Оценка экономической эффективности производства биогаза на основе переработки твердых бытовых отходов

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА БИОГАЗА НА ОСНОВЕ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ

Акижанова Ж.О., Есенбекова Т.И., Байкенова Д.Х.

В данной статье дана оценка экономической эффективности производства биогаза на основе переработки твердых бытовых отходов. Представлена актуальность исследования в данной области для современного Казахстана в условиях внедрения принципов зеленой экономики и выполнения требований киотского протокола 1999 года. Дано описание барьеров сдерживающих крупномасштабное развитие биогазовых установок в мире. Проведено статистическое исследование сырьевой базы в Республике Казахстан и Карагандинской области с 2004-2011 гг. Дано описание действующей в Карагандинской области экспериментальной программы по внедрению систем электрообеспечения на основе биогаза в сельские местности Карагандинской области эко музей. Сформированы научно обоснованные заключения по вопросам внедрения систем электроснабжения на переработки ТБО в Карагандинской области.

Республикой Казахстан в соответствии с Указом Президента Республики Казахстан №84 от 12 марта 1999 года «О подписании Республикой Казахстан Киотского протокола к Рамочной конвенции ООН об изменении климата», по которому Казахстан принял на себя добровольные обязательства по снижению выбросов в атмосферу парниковых газов без включения в список приложений. Наша страна остро ощущает влияние изменения климата - в Казахстане за последние 70 лет средняя температура воздуха возросла на 1,8єС, что привело к увеличению скорости таяния горного оледенения, сокращению водных ресурсов, снижению урожайности.[1]

В Казахстане сформирована нормативно-правовая база, направленная на сокращение выбросов и обеспечения энергоэкологической безопасности. Это: ратификация Киотского протокола, принятие Закона «О поддержке возобновляемых источников энергии», принятие Закона «Об энергосбережении» и других принятых программных документов. Ратификация Киотского протокола Казахстаном имеет положительный отклик в мире. Европейские государства, США и другие страны восприняли такое решение как реальные действия Казахстана на пути создания прозрачной и «умной» экономики, как государства, ориентирующегося на долгосрочные глобальные цели.[1]

Киотский протокол предусматривает следующие обязательства для Казахстана: - осуществление политики и мер по повышению эффективности использования энергии, устойчивых форм земледелия, охрану и повышение качества поглотителей и накопителей парниковых газов; - сокращение выбросов парниковых газов в течение первого периода действия обязательств - с 2008 по 2012 гг. От статуса Казахстана зависит характер использования механизмов Киотского протокола. Особый статус Казахстана, определенный в Марракеше, позволит использовать связанные с ним механизмы Киотского протокола. Казахстану право полноправного участника данного проекта, позволила заручиться поддержкой индустриально развитых стран-партнеров.

Это будет сопровождаться улучшением экологической ситуации в стране путем:

- применения и внедрения систем новых технологий добычи энергии, предусматривающих внедрение экологически безопасных технологий и возобновляемых источников энергии (ВИЭ);

- снижения уровня антропогенных выбросов парниковых газов и, кроме того, снижения выбросов в атмосферу иных загрязняющих компонентов, сбросов, образования отходов, значительно сокращающего нагрузку на окружающую среду;

- возможности использования международного опыта в области экологически безопасных технологий в секторе энергетики и по сокращению выбросов парниковых газов;

- привлечения инвестиций в сферу энергетики при реализации механизмов Киотского протокола, что позволит решить задачи по оздоровлению экологической обстановки, привлечению в страну новых, наиболее современных технологий, развитию альтернативных источников энергии (солнечных, ветровых, геотермальных и других);

- привлечения дополнительных средств международных проектов и «зеленых инвестиций», которые будут вложены в новые экологически чистые и энергосберегающие технологии.[1]

В данной статье мы решили акцентировать внимание на возобновляемых источниках энергии.

К возобновляемым источникам энергии (ВИЭ) относятся гидроэнергия, энергия ветра и морских волн,солнечная радиация, геотермальная энергия, энергия биомассы.

Как сообщается в обзоре «Окружающая среда и устойчивое развитие в Казахстане» (серия публикаций ПРООН Казахстан, Алматы, 2004), Казахстан

обладает значительным потенциалом ВИЭ. Хотя как показано на рисунке 1 только небольшая часть энергии используется в настоящее время. Этот факт обусловлен тем, что при развитии энергетического сектора Казахстана в советское время основной упор делался на централизацию энергоснабжения от крупных традиционных электростанций и тотальную электрификацию страны. Использованию местных источников энергии в той системе не придавалось особого значения. «В условиях рыночной экономики, вопрос развития ВИЭ приобретает актуальность. Громадная территория Казахстана, низкая плотность населения, концентрация генерирующих мощностей, в основном на севере страны, определяют необходимость транспортировки электроэнергии на значительные расстояния, что приводит к значительным потерям энергии, достигающим 30% при энергоснабжении отдаленных потребителей. В этих условиях, централизованное электроснабжение отдаленных небольших потребителей становится экономически нецелесообразным. Использование ВИЭ поможет решить некоторые существующие проблемы энергоснабжения, а именно обеспечить;

- организацию производства энергии в местах ее потребления;

- повышение надежности энергоснабжения отдаленных потребителей;

- улучшение экологического состояния окружающей среды;

- снабжение электроэнергией отдаленные кочевые поселения, рабочие поселки геологов и нефтяников, не имеющих доступа к электросетям.

