Современные проблемы производства и переработки свалочного газа

Свалочный газ образуется при распаде органической материи на полигонах твердых бытовых отходов (ТБО). Этот газ содержит около 50 % CH₄ и около 50 % CO₂, а также небольшое количество безметановых органических соединений. В обычных ситуациях свалочный газ просто улетучивается, однако в последнее время государственные структуры, предприятия и владельцы полигонов ТБО во всем мире стараются собирать его и использовать в качестве источника энергии. Утилизация свалочного газа способствует уменьшению неприятного запаха и других опасных факторов, связанных с его выбросами. Кроме того, она помогает воспрепятствовать попаданию метана в атмосферу, а значит, усугублению местного смога и изменению земного климата.

Полигоны ТБО являются третьим по величине антропогенным источником метана на планете, выделяя около 11 % общемирового количества метановых выбросов, или без малого 799 млн. т CO₂E в 2010 г. В таблице 1 приведены данные по выбросу метана на полигонах ТБО для стран, занимающих первые десять мест по данному показателю [1].

Таблица 1

Расчетный объем метана, выделившегося на полигонах ТБО за 2010 год

Свалочный газ является надежным местным источником возобновляемой энергии, поскольку он, в отличие от многих других альтернативных источников энергии, образуется 24 часа в день и 7 дней в неделю, из бытовых и промышленных отходов, постоянно поступающих на полигоны ТБО. Использование свалочного газа для получения энергии позволяет существенно сократить объем выбросов метана с полигонов ТБО и уменьшить потребность в энергии, получаемой из ископаемых видов топлива, сокращая тем самым выбросы CO₂, диоксида серы, окисей азота и других загрязнителей, образующихся при его сжигании.

По энергетическому потенциалу 1 м³ свалочного газа 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 [2].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 свалочный газ будет просто выбрасываться в атмосферу, загрязняя ее.

На полигонах ТБО свалочный газ извлекают при помощи системы скважин и воздуходувных, факельных или вакуумных установок. Система направляет собранный газ в центральный пункт, в котором происходит его обработка или обогащение, в зависимости от дальнейшего предназначения. После этого газ можно сжигать в факельных установках, использовать для получения электричества, заменять им ископаемые виды топлива на производстве и в промышленности, либо, обогатив до уровня магистрального газа, использовать непосредственно или переработать на альтернативное топливо для транспортных средств.

Несмотря на наличие сырья и отлаженности технологий получения свалочного газа, его рыночного использования в настоящее время в России практически не происходит. При производстве свалочного газа можно выделить два основных аспекта такой деятельности, которые в конечном итоге определяют успешность мероприятия. Это аспекты экологической безопасности и энергетической эффективности производства свалочного газа.

Рассмотрим сначала аспекты экологической безопасности. Исследования показывают, что кроме основных компонентов (метан, диоксид углерода) газ с полигонов ТБО содержит так называемые микропримеси, к которым относятся: толуол, аммиак, ксилол, оксид углерода, оксид азота, формальдегид, сернистый ангидрид, этилбензол, сероводород, фенол, цианистый водород [2,3,4]. Обнаруживается и целый ряд других нормируемых компонентов выбросов в атмосферу 2-го класса токсичности, таких как галогенированные углеводороды: дихлорметан, трихлорметан, хлорэтан, трихлорэтан, а также трихлорэтилен и его гомологи. При этом суммарное содержание хлора в микропримесях составляет 25–40 мг/м^3, что в 250–400 раз превышает предельно-допустимую концентрацию (ПДК). Эти данные не только подтверждают опасность свалочного газа с полигонов ТБО, но, и указывают на необходимость специальных дорогостоящих систем газоочистки при его сжигании в любых целях для любых применений.

То есть, коммерческое использование в качестве энергетического топлива газа с полигонов ТБО в определенной мере ограничивается высокой стоимостью природоохранных устройств на энергогенерирующих установках. В долевом отношении от стоимости основного оборудования, стоимость этих устройств не может быть ниже долевой стоимости газоочистного оборудования мусоросжигательных заводов, где она достигает 50 % от стоимости завода и где практически тот же набор загрязняющих веществ присутствует в потоке отходящих газов. В данном случае этот процент должен быть много выше, ибо масштаб производства много меньше, а физико-химические принципы газоочистки те же.

Рассмотрим теперь второй аспект — энергетическая эффективность. При использовании свалочного газа для производства электроэнергии существуют два варианта генерации: с помощью двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин. При использовании газа в двигателе внутреннего сгорания, обычно необходима компрессия газа до 33кРа. Для использования в газовой турбине необходима более высокая компрессия, порядка 100кРа [4]. При использовании такого сжатия свалочный газ разогревается до температуры превышающей точку его самовоспламенения 82,5⁰С, поэтому его надо охлаждать и для этого также необходима энергия.

Таким образом, без внешнего источника энергии система утилизации тепла отходящих газов с производством электроэнергии при сжигании свалочного газа с полигонов ТБО (учитывающая все без исключения энергозатраты на добычу, подготовку, транспортировку и производство энергии) не является автономной и сама себя окупает с трудом.

Тем не менее, в мировой практике существуют десятки примеров реализации проектов по выработке и переработке свалочного газа. Так, по данным Европейской бигазовой ассоциации, в 2011 году в ЕС работали 12,4 тысячи установок по добыче свалочного газа. Лидером по этому показателю является Германия, в которой работают 8,4 тысячи таких установок. В 2011 году в Европе было добыто более десяти миллионов тонн нефтяного эквивалента (1,1 миллиарда кубометров) свалочного газа [5].

