Перспективы использования энергии сточных вод в Сочи



Рассмотрены возможности использования бытовых сточных вод как вторичных источников энергоресурсов в г. Сочи.

Ключевые слова: сточные воды, энергосбережение и энергоэффективность, вторичные источники энергоресурсов.

Бóльшая часть способов извлечения и выработки, передачи и использования энергии имеет невысокий КПД. Например, доля тепловой энергии сжигаемого топлива, идущей непосредственно на перемещение пассажира на личном автотранспорте — величина порядка 1 % [1]. Поэтому с учетом таких проблем как: истощение и непрерывное удорожание невозобновляемых энергоресуросов, загрязнение окружающей среды, нарастающий водный дефицит (вода используется в большинстве технологических процессов) и др., актуальность проблемы энергосбережения и энергоэффективности не вызывает сомнений.

Подавляющая доля энергии, генерируемой, высвобождается при сжигании топлива. ТЭС (теплоэлектростанции) — основной источник электроэнергии. Транспорт (авто-, авиа-, водный) тоже в основном на тепловых двигателях. Негативное влияние на окружающую среду нет смысла обсуждать и шаги к снижению этого влияния предпринимаются. Внедряются альтернативные источники энергии (солнечные, ветровые, приливные и др.).

Но насколько альтернативные виды извлечения энергии, являются «зелеными», то есть экологичными? Гидроэлектростанции (ГЭС) не делают вредных выбросов в атмосферу. Но происходит затопление больших площадей и, соответственно, изменение климата. Рыбный мир испытывает «затруднения» (например, невозможность свободного прохода для нереста). Приливные-отливные электростанции также «вторгаются» в жизнь рыб. Они также дают (пусть и ничтожный) вклад в замедление вращения Земли. Ветровые электростанции — источник «шумового загрязнения» и причина ослабления ветров, что приводит, например, к замедлению очистки атмсоферы городов от смога. Атомные электростанции (АЭС) создают проблему захоронения ядерных отходов (эти «конюшни» придется разгребать еще нашим далеким потомкам). Кроме того, запасов «ядерного топлива» на Земле не так и много.

На наш взгляд, наиболее приемлемым видом альтернативной энергетики (в будущем, возможно, основной) является симбиоз солнечной и водородной энергетики. Здесь усматривается два направления:

1) солнечные электростанции, вырабатывающие электроэнергию, используемую непосредственно (например, на электротранспорте);

2) «солнечная» электроэнергия используется для производства водорода, который в дальнейшем используется в тепловых двигателях (их «выхлопом» будет чистая вода).

Достоинство водородной энергетики — разнообразие способов получения водорода (газификация угля, электролиз воды, пиролиз и др.). Это несомненно повышает энергетическую безопасность и снижает зависимость от отдельных видов сырья.

Другим направлением в области энергосбережения является использование вторичных источников энергии, осуществляющих ее «доизвлечение» из какого-то уже «отработанного» ресурса. Вторичные источники энергии — вещества, обладающие энергетическим потенциалом и являющиеся побочными продуктами деятельности человека и часто относимые к отходам производства [2]. Вторичные энергоресурсы (ВЭР) делятся на три основные группы: избыточного давления, горючие и тепловые [3]. ВЭР избыточного давления — это выходящие из какой-либо установки газы, вода, пар с повышенным по отношению к окружающей среде давлением и, соответственно, обладающие потенциальной энергией. Горючие ВЭР — это горючие вещества, являющиеся отходами какого-либо производства и которые можно применить как топливо в другом производстве. Тепловые ВЭР — это теплота отработанного теплоносителя (газ, вода, пар), нагретые вентиляционные выбросы и т. п.

Энергетический потенциал сточных вод

В данной работе речь пойдет о недоиспользованном энергетическом потенциале сточных вод. Этот потенциал кроется, во-первых, в тепловой энергии сточных вод, во-вторых, в их кинетической энергии.

