калории, полученной при сжигании природного газа.
В случае полезного использования половины собранного биогаза, простой период самоокупаемости проекта составит от 1.8 до 3.4 лет.
Выработка электроэнергии на полигоне с последующей продажей в сеть остается наиболее популярным способом утилизации биогаза на Западе. Однако в условиях Украины эта возможность остается проблематичной из-за низких тарифов на электроэнергию и практических сложностей продажи электроэнергии в сеть малыми производителями.
Количество собираемого биогаза позволяет установить на полигоне газовую электростанцию общей установленной мощностью 1500 кВт. Рассмотрено два варианта использования оборудования украинского и западного производства. Первый вариант предполагает использование трех газовых двигателей мощностью 500 кВт компании АООТ "Первомайскдизельмаш". Второй вариант предполагает установку электростанции на пяти газовых двигателях мощностью 300 кВт компании "SPARK ENERGY S.p.A.".
Простой период самоокупаемости проекта в случае продажи электроэнергии в сеть равен соответственно 3.0 и 9.6 лет при работе оборудования в течение 8000 часов в год. Очевидно, что использование западного оборудования малопривлекательно в украинских условиях.
Выработка электроэнергии с частичной утилизацией теплоты теоретически позволяет улучшить экономические показатели проекта по сравнению с производством электроэнергии. С другой стороны, проблемы подключения к сети и продажи электроэнергии в сеть относятся в равной степени и к случаю когенерационного производства тепла и электроэнергии.
Уменьшение эмиссии парниковых газов, выраженное в тоннах СО2-эквивалента, за счет уменьшения поступления метана в атмосферу и замещения использования природного газа для производства тепла и электроэнергии составит в случае реализации полномасштабного проекта сбора и утилизации биогаза 62 тысячи тонн в год.
В случае реализации известных механизмов совместного внедрения, предусмотренных Киотским протоколом, и передачи единиц снижения выбросов (ЕСВ) парниковых газов по цене 3 американских доллара за тонну, период самоокупаемости проекта можно снизить примерно в два раза. По оценкам аналитиков, цена одной ЕСВ может составить от 3 до 15 долларов. Отметим, что эта возможность остается гипотетической до тех пор, пока Киотский протокол не вступит в силу, а Украина не ратифицирует Рамочную Конвенцию ООН об изменении климата.
Затраты на снижение выбросов ПГ в течение 2008-2012 годов составляют от 0.88 до 2.61 $/т CO2-экв., что еще раз подтверждает исключительную эффективность проектов сбора и утилизации биогаза на полигонах ТБО с точки зрения проблемы изменения климата.
Доклад подготовлен при поддержке ЭкоЛинкс и АМР США, Бюро Европейских стран и Новых Независимых Государств, в соответствии с договором о сотрудничестве № ЕЕ-А-00-98-00020. Точка зрения, изложенная авторами, не обязательно совпадает с позицией АМР США.
Литература
1. Гелетуха Г.Г., Марценюк З.А. Обзор технологий добычи и использования биогаза на свалках и полигонах твердых бытовых отходов и перспективы их развития в Украине. Экотехнологии и ресурсосбережение. – 4. - 1999, С. 6-14.
2. Матвеев Ю.Б. Перспективы добычи и использования биогаза на украинских полигонах твердых бытовых отходов. Матеріали міжнародної конференції "Інвестиції та зміна клімату: можливості для України", 10-11 липня 2002 року, Київ, С. 186-190.
3. Матвеев Ю.Б., Гелетуха Г.Г. Зелене світло Кіото. Зелена енергетика. – 2. – 2002. – С. 4, 17.
4. J.B. Holm-Nielsen, T.Al Seadi Anaerobic Digestion – Biogas Production. State of the art of biogas in Europe. 1-st International Ukrainian Conference on Biomass for Energy, September 23-26, 2002, Kyiv, Ukraine. Proceedings in CD-ROM.
5. J.B. G. Geletukha, T. Zhelyezna, Yu. Matveev, S. Tishayev Bioenergy in Ukraine: State of the Art and Future Development//12th European Conference and Technology Exhibition on Biomass for Energy, Industry and Climate Protection. – Amsterdam. - 17-21 June 2002. - p. 1371-1374.
6. A Guide for Methane Mitigation Projects. Cas-to-Energy at Landfills and Open Dumps. U.S. Environmental Protection Agency Office of Air and Radiation. November 1996.
7. L. M. Johannessen Guidance Note on Recuperation of Landfill Gas from Municipal Solid Waste Landfills, 1999.
Источник: Экология окружающей среды стран СНГ. |
.gif)
