Біогаз полігону ТПВ як джерело енергії
Останнім часом зростає інтерес до альтернативних джерел енергії, зокрема, біоенергетики на основі відновлюваних біологічних ресурсів. Одне з відгалужень цього напряму – утилізація біогазу тваринницьких комплексів, каналізаційних стоків, звалищ та полігонів ТПВ.
Біогаз полігонів твердих побутових відходів (ТПВ), що утворюється при анаеробному розкладанні органічної складової відходів, цікавий з різних точок зору.
З 1 т сухої речовини ТПВ утворюється 170-200 м3 біогазу, половину об'єму якого і 25-30% маси становить метан - найсильніший парниковий газ. Вплив звалищного метану ставиться в один ряд із найпотужнішими природними (болота) та техногенними (нафтогазові родовища) джерелами, його внесок у розвиток парникового ефекту оцінюється у 6%. За інтенсивністю викидів метану з одиниці площі поверхні (близько 200 т/рік з 1 га) полігони ТПВ перевершують решту джерел.
Метан горючий і вибухонебезпечний, що змушує займатися дегазацією масиву відходів та знешкодженням біогазу незалежно від намірів щодо його використання.
З біогазом буквально випаровується до 20% первинної маси сухої речовини ТПВ, у тому числі 8-10% - за час експлуатації полігону. Зменшення маси відходів супроводжується збільшенням їх густини та зниженням вологості, т.к. переробляється на біогаз насамперед легка органіка з пухкою структурою та високою вологістю.
Якщо зібрати і використовувати половину біогазу, що утворюється, то це буде рівноцінно утилізації 10% відходів, доставлених на полігон. Для порівняння: на такому ж рівні оцінюється можливий рівень утилізації відходів на полігоні за допомогою дорогих сміттєсортувальних комплексів. Причому, при сортуванні сміття споживається енергія (25-30 кВт*ч/тТПВ), а при утилізації біогазу - виробляється (50-60 кВт * год / т ТПВ).
За енергетичним потенціалом 1 м3 біогазу відповідає 0,5 м3 газу. Газоенергетичний потенціал полігону, на якому розміщено 1 млн. т ТПВ з вологістю 40%, можна розглядати як техногенне родовище із запасами 50-60 млн. м3 природного газу. Обсяг видобутку біогазу на полігоні ТПВ може становити 10-15 м3 на рік на 1 жителя населеного пункту, що обслуговується. Утилізація біогазу на полігоні, який обслуговує місто з населенням 100 тис. осіб, може забезпечити потреби в електриці та теплі житлового селища з населенням 1 тис. осіб. Причому це техногенне газове родовище не створюється спеціально: гігантський біохімічний реактор, яким є полігон ТПВ - це побічний продукт життєдіяльності людини, своєрідне місце міста. Істотна відмінність цього родовища від природних - відсутність газонепроникної ізоляції, внаслідок чого без оперативного видобутку газу одночасно з його генерацією біогаз, що утворюється, буде просто викидатися в атмосферу, забруднюючи її.
Теоретичний енергетичний потенціал біогазу при об'ємному вмісті метану 50% становить 5 кВт*год/м3. При 100% використанні всього видобутого газу, теоретична потужність газоенергетичної установки, що працює на біогазі, могла б становити 600 кВт на 1 млн. м3/рік біогазу, що утилізується.
Технічний енергетичний потенціал складає від теоретичного при використанні біогазу:
як котельне паливо 90-92%; як моторне паливо з виробленням електроенергії 35-37%; як моторне паливо з когенерацією (спільним виробленням) електричної та теплової енергії - від 75% до 87% залежно від технічних рішень утилізаторів теплоти.
Наприклад, при переобладнанні для роботи на біогазі базової моделі міні-ТЕЦ МТД-100/110 співвідношення теплової та електричної потужностей становить 110:100, при цьому ККД використання біогазу складе 75,6%, технічний потенціал біогазу 5*0,756=3,78 кВт *ч/м3.
Потужність газоенергетичної установки, що працює на біогазі за схемою когенерації (зі спільним виробленням електрики та тепла), може становити 200-220 кВт за електроенергією та 220-280 кВт за теплом на 1 млн. м3/рік утилізованого біогазу. Можлива максимальна вироблення енергії на біогазі в 2-3 рази перевищує власні потреби полігону.
Ефективність використання біогазу великою мірою залежить від сезонної та добової нерівномірності споживання енергії. Генерація та обсяги видобутку біогазу протягом року відносно стабільні, тоді як електричні та теплові навантаження схильні до значних коливань за сезонами та часом доби. Внаслідок цього в окремі періоди витрата біогазу, що утилізується, буде недостатній для покриття пікових навантажень, а при спаді споживаних потужностей - надмірна.
Корисне використання біогазу для енергопостачання споживачів із циклічно-сезонними навантаженнями складе 25-30% при забезпеченні лише технологічних потреб полігону та 65-70% - при створенні на полігоні власного енергоємного виробництва з випуском рентабельної продукції (наприклад, тепличного господарства). Решту зібраного біогазу в періоди спаду навантажень доведеться спалювати. Енергетичні втрати від недовикористання біогазу для розглянутого прикладу малого полігону можуть становити 1500-2000 МВт*ч/год, економічні - 2,5-3 млн. крб. на рік. Водночас спалювання біогазу забезпечує значний екологічний ефект завдяки скороченню викидів парникових газів.(головним чином метану) в 3-4 рази в порівнянні з емісією біогазу в атмосферу з масиву відходів. Тому з екологічних позицій спалювання біогазу також кваліфікується як його утилізація.
Собівартість виробництва енергії на біогазі за схемою когенерації вдвічі нижча за ціну купівлі мережевої електроенергії. Якщо ж використовувати біогаз для вироблення тільки електричної енергії, то її собівартість буде вищою від ціни мережевої електроенергії на 30-50%.
Навіть з урахуванням недостатньо високого ККД використання зібраного біогазу, застосування його як моторне паливо з виробленням електричної та теплової енергії забезпечує значне зниження витрат на паливно-енергетичні ресурси. Наприклад, для полігону, що обслуговує місто з населенням 100 тис. Чоловік, зниження сумарних поточних витрат за 20 років складе 10-11 млн. руб. (у цінах 2006 р.), порівняно з варіантом енергопостачання від зовнішніх електричних мереж. Розрахунковий термін окупності додаткових капітальних витрат становитиме 6-7 років.
У проектах утилізації біогазу слід опрацьовувати питання підвищення коефіцієнта корисного використання біогазу. Напрями, які видаються найперспективнішими:
акумуляція надлишкового газу у періоди спаду навантажень у спеціальному сховищі; збагачення біогазу з отриманням метану для використання його як моторне паливо автотракторної техніки, насамперед технологічних машин полігону.