В общем потреблении энергии в среднем городском доме доля, идущая на нагрев воды для нужд горячего водоснабжения (не принимая в расчет стиральные и посудомоечные машины), составляет порядка 20–25 % [4]. Например, для гигиенических процедур среднестатистическому человеку требуется около 10 % используемой в душе воды, остальная сливается в канализацию неиспользованной [4]. Таким образом, утилизация и вторичное использование тепловой энергии сточных вод позволит экономить этот дорогостоящий ресурс, снизить стоимость горячего водоснабжения и экологическую нагрузку на окружающую среду.

Различные устройства, позволяющие утилизировать тепло сточных вод, разрабатываются и практически используются уже не один десяток лет. Самый распространенный способ — это применение тепловых насосов, устанавливаемых на очистных станциях [5]. Однако, при транспортировке канализационных вод от зданий до очистных сооружений температура вод значительно снижается. Поэтому целесообразно утилизировать тепло сточных вод не только на очистных станциях, но и непосредственно в самих зданиях.

Установка тепловых насосов требует значительных капитальных вложений и места для установки оборудования. Следовательно, «домовая» система утилизации сточных вод должна обладать следующими свойствами:

1) невысокая стоимость и, соответственно, быстрая окупаемость;

2) возможность встраивания в существующую систему канализования без радикальной ее реконструкции;

3) простота эксплуатации, не требующая службы сервиса.

Примером системы рекуперации тепла сточных вод является разработанная в Канаде система Power-Pipe® DWHRSystem, удовлетворяющая вышеперечисленным требованиям [6, 7] и позволяющая снизить затраты на приготовление горячей воды на 20–40 % [1]. Вкупе с низкой начальной стоимостью возвращается 15–50 % инвестиций в год [7] и оборудование окупается в течение 2–7 лет.

Не новая проблема возврата энергии, уходящей в канализацию с водой, широко обсуждается как в научно-техническом поле, так и в среде хозяйственников [8–11]. В работах [5, 8] приведены подробные технико-экономические расчеты процесса и установок по использованию вторичного тепла сточных вод. В [9] рассмотрена практика биогенерации газа с использованием отходов, выделенных в процессе очистки сточных вод. Существует способ [10, 11] получения электроэнергии из сточных вод (с попутной их очисткой) с использованием объединенной технологии реверсивного электродиализа и микробных топливных элементов (MFC).

Источником энергии сточных вод может быть также кинетическая энергия [12], использование которой может быть актуальным для высотных зданий. Вода, обладая вначале потенциальной энергией ( E _п = mgh , где m — масса, g — ускорение свободного падения, h — высота), по мере своего движения вниз, приобретает кинетическую энергию, которую с помощью электрогенераторов можно превратить электроэнергию.

Расчеты, проведенные в [12], показывают, что выработанной электроэнергии от стоков стандартной «девятиэтажки» достаточно для освещения, например, лестничных клеток и подъездов. Проблемы технического характера существуют. Например, в сточных водах присутствуют плотные вещества, которые не должно мешать ни работе генератора, ни свободному продвижению сточных вод. Однако, по мнению авторов [12], применение соответствующих конструкторских решений позволит преодолеть препятствия.

Кинетическую энергию сточных вод можно использовать и в более широком масштабе. Например, в 2014 году, под Томском, начала работать частная мини-ГЭС на сточных водах [13]. Принцип ее действия как у «традиционных» ГЭС. Вращение турбины происходит за счет сточных вод, прошедших очистку на местной очистной канализационной станции и сбрасываемых в реку с высоты порядка 100 метров. Вырабатываемая данной мини-ГЭС электрическая мощность составляет 1 МВт. Подобная электростанция является второй в России (первая находится в Ульяновске), а в европейских странах они достаточно широко распространены. Устанавливаются они, обычно, на самих очистных сооружениях, для сокращения затрат на электричество для своих насосов.

Перспективы использования механической и тепловой энергии сточных вод в Сочи

Для оценки перспектив воспользуемся следующими входными данными:

1) среднее потребление воды в месяц на 1 семью из трех человек в г. Сочи равно: холодная вода — 18 м ³ /мес., горячая вода — 12 м ³ /мес., всего — 30 м ³ /мес.;

2) в г. Сочи в месяц, в среднем, образуется V =3900000 м ³ бытовой сточной воды. Масса, сточной воды, таким образом, составляет m =3.9·10 ⁶ т=3.9·10 ⁹ кг.