По данным исследования «Казахстан и Кыргызстан возможности для развития возобновляемых источников энергии», выполненного в рамках программы технической помощи Е8МАР в 1997 году, около 5100 отдаленных населенных пунктов в Казахстане не соединены с линиями электропередач. Использование ВИЭ в качестве местных источников энергии для таких населенных пунктов является экономически оправданным», сообщается в обзоре «Окружающая среда и устойчивое развитие в Казахстане» (серия публикаций ПРООН Казахстан, Алматы, 2004).[2]

Потенциал нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ)в Казахстане весьма значителен. Разработка возобновляемых энергетических ресурсов была бы особенно эффективна для выработки электроэнергии на местном уровне, а также для небольших рассредоточенных нагрузок.

Казахстан характеризуется значительными ресурсами солнечной энергии. Продолжительность солнечного сияния составляет 2200-3000 часов в год, а энергия солнечного излучения 1300-1800 кВт/м2 в год. Это позволяет использовать солнечные нагреватели воды и солнечные батареи, в частности, портативные фотоэлектрические системы, в сельской местности на животноводческих отгонах. [2]

Сегодня в данной статье мы хотим отразить возможности внедрения системы производства энергии на основе биогазовых технологий.

Биогазовые технологии это решение проблем экологии, энергетики, агрохимии и капитала.

Такие технологии радикальный способ обезвреживания и переработки разнообразных органических отходов растительного и животного происхождения, включая экскременты животных и человека, с одно временным получением высококалорийного газообразного топлива биогаза и высокоэффективных экологически чистых органических удобрений.

Рисунок 1- Доля энергопотребления ВИЭ в общем энергобалансе стран СНГ

биогаз переработка бытовой отход

Биогаз является высококачественным и полноценным носителем энергии и может многосторонне использоваться как топливо в домашнем хозяйстве и в среднем и мелком предпринимательстве для приготовления пищи, производства электроэнергии, отопления жилых и производственных помещений, кипячения, сушки и охлаждения.

В основе биогазовых технологий лежат сложные природные процессы биологического разложения органических веществ в анаэробных (без доступа воздуха) условиях под воздействием особой группы анаэробных бактерий, сопровождающиеся минерализацией азотсодержащих, фосфорсодержащих и калийсодержащих органических соединений с получением минеральных форм азота, фосфора и калия, наиболее доступных для растений, с полным уничтожением патогенной (болезнетворной) микрофлоры, яиц гельминтов, семян сорняков, специфических фекальных запахов, нитратов и нитритов. Процесс образования биогаза и удобрений осуществляется в специальных биореакторах метантенках.

Процесс получения биогаза (в его состав входят сероводород (H2S), углекислый газ (CO2) и метан) известен очень давно: в Китае более 5 тысяч лет (биогазовые установки и сегодня широко используются в этой стране около 30 млн. штук в 2000 году), в Индии более 2 тысяч лет.

Самый большой потенциал биогаза представляют навозные стоки в сельском хозяйстве. Другими источниками сырья являются:

ѕ осадки после механической или биологической очистки сточных вод (осадок после химической очистки часто образует лишь малое количество биогаза).

ѕ бытовые отходы органического происхождения.

ѕ органические отходы промышленности, например, мясоперерабатывающей или пищевой.

Другим источником биогаза могут быть полигоны ТБО, содержащие большое количество органической материи.

В случае хорошей организации процесса из одного килограмма твердого сухого вещества (TВ) обычно получается около 0,3-0,45 м3 биогаза (60% метана). Типичное время сбраживания составляет 20-30 дней при температуре 32°C. Нижняя теплотворная способность газа составляет 6,6 кВт·ч/м3. Количество получаемого биогаза часто приводится на килограмм летучего твердого вещества (ЛТВ). Содержание ЛТВ в навозе, не содержащем солому, песок и другие подобные примеси, обычно составляет 80% от твердого вещества (TВ).

Биогазовые установки обладают собственным потреблением энергии для поддержания повышенной температуры в метантенке. Для БУ с удачной конструкцией собственное потребление энергии составляет 20% от получаемой энергии. В случае использования биогаза для одновременного производства электрической и тепловой энергии (когенерация), 30-40% энергии преобразуется в электрическую энергию, 40-50% - в тепловую, а оставшаяся часть потребляется на собственные нужды.

