Мусорный полигон, как электростанция: ученые просчитали самую рентабельную технологию
Коллектив исследователей из Института физики твердого тела имени Ю. А. Осипьяна РАН, Объединенного института высоких температур РАН, МФТИ и МГУ провел масштабное технико-экономическое сравнение четырех ведущих технологий переработки свалочного газа в электроэнергию и тепло. Впервые в одном исследовании были сопоставлены не только традиционные газопоршневые двигатели и газовые микротурбины, но и высокотехнологичные топливные элементы. Работа, опубликованная в журнале Fuel, предлагает универсальную методику оценки эффективности таких проектов, учитывающую капитальные затраты и КПД, стоимость очистки газа, срок службы оборудования и плату за выбросы загрязняющих веществ.
Огромные мусорные полигоны являются источником опасного биогаза, образующегося в результате естественного разложения органики. Этот газ, преимущественно состоящий из метана и углекислого газа, а также содержащий сероводород и другие вредные примеси, представляет собой серьезную угрозу для атмосферы. Метан — парниковый газ, в десятки раз более агрессивный, чем углекислый газ.
Однако тот же самый свалочный газ — ценное топливо, которое можно сжигать для получения энергии, превращая экологическую угрозу в источник дохода. В России, по оценкам авторов, только в наиболее урбанизированных регионах, таких как Москва, Подмосковье и Санкт-Петербург, потенциал выработки электроэнергии из этого источника измеряется сотнями гигаватт-часов в год. Этого достаточно для обеспечения энергией небольших городов, но технический и экономический потенциал этого использования остается во многом нереализованным.
«Побочной стороной жизнедеятельности современных городов является необходимость хранения огромного объема мусора, и его утилизация — дорогая. Цель нашей работы — показать, что промышленные и свалочные газы могут быть не только вечной проблемой, а, наоборот, источником прибыли. Зачастую они имеют в своем составе большое количество метана, который является высококалорийным газом и может эффективно перерабатываться в электроэнергию и тепло. Но как сделать этот процесс оптимальным? Мы решили сравнить распространенные технологии превращения метансодержащих газов в электричество по целому ряду показателей и выявить наиболее рентабельную»,— рассказал об исследовании Дмитрий Агарков, заместитель директора по научной работе ИФТТ РАН, доцент ФЭМФ МФТИ.
На сегодняшний день наиболее распространенный способ утилизации свалочного газа — газопоршневые двигатели внутреннего сгорания. Они привлекают сравнительно низкой начальной стоимостью и понятной, хорошо отработанной технологией. Однако у них есть серьезные недостатки: относительно невысокий электрический КПД, большие затраты на техническое обслуживание. Но один из самых существенных минусов — образование оксидов азота при сгорании топлива, высокотоксичного вещества, способствующего образованию смога и кислотных дождей. Их выбросы строго регламентируются.
Газовые микротурбины, в свою очередь, предлагают чуть более высокую экологическую чистоту и требуют меньшего обслуживания, но их КПД также далек от идеального.
Более перспективными, с точки зрения эффективности и экологии, выглядят топливные элементы — электрохимические генераторы, которые напрямую преобразуют химическую энергию окисления топлива в электричество без процесса горения. Твердооксидные топливные элементы работают при экстремально высоких температурах (около 600°C) и способны достигать гораздо более высокого КПД, практически не производят вредных оксидов азота. Кроме того, в расплав-карбонатных элементах есть принципиальная возможность улавливать углекислый газ из отходящих газов, что делает их еще более привлекательными с экологической точки зрения. Но они крайне требовательны к чистоте газа: даже малые примеси сероводорода и кремнийорганических соединений могут их отравить и вывести из строя. Это делает системы очистки сложными и дорогими, а срок службы самих батарей пока уступает традиционным двигателям.
Для полноценного сравнительного анализа технологий авторы исследования разработали оригинальную методику расчета, которая объединяет массовый и энергетический баланс. Ученые смоделировали гипотетическую работу четырех типов электростанций на одном полигоне, используя реальные данные о составе газа и его потоке. В расчетах были учтены не только начальные капитальные вложения в оборудование и стоимость систем очистки, но и операционные расходы, включая плановые замены ключевых узлов (например, замена топливных стеков в элементах каждые несколько лет) и даже платежи за выбросы загрязняющих веществ. Этот комплексный подход позволил вычислить ключевой показатель — удельную стоимость произведенной энергии, которая и стала основным критерием для сравнения.
Для проверки точности своих расчетов исследователи использовали данные с полигона «Тимохово» в Московской области, одного из крупнейших в Европе, где успешно работают пять газопоршневых двигателей общей мощностью 10 мегаватт, которые ежегодно перерабатывают миллионы кубометров биогаза. Сопоставление расчетных показателей с реальными данными эксплуатации показало, что методика работает корректно и дает достоверные прогнозы.
Анализ показал, что с точки зрения сухой экономики газопоршневые двигатели и сейчас остаются вне конкуренции: удельная стоимость электроэнергии, выработанной на их основе, оказалась в несколько раз ниже, чем у топливных элементов. Это происходит из-за очень высокой стоимости самих топливных элементов и необходимости их дорогой замены, которая по срокам наступает довольно быстро. В структуре затрат на топливные элементы капитальные расходы достигают 99%, в то время как для двигателей внутреннего сгорания этот показатель значительно ниже. Однако исследователи подчеркивают, что ситуация в корне меняется, если смотреть на картину шире. Экологический аспект и долгосрочная перспектива однозначно на стороне топливных элементов.
«Несмотря на все очевидные экологические преимущества топливных элементов, их применение для переработки свалочного газа до сих пор остается экономически нерентабельным. Основная причина кроется в коротком сроке службы и крайне высокой стоимости ключевых компонентов. Но наша модель позволила четко определить целевые параметры, при которых топливные элементы могут уверенно конкурировать с традиционными технологиями. Например, снижение капитальных затрат до $2 тысяч за киловатт и увеличение срока службы батарей хотя бы до десяти лет»,— заключил Дмитрий Агарков.
Расчеты показывают, что при достижении этих целевых показателей удельная стоимость энергии для твердооксидных топливных элементов может сократиться с текущих $0,9–0,92 примерно до $0,19–0,28 за киловатт-час, что уже сопоставимо с современными двигателями. При этом твердооксидные элементы продолжают демонстрировать самую высокую эффективность, а расплав-карбонатные дают уникальную возможность производить из отходящих газов товарную жидкую углекислоту, создавая дополнительный источник дохода.
Исследователи планируют расширить свою модель, включив в нее прогнозные данные по изменению климата, которые могут влиять на интенсивность разложения отходов, а также более детально изучить экономику систем улавливания углекислого газа.
Источник: Пресс –служба МФТИ