Механическая энергия

Рассчитаем потенциал сточных бытовых вод на уровне земли, на которой находится здание. Согласно [14], в Сочи средняя этажность новостроек — 9, а у «вторички»- 7. С учетом этого, а также того, что вся вода спускается не только с самого верхнего этажа, примем в качестве расчетного уровень четвертого этажа ( h =10 м).

Потенциальная энергия сточных вод в месяц:

E=mgh= 3.9·10 ⁹ ·10·10=3.9·10 ¹¹ Дж ≈ 1.08·10 ⁵ кВт·ч ≈ 110 тыс. кВт·ч.

Рассчитаем суммарную мощность этих вод:

P=E/t = 3.9·10 ¹¹ /(30·24·3600) = 1.5·10 ⁵ Вт = 150 кВт.

Превратить всю эту механическую энергию в равную ей электроэнергию в принципе невозможно, это означало бы полную остановку воды. А ведь ее еще необходимо транспортировать к очистным сооружениям. Предположим, что возможно, не нарушая транспорта вод к очистным сооружениям, превратить 50 % процентов их механической энергии в электроэнергию. Это даст 55 тыс. кВт·ч энергии в месяц. Исходя из цены [15] на электроэнергию 5 руб/ кВт·ч, получаем около 275 тыс. руб. в месяц и 3.3 млн. руб. год.

Сумма кажется внушительной, но не забываем, что расчет проведем для города в целом. Чтобы понять рентабелен ли данный вид альтернативной энергетики или нет, проведем оценочный расчет для некоторой условной «девятиэтажки».

Пусть h =12 м (половина высоты дома), в доме 12 квартир на этаж, тогда объем сточных вод в месяц будет V =12·9·30=3240 м ³ ( m =3240 т=3.24·10 ⁶ кг).

Потенциальная энергия сточных вод в месяц:

E=mgh= 3.24·10 ⁶ ·10·10=3.24·10 ⁸ Дж ≈ 90 кВт·ч.

Суммарная мощность этих вод:

P=E/t = 3.24·10 ⁸ /(30·24·3600) = 125 Вт.

С учетом того, что в электроэнергию преобразуется 50 %, получаем 60 Вт мощности. Даже при использовании маломощных энергосберегающих электроламп, для нужд освещения общедомовых площадей этого явно мало. В год получим экономии 90·0.5·12·5=2700 руб. За десять лет бесперебойной и надежной работы это дает бюджет всего в 27 тыс. руб. Это ставит под большое сомнение оптимизм авторов [12] и рентабельность преобразования механической энергии из бытовых сточных в электроэнергию. Кроме генераторов, которые необходимо встраивать в существующую сеть водоотведения, необходимы аккумуляторы, подобные тем, которыми оснащаются солнечные батареи.

Поэтому, считаем, что в солнечном городе Сочи более эффективно использование, в качестве альтернативной энергетики «у дома», солнечной энергии. Солнечные батареи для выработки электроэнергии и солнечные водонагреватели можно устанавливать на крышах домов. Данные технологии хорошо отработаны и зарекомендовали себя как с эксплуатационной, так и с экономической точек зрения.

Однако, открытым остается вопрос об актуальности более централизованного подхода к данной проблеме. Возможно, эффективно и рентабельно будет обустройство мини-ГЭС, подобных созданной в Томске [13]. Такая мини-ГЭС, устраиваемая в «конце трубы», в которую собираются не только бытовые, но и индустриальные сточные воды с целого микрорайона города, будет давать ощутимую мощность. Тем более, что перепад высот здесь уже может достигать несколько десятков метров, так как город Сочи находится в горной местности.

