Потенциал биологических отходов как возобновляемый источник энергии для жизнеобеспечения населенного пункта (на примере п. г. т. Стройкерамика Самарской области)



В статье предпринята попытка разработки модели анаэробного биологического реактора для энергообеспечения небольшого населенного пункта .

Ключевые слова: анаэробный биологический реактор, газопоршневая электростанция, биоэнергетика, возобновляемые источники энергии.

В современном мире существует несколько глобальных проблем. Одна из них — истощение природных ресурсов. В мире используется огромное количество нефти и газа в качестве источников энергии. Эти ресурсы являются исчерпаемыми. Надолго ли их хватит? Также использование этих полезных ископаемых негативно сказывается на экологической обстановке планеты. Поэтому человечество все больше задумывается об использовании альтернативных источников энергии.

Данный проект представляет собой детально проработанный план на примере реального населенного пункта, что позволит привлечь внимание частных и государственных компаний к электросетям данного типа . Проект может иметь широкое применение на животноводческих фермах или на производствах с большим потоком биологических отходов.

Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) — это энергоресурсы постоянно существующих природных процессов на планете, а также энергоресурсы продуктов жизнедеятельности растительного и животного происхождения [3] Характерной особенностью ВИЭ является цикличность их возобновления, которая позволяет использовать эти ресурсы без временных ограничений. В отличие от ископаемых видов топлива нетрадиционные формы энергии не ограничены геологически накопленными запасами. Это означает, что их использование и потребление не ведет к неизбежному исчерпанию запасов.

Для решения поставленной задачи мной был выбран пгт. Стройкерамика, Волжского района Самарской области. Население этого пункта составляет 7 804 человека. Данный населенный пункт обеспечивается электроэнергией от подстанции (далее ПС) «Куйбышевская» расположенной, в районе пгт. Алексеевка. Напряжение ПС составляет 500 кВ, а мощность — 1602 МВА, где ВА (Вольт на Ампер) — V * A = Вт, т.е мощность составляет 1602 МВт.

Итак, приступим к описанию конкретного решения поставленной задачи. Особняком от всех альтернативных ЭС стоят биологические реакторы. В принципе их работы лежит анаэробная очистка. В основе работы анаэробного реактора лежит очистка сточных вод и/или дополнительное использование биологических отходов, сырья и т. п. В результате процесса сбраживания и химических реакций, происходящих внутри реактора, образуется биогаз. А это не что иное, как метан (CH ₄ ). Процессы анаэробной очистки стоков происходят в метантанках и биореакторах (данные установки являются герметичными). Материалы изготовления емкостей — металл, пластик, бетон. Поскольку для деятельности микроорганизмов кислород не нужен, все процессы очистки протекают без выброса энергии, и температура не повышается. При разложении органических составляющих, которые находятся в воде, численность колоний бактерий остается практически неизменной. Поскольку сложная система контроля за условиями среды в данном случае не требуется, стоимость методики получается сравнительно невысокой. Главный недостаток анаэробной очистки — образование в результате деятельности анаэробных бактерий горючего газа метана, но нам это и необходимо, поскольку метан станет топливом для нашей электростанции.

Перейдем к решению для пгт. Стройкерамика. Мы имеем ряд входных данных. Начнем с точки зрения электроэнергии.

– Среднестатистическая семья из 4х человек в Самарской области потребляет от 200 до 300 кВт электроэнергии в месяц. Т.е в среднем около 250 кВт.

– Введем коэффициент потребления электроэнергии, приходящейся на административные постройки, освещение улиц, магазины и т. п. k =1,5. Это значение было получено после консультации у сотрудника ведомства по энергетике моего города.

Рассчитаем примерное потребление электроэнергии на одного человека: для этого разделим 250 / 4 = 62,5 кВт в месяц. Население Стройкерамики составляет 7804 человека. Значит, 7804 * 62,5 = 487750 кВт энергии в месяц. Это потребление только жилыми домами. Умножим это значение на коэффициент k . 487750 * 1,5 = 731625 кВт в месяц потребляет весь населенный пункт.

Для расчётов и решения мной был выбран анаэробный реактор PUXIN, модель PX-CATS-1. Данный реактор находится в свободной продаже на сайте russian.alibaba.com. Это было сделано из-за наличия на сайте конкретной стоимости в отличии от других моделей и модификаций, стоимость которых необходимо узнавать непосредственно у поставщика. Стоимость данной модели составляет примерно 40.000$ , что в переводе на рубли равняется примерно 2.600.000руб .

При наличии недалеко от нашего населенного пункта животноводческого комплекса, мы имеем объем сырья, необходимый для выработки метана. Теперь полученный газ предстоит преобразовать в электроэнергию. Для этого нам необходима газопоршневая электростанция. Газопоршневой агрегат представляет собой двигатель внутреннего сгорания, соединений с генератором электроэнергии. Этот аппарат сжигает метан и вырабатывает за счет этого электроэнергию, необходимую для питания нашего населенного пункта. Процесс горения заключается в реакции между метаном и кислородом, то есть в окислении простейшего алкана. В результате образуется двуокись углерода, вода и много энергии. Горение метана может быть описано уравнением: CH ₄ [газ] + 2O ₂ [газ] → CO ₂ [газ] + 2H ₂ O [пар] + 891 кДж. Горение природного газа или метана является одним из самых экологичных процессов для выработки энергии. Во всяком случае, экологичнее сгорания разного угля и нефтепродуктов. Для нашего решения был выбран газопоршневой агрегат мощностью 215 кВт производства компании Weichai Power. Модель двигателя Weichai WP12D264E300NG, модель генератора Marathon MP-200–4. Это сделано из расчёта, что цена есть в открытом доступе на сайте samara.tiu.ru. Стоимость составляет 3.157.190 руб .