В процессе производства биогаза возможно использовать биогаз на технологии переработки твердых бытовых отходов. На рисунке 2 дана ориентировочная оценка количества выбросов твердых загрязняющих веществ в Республике Казахстан и Карагандинской области с 2004-2011 гг. Как видно наша страна ежегодно выбрасывает не менее 600 тыс. тонн твердых бытовых отходов, из них объем отходов Карагандинской области составляет не менее 180 тыс. тонн. Что составляет около 35 % от объема выбросов Республики Казахстан в целом. [3]

Рисунок 2 - выбросы твердых загрязняющих веществ в РК и Карагандинской области с 2004-2011 гг. (данным Агентства по статистики Республики Казахстан www.stat.gov.kz)

Наличие барьеров сдерживает крупномасштабное развитие биогазовых установок в странах CEEC:

Сложно сделать биогазовые установки окупаемыми, если единственным источником прибыли является продажа энергии. Применение БУ становится привлекательным после учета эффектов обработки навоза. Это могут быть улучшение условий гигиены, простота обращения, уменьшение запаха и переработка промышленных отходов. Недостаток знаний о БУ в среде руководителей и организаторов.

Проекты по внедрению биоустановок характеризуются умеренными затратами на эксплуатацию и техническое обслуживание, практически бесплатным сырьем и доходом, получаемым от продажи биогаза или электроэнергии и тепла. Иногда к этому можно добавить другие параметры, например, превращение отходов в полезное удобрение.

Например, в Чешской Республике стоимость биогазовой установки, способной перерабатывать навоз от 100 коров, оценивается в 70000 долларов. Эта установка будет производить 220 МВт·ч в год и энергию для собственного нагрева. В результате, необходимые инвестиции равны 0,32 долларов на кВт·ч/год. Новые датские биогазовые установки имеют сходные экономические параметры. По существующим оценкам, совместное чешско-датское предприятие могло бы уменьшить цену на 40% (до 0,2 долларов на кВт·ч/год), однако эти оценки не были подтверждены на практике.

Годовые затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание обычно равны 10-20% от общей стоимости. Они зависят от организации, уровня зарплаты, типа установки и транспортных расходов. Если расходы на эксплуатацию и техническое обслуживание равны 10% от стоимости в год и требуется, чтобы срок окупаемости установки не превышал 10 лет, цена на электроэнергию должна быть на уровне 0,04-0,06 $/кВт·ч (в соответствии с приведенным примером из Чехии при условии, что сброженный остаток не продается в качестве удобрения).

К экологическим воздействиям БУ на окружающую среду относятся:

1. Производство энергии, замещающей ископаемое топливо, уменьшение эмиссии СО2.

2. Уменьшение запаха и улучшение гигиенических условий.

3. Переработка определенного вида органических отходов, который в противном случае может вызвать экологическую проблему.

4. Уменьшение эмиссии метана из-за неконтролируемого анаэробного разложения навоза.

5. Упрощение обращения с навозом, превращение части навоза в удобрение и уменьшение использования искусственных удобрений.

Прямая занятость населения в Дании на биогазовых установках оценивается величиной в 560 рабочих мест на 1 ТВт·ч произведенной энергии, из которых 420 заняты эксплуатацией и обслуживанием, а 140 - на строительстве (2000 человеко-лет для создания установок, производящих 1 ГВт·ч и имеющих период эксплуатации 14 лет). Эта оценка верна для механизированных систем с признаками централизации, то есть часть навоза транспортируется к установке от соседних ферм.[4]

Карагандинский Областной Экологический Музей с 1 декабря 2000 года выполняет первый в регионе проект «Биогаз», который был профинансирован ПМГ ГЭФ ПРООН (GEF UNDP) и фондом Hivos (Netherlands). Проект “Биогаз” направлен на решение проблем загрязнения речных систем Центрального Казахстана навозными стоками, на уменьшение выбросов парниковых газов от разлагающегося под открытым небом навоза, а также для повышения энергетической независимости и экономической стабильности фермерских и крестьянских хозяйств.

Цель проекта: Внедрение в крестьянские и фермерские хозяйства биогазовых технологий для устойчивого развития местных сообществ. Сокращение использования традиционных видов топлива - угля, газа, дизеля и дров. Улучшение экологических условий: предотвращение загрязнения водных ресурсов, сокращение выброса парниковых газов, снижение задымлённости населённых пунктов, восстановление плодородного слоя почвы, улучшение санитарно-эпидемиологической ситуации и т.д.