Тепловая энергия

Будем считать, что сточная вода, используемая для предварительного нагрева холодной воды или воздуха в системе приточной вентиляции, отдавая тепловую энергию, охлаждается на 5 ^о С. Тогда эта энергия в месяц составляет:

Q=cm Δ t =4200·3.9·10 ⁹ ·5 ≈ 8.2·10 ¹³ Дж ≈ 2.3·10 ⁷ кВт·ч

( c =4200 Дж/(кг·К) — удельная теплоемкость воды, m =3.9·10 ⁹ кг).

При цене 5 руб/кВт·ч, это дает экономию 115 млн. руб в месяц и более миллиарда рублей в год.

Как видим, здесь экономия уже оказывается значительно существенней, чем при утилизации механической энергии. Кроме того, плюсом тепловой энергии является-то, что оборудование, не имея подвижных механических устройств и электрооборудования, значительно дешевле, надежнее и проще в эксплуатации. Таким образом, оборудование будет быстро окупаться и это направление альтернативной энергетики является очень перспективным.

Заключение

Сделаем выводы.

1. Использование механической энергии бытовых сточных вод в рамках отдельно взятого дома в г. Сочи нерентабельно. Данное направление может оказаться актуальным и целесообразным при постройке мини-ГЭС, использующих воду, собранной с городского микрорайона при значительном перепаде высот между микрорайоном и мини-ГЭС.
2. Извлечение тепловой энергии бытовых сточных вод в г. Сочи может давать экономический эффект порядка одного миллиарда рублей в год, что делает данное направление очень перспективным.

Литература:

1. Кириллов А. М. Энергия сточных вод: тематика выпускных квалификационных работ по направлению «Сервис инженерных систем» // Материалы II Всероссийской научно-практической конференции «Туризм: гостеприимство, спорт, индустрия питания», Сочи, 2016. С. 1064–167.
2. Источники энергии [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://engineeringsystems.ru/i/istochniki-energii.php (Дата обращения 08.02.2021).
3. Вторичные энергетические ресурсы [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://author24.ru/spravochniki/energeticheskoe_mashinostroenie/vtorichnye_energeticheskie_resursy/ (Дата обращения 08.02.2021).
4. Утилизация тепла сточных вод [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=5462 (Дата обращения 08.02.2021).
5. О тепловом ресурсе сточных вод и его использовании [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.insolar.ru/lib_20.php (Дата обращения 08.02.2021).
6. Performance evaluation of drain water heat recovery technology at the Canadian center for housing technology [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.gfxtechnology.com/NRCan-3_24_06.pdf (Дата обращения 08.02.2021).
7. ThePower-Pipe [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://www.youtube.com/watch?v=N3F3k0zeglk (Дата обращения 08.02.2021).
8. Об использовании тепла сточных вод [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.energosovet.ru/bul_stat.php?idd=49 (Дата обращения 08.02.21).
9. Waste-Water-Energy: возможности использования сточных вод в качестве источника энергии, полученной из отходов [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://unece.org/fileadmin/DAM/energy/se/pp/eneff/8th_IFESD_Astana_2017/14_June/Materials_from_waste/06_Mustafina.pdf (Дата обращения 08.02.2021).
10. Электроэнергия из сточных вод [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://globalscience.ru/article/read/20323/ (Дата обращения 08.02.2021).
11. Отходы вместо АЭС [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://www.gazeta.ru/science/2012/03/02_a_4019417.shtml (Дата обращения 08.02.2021).
12. Использование сточных вод для выработки электроэнергии [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://cp.edusite.ru/dl.html?uri=pin.asb-school-24.edusite.ru/DswMedia/ispol-zovaniestochnyixvoddlyavyirabotkiyelektroyenergii.pdf (Дата обращения 08.02.2021).
13. Под Томском начала работать мини-ГЭС на сточных водах [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://tesiaes.ru/?p=8546 (Дата обращения 08.02.2021).
14. Рейтинг городов России по этажности жилых домов: новостройки и «вторичка» [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://www.domofond.ru/statya/reyting_gorodov_rossii_po_etazhnosti_zhilyh_domov_novostroyki_i_vtorichka/100627 (Дата обращения 12.02.2021).
15. Таблица тарифов [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://kuban.tns-e.ru/population/tariffs/tariff-table/ (Дата обращения 12.02.2021).