В качестве примера можно отметить Мариупольский полигон ТБО в Украине. Собранный свалочный газ направляется на когенератор, на котором предполагалось вырабатывать электроэнергию для распределенной сети. Часть произведенной электроэнергии должна использоваться на нужды системы сбора и распределения свалочного газа. Предварительно подсчитанная мощность двигателей внутреннего сжигания, которые могут быть установлены для утилизации газа, составляет 1,0 МВт/час или 7,6 ГВт∙ч/год. В феврале 2010 г. была введена в эксплуатацию систему по сбору и утилизации метана на Приморском полигоне ТБО Мариуполя. Городской муниципалитет предоставил компании-разработчику право на дегазацию свалки в обмен на получение 10 % прибыли от продажи электроэнергии. При этом одной из статей получения выручки по данному проекту является реализация так называемых ЕСВ — единиц сокращения выбросов в рамках Киотского протокола, которая равна одной метрической тонне эквивалента диоксида углерода. Киотский протокол предусматривает такой механизм, как проекты совместного осуществления (ПСО), суть которых заключается в возможности продажи другим странам ЕСВ, полученных в результате реализации проектов, направленных на сокращение антропогенных выбросов.

Как видно, основными составляющими успешной реализации данного проекта являются наличие заинтересованности, в том числе финансовой, со стороны государства, а также возможность получения дополнительной коммерческой выгоды от продажи полученных ЕСВ. Стоит отметить, что компания, реализующая проект с Мариупольским полигоном ТБО имеет право оптовой реализации получаемой электроэнергии из свалочного газа на рынке электрической энергии Украины.

Если проанализировать потенциал реализации подобного проекта в России, то сразу следует отметить то, что РФ вышла из Киотского протокола с 2013 года, поэтому торговля ЕСВ становится невозможной. Кроме того, возможности выхода новых электрогенерирующих компаний на монополизируемый рынок электроэнергии России крайне ограничены. Напротив, в той же Украине действует специальный «зеленый» тариф, по которому закупается электрическая энергия, произведенная на объектах электроэнергетики, использующих альтернативные источники энергии. Его величина устанавливается на уровне розничного тарифа для потребителей, умноженного на повышающий коэффициент (для электроэнергии, полученной из ТБО, в настоящее время равен 2,3).

Очевидно, что для развития промышленного производства свалочного газа не хватает качественного государственного регулирования ключевых вопросов, связанных с утилизацией ТБО. Зарубежный опыт показывает, что реализация проектов по получению альтернативной энергии редко приносит большую прибыль. Поэтому катализатором такой деятельности обычно выступают государственные органы власти всех уровней.

Например, хорошо известно, что раздельный сбор отходов ТБО значительно повышает эффективность мусороперерабатывающих заводов, в том числе и по выработке свалочного газа. Сложность селективного сбора отходов обусловлена не столько техническими сложностями, сколько культурными и социальными, связанными с недостатком информации и полномасштабной целенаправленной пропагандой о пользе селективного сбора мусора. Отсутствие государственной политики, пропаганды на государственном уровне, экономического стимулирования в данном вопросе налицо.

С 2006 года полномочия по утилизации отходов переданы в муниципалитеты. Однако в месте с этим местная власть получила накопленные за многие годы проблемы в области обращения с отходами производства и потребления. Отсутствие современных полигонов, мусороперерабатывающих заводов, предприятий по рециклингу отходов, административных рычагов для создания условий по использованию продуктов переработки отходов, в первую очередь, с помощью государственных заказов, фактически сводит на нет усилия местных органов власти.

Таким образом, проблема производства и переработки свалочного газа должна решатся в разрезе ликвидации последствий загрязнения окружающей среды, через целевые программы и за счет средств бюджетов разных уровней. Коммерческое использование такого газа при создании новых объектов размещения отходов возможно при принятии на уровне Российской Федерации правовых актов, регламентирующих строительную деятельность в области обращения с отходами и являющихся нормативной основой для повышения качества возведения полигонов ТБО, оздоровления сложившейся экологической ситуации.

Литература:

1. Управление по охране окружающей среды США (U. S. EPA), 2011 г. ПРОЕКТ: Глобальные антропогенные выбросы парниковых газов (кроме CO₂): 1990–2030 (отчет EPA 430-D-11–003) // www.epa.gov/climatechange/economics/international.html.

2. Пурим В. Р. Бытовые отходы. Теория горения. Обезвреживание. Топливо для энергетики. / В. Р. Пурим. — М.: Энергоатомиздат, — 2002. — 112 с.

3. Концепция управления твердыми бытовыми отходами / Л. Я. Шубов, А. К. Голубин, В. В. Девяткин, С. В. Погадаев. — М.: Государственное учреждение «Научно-исследовательский центр по проблемам управления ресурсосбережением и отходами», 2000. — 72 с.

4. Сапожникова Г. П. Конец мусорной цивилизации: пути решения проблемы отходов. / Г. П. Сапожникова. — М: «Оксфам» в РФ, 2010. — 108с.

5. В отличие от ЕС, на московских свалках газ не добывают // АН-онлайн, 12 февраля 2013.