Задачи проекта: Строительство биогазовых установок в крестьянских хозяйствах местных общин. Обучение крестьян и фермеров местной общины техническому обслуживанию БГУ, повышение их экологической грамотности. Лоббирование местных законов, благоприятных для развития биогазовых технологий в фермерских и крестьянских хозяйствах области, информирование населения о принципах устойчивого развития местных сообществ.

Проведённая деятельность и достигнутые результаты. Первый в регионе проект, связанный с использованием биогаза, был проведён Карагандинским ЭкоМузеем ещё в 2000-2003 годах. ЭкоМузей первым начал успешно внедрять технологии получения альтернативной экологически чистой энергии. Стройка биогазового реактора Проект позволил освоить и оптимизировать три метода строительства биогазовых установок (БГУ).

В рамках проекта были построены пять БГУ общим объёмом 307 кубометров. В ходе реализации проекта, благодаря проведённой информационной кампании, выявилась высокая заинтересованность крестьян и фермеров биогазовыми технологиями (БГТ). Информация, собранная в ходе проекта сформирована в базу данных о новых альтернативных технологиях. В настоящее время в ЭкоМузей за информацией, касающейся строительства и обслуживания БГУ, обращаются представители фермерских ассоциаций Казахстана и других стран, различные экологические организации, крестьяне и фермеры, проживающие в Республике Казахстан.

Современная деятельность ЭкоМузей совместно с украинским Агентством по возобновляемой энергетике и международной организацией INFORSE-Europe в рамках программы ТАСИС реализовал на территории Казахстана проект по созданию Информационного биогазового центра «Голубое пламя». В рамках проекта подготовлено технико-экономическое обоснование системы сбора и утилизации биогаза на полигоне твердых бытовых отходов Октябрьского района города Караганды. Опыт реализации проектов по биогазу показал, что наиболее эффективным методом для широкого распространения биогазовых технологий является Биогазовый центр обучение крестьян строительству и обслуживанию биогазовых установок.

Проект Биогаз Карагандинского экологического музея это пример эффективности внедрения биоустановок на сонове отходов животного происхождения (навоз и др). Мы предлагаем попытаться внедрить установки по производству Биогаза в Карагандинской области используя не менее доступный ресурс - свалки бытовых отходов. [5]

Биогаз полигонов тбо (свалочный газ)

Большая часть муниципальных отходов - твердых бытовых отходов (ТБО) - представляет собой биологические материалы, а их вывоз на полигоны создает пригодные условия для анаэробного сбраживания. То, что полигоны и свалки ТБО генерируют метан, известно в течение десятилетий. Потенциальная опасность метана заставляла в некоторых случаях строить системы для принудительного сжигания метана. Только в 70-х годах 20 века серьезное внимание уделено идее использования этого "нежелательного" продукта.

ТБО имеют более сложный состав, чем сырье в биогазовых установках. Сбраживание происходит медленнее, обычно в течение нескольких лет, а не недель. Конечный продукт, известный под названием "свалочный газ", также представляет собой смесь преимущественно CH4 и CO2. Теоретически выход газа в течение "жизни" полигона может составить 150-300 м3 на тонну ТБО при концентрации метана от 50 до 60 объемных процентов. Это соответствует 5-6 ГДж энергии на тонну ТБО. На практике выход биогаза меньше.

В процессе формирования полигона каждый участок после заполнения покрывается слоем непроницаемой глины или подобного материала, создавая условия для анаэробного сбраживания. Газ собирается системой связанных между собой перфорированных труб, установленных в теле полигона вплоть до глубины 20 метров. На новых полигонах система труб устанавливается до поступления ТБО. На больших полигонах может быть установлено несколько километров труб, с помощью которых можно собрать 1000 м3/час свалочного газа и более. [5]

Из всего выше сказанного можно сделать вывод что биогазовые технологии на основе переработки ТБО это источник дешевой и экологически чистой энергии. Примеров использования этого вида энергии множество. В настоящее время большинство установок использует двигатели внутреннего сгорания, например, стандартные судовые двигатели. При типичном выходе газа, равном 10ГДж/час, могут быть установлены двигатель и генератор мощностью 500 кВт.

Список использованных источников

1. «Низкоуглеродное развитие и Киотский протокол: Казахстан, Россия, ЕС и позиция США» (1992-2013 гг.): монография - М.Ж. Нурушев, А.К. Байгенжин, А. Нурушева - Астана: Издательство ТОО «Жаркын Ко», 2013 - 460 с. ил.

2. «В Казахстане имеются примеры внедрения биогазовых установок», Научно-популярный журнал "TERRA ЖЕР-АНА" № 10, с.18-22

3. www.stat.gov.kz

4. http://www.ecomuseum.kz/napravleniya-3_ru.html

5. http://ecomuseum.kz/dieret/biomass/biomass.html

Размещено на Allbest.ru