Согласно техническим характеристикам, двигатель внутреннего сгорания в среднем потребляет 0,205 кг*кВт/час. То есть, чтобы выработать 1 кВт энергии, необходимо потребить 0,205 кг метана. 0,205*215 = 44 кг метана, а это ни что иное, как потребление метана за 1 час.

Согласно формуле плотности вещества, где , мы можем найти массу вещества, зная его плотность и объем. , где 716 кг/м ³ , а V = 62,5 м ³ /день. 716*62,5 45 кг/день. Это значение примерно равняется потребляемому двигателем внутреннего сгорания. Значит, в нашей установке, на один анаэробный реактор приходится одна газопоршневая электростанция.

Мы рассчитали, что населенный пункт потребляет 731625 кВт в месяц. Рассчитаем выработку электроэнергии одной газопоршневой электростанции. Согласно техническим характеристикам, выработка электроэнергии составляет 215 кВт/час. Умножим это значение на 24 и на 30 — получим выработку за месяц. 215*24*30=154800 кВт в месяц. Нам также необходимо вычислить количество комплектов (реактор + газопоршневой агрегат, поскольку выработка метана примерно равна его потреблению). Для этого, разделим месячное потребление на месячную выработку.

=4,72, т. е. около 5 установок. При использовании 5 установок, у нас есть запас, равный примерно 42375 кВт в месяц.

Мы рассчитали, что для электропитания Стройкерамики необходимо 5 анаэробных реакторов и 5 газопоршневых агрегатов.

– Стоимость анаэробного реактора PX-CATS-1– 2.600.000 руб .

– Стоимость газопоршневой электростанции Weichai Power — 3.157.190 руб .

– Пусть коэффициент S – затраты на доставку и монтаж установок.

Итак, стоимость установок составляет (2.600.000+3.175.190) * 5= 28.785.950 руб . Однако нужно учесть, коэффициент S и тот фактор, что электроэнергию нужно передавать по уже установленным ЛЭП. За это необходимо заплатить компании, предоставляющей услуги пользования электросетью. Можно возвести и свои ЛЭП, однако с большой долей вероятности это будет экономически не выгодно.

Расчет срока окупаемости проекта: Итак, согласно данным ЭнергоВОПРОС.ру, единый тариф на электроэнергию составляет 4 руб. 17 коп. за 1 кВт.Подсчитать стоимость тарифа для нашей электростанции возможно при наличии следующих данных: себестоимости выработки электроэнергии, стоимость пользования ЛЭП ОАО «ССК», стоимость подключения наших установок к системе коммуникаций водоканала, стоимости оборудования для монтажа и т. п. Эти данные получить сейчас невозможно, поскольку отсутствуют конкретные коммерческие предложения. Поэтому, наши расчеты были приблизительными. Стоимость 1 кВт энергии по нашим оценкам будет составлять от 2 руб. до 3 руб. То есть в среднем 2 руб. 50 коп.

Рассчитывать окупаемость будем следующим образом: вычислим стоимость потребленной энергии за год согласно разнице установленного тарифа и нашего тарифа (4,17–2,50=1,67). Теперь 731625*12(годовой расход) *1,67= 14.661.756 руб. Стоимость нашей установки без монтажных работ и накладных расходов составила 28.785.950 руб . Найдем срок окупаемости, поделив стоимость проекта на стоимость годового расхода 1,96. То есть примерно 2 года .

Однако повторюсь, что все выше написанные цифры являются ориентировочными и должны уточняться в соответствии с официальными данными и конкретными коммерческими предложениями. Реальный и рентабельный срок окупаемости энергетических проектов, который рассматривается частными компаниями и инвесторами, лежит в пределах 5 лет.

Следует отметить, что возобновляемая энергетика является наиболее быстрым, дешевым и экологически чистым способом энергоснабжения населенных пунктов; биогаз является одним из самых распространенных в мире ВИЭ по объему генерации; биогазовые установки могут частично или полностью заменить устаревшие котельные и обеспечить электроэнергией и теплом близлежащие населенные пункты; сроки возведения и окупаемости, а также объем капиталовложений при строительстве биогазовых установок ниже, чем у объектов централизованной тепло- и электроэнергетики. Сельхозпредприятие, утилизируя отходы своего производства, сможет обеспечить полностью свои потребности в электрической и тепловой энергии, а также обеспечить этой энергией близлежащие населенные пункты.

Литература:

1. Городов Р. В. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: учебное пособие / Р. В. Городов, В. Е. Губин, А. С. Матвеев. — 1-е изд. — Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. — 294 с.
2. Инновационные технологии производства биотоплива второго поколения: научное издание / В. Ф. Федоров и др.; М-во сел. хоз-ва Рос. Федерации. — М.: Росинформагротех, 2009. — 67 с.
3. Лукутин Б. В. Возобновляемая энергетика в децентрализованном электроснабжении / Б. В. Лукутин, О. А. Суржикова., Е. Б. Шандрова. — М.: Энергоатомиздат, 2008. — 231 с.
4. Сибикин Ю. Д. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: учебное пособие / Ю. Д. Сибикин, М. Ю. Сибикин. — М.: КноРус, 2010. — 227 с.
5. Тарасов, А. Стимулирование освоения нетрадиционных возобновляемых источников энергии: мировые тенденции и Россия / А. Тарасов. // Экономические науки. — 2009.-№ 5. — С. 176–178.