УДК 504.054; 504.056

ПОТЕНЦИАЛ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГАЗА, ВЫДЕЛЯЕМОГО С МУСОРНЫХ ПОЛИГОНОВ В САНКТ-ПЕТЕРБУРГЕ

Чумадова Людмила Ивановна1, Степанян Тарон Гнелович1, Скориков Михаил Юрьевич1, Вестников Дмитрий Михайлович1
1Санкт-Петербургский Политехнический Университет Петра Великого

Аннотация
В статье рассматривается целесообразность сбора газа с мусорных полигонов и последующее извлечение экономической выгоды посредством реализации газа на рынке либо сжиганием на полигоне. Произведены расчеты на примере одного из крупнейших мусорных полигонов «Красный Бор».
Опираясь на полученную информацию произведен анализ и сделаны выводы.

Ключевые слова: доход от метана, использование метана, модель «LandGEM», мусорный полигон, сбор метана


POTENTIAL FOR LANDFILL GAS UTILIZATION IN SAINT-PETERSBURG

Chumadova Ludmila Ivanovna1, Stepanian Taron Gnelovich1, Skorikov Michael Yurievich1, Vestnikov Dmitriy Alexandrovich1
1Peter the Great St.Petersburg Polytechnic University

Abstract
The article discusses the feasibility of collecting gas from landfills and the subsequent economic benefit through the sale of gas on the market, or burning at the site. Calculations by the example of one of the largest landfills "Krasny Bor".
Based on the information analyzed and conclusions are made.

Keywords: income from methane, landfill, LandGEM Model, methane collection, methane utilization


Рубрика: 08.00.00 ЭКОНОМИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Чумадова Л.И., Степанян Т.Г., Скориков М.Ю., Вестников Д.М. Потенциал использования газа, выделяемого с мусорных полигонов в Санкт-Петербурге // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 12 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/12/61813 (дата обращения: 20.11.2016).

Введение

Наиболее распространенным до сегодняшнего дня способом борьбы с бытовыми отходами является захоронение. Полигоны даже в средних городах за год накопливают миллионы тонн всевозможных отходов. К сожалению, это не решает проблему, но лишь усугубляет ее, так как разложение отходов отравляет воду, воздух и почву. [1]

Управление отходами и ресайклинг в последние годы стали актуальными для всех жителей Земли. В 2010 году общий объем производства отходов в России составил 5 млрд тонн. Из этой суммы только крайне незначительный объем был переработан, практически все вывозится на свалки либо сжигается. [2]

Многочисленные исследования показывают, что размер полигонов увеличивается с катастрофической скоростью, часто поглощает плодородные земли, которые могли бы быть использованы для сельского хозяйства. Мусорные полигоны загрязняют не только верхний слой почвы, но и подземные воды и почву на глубину до 20 метров. Поверхностные воды также страдают, вымирает флора и фауна. водоемов Анализ опасных веществ в водоемах показывает многократное их превышение над допустимым. Если свалки расположены вблизи артезианских скважин, то отравляются и они, что наносит непоправимый вред людям, употребляющим из них воду и ожидающим, что вода в них не требует дополнительной обработки.

Цели:

• оценка рациональности сбора метана из полигонов в Санкт-Петербурге [3]

• расчеты объемом выделения метана с полигона

• расчеты возможных доходов от реализации метана

Предмет изучения: исследование возможности извлечения метана из мусорных свалок Санкт-Петербурга и его реализации с получением экономической прибыли.

Проблемы, которые должны быть решены:

• сбор доступной информации о полигонах Санкт-Петербурге и Ленинградской области

• найти способ вычисления объемом выделяемого метана;

• проанализировать рыночный спрос на метан;

• определение пути для создания бизнеса на реализации метана с полигонов [4]. 

Научная новизна работы состоит:

В обосновании целесообразности сбора метана со свалок Санкт-Петербурга и последующего получения экономической выгоды для владельцев полигонов

Актуальность работы состоит: Экологическая ситуация Санкт-Петербурга требует внимания. Использование метана улучшит экологическую обстановку вокруг свалок, а кроме того даст выгоду в денежном выражении как владельцам полигонов, так и покупателям этого топлива.

Обзор литературы

Изучением возможности сбора и реализации метана в России серьезно никто не занимался. В Европе и США уделяют данной проблематике гораздо больше внимания. В США была разработана специальная программа LandGEM в формате программы «Excel» для расчета объемов выделяемого полигонами парниковых газов и метана. Эта программа была разработана Агентсвом по Охране Окружающей среды.

Изучением влияния метана на окружающую среду занимались греческие ученые Е.С.Карапидакис и А.А.Цейв. [5]  Брайан Гассон из Агентства по Защите Окружающей среды проводил исследования эффективный технологий по сбору метана с мусорных полигонов. [6]

В зарубежной литературе существует ряд работ, посвященных теме сбора и реализации метана.

Обозначения и сокращения

ЕСВ-Единица Сокращения Выбросов

LandGEM-Landfill Gas Emissions Model-Модель выбросов газов со свалок

EPA-Environmental Protection Agency-Агентсво по Защите Окружающей Среды

1.      Подробная информация о мусорном полигоне «Красный Бор»

Расчеты в данной статье приводятся на примере свалки «Красный Бор».

Красный Бор это мусорная свалка для практически любых видов отходов, находится в 30 километрах от центра Санкт-Петербурга, в 5 километрах от его административных границ и в 2 километрах от деревни «Красный Бор».. На свалке погребено на данный момент более полумиллиона тонн отходов и это число продолжает расти. «Красный Бор» практически заполнил всю отданную под него территорию и на данный момент он является экологической угрозой для города.

Мусорный полигон «Красный Бор» является крупнейшим полигоном для Северо-Западного Федерального Округа. Его площадь составляет 73 гектара. Генеральным директором на момент написания статьи является Мозес Александр Юрьевич. Свалка начала работу в 1970 году.

Под свалкой находится толстый пласт глины, и именно это полсужило причиной открытия свалки именно тут. Предполагалось, что глина не будет пропускать жидкости и тем самым защитит окружающую природу от отравляющего влияния свалки. К середине 90-х годов стало ясно, что глина не герметична. Это приводит к загрязнению прилегающих полей, рек и атмосферы. Одним из газов, отравляющих атмосферу является метан.

 

Рисунок 1. Пожар на мусорном полигоне

Рисунок 2. Местоположение полигона

 

Рисунок 3. Уточненное местоположение полигона

2.      Введение в модель «LandGEM»

LandGEM был создан Агентсвом по Защите Окружающей Среды (США). Для удобства пользователей, программа написана на основе общедоступной программы «Excel». LandGEM это очень полезный и простой автоматизированный инструмент оценки мусорных свалок. Он представляет собой обычный excel-файл, который использует спеиальные таблиццы и формулы. Пользователь может просто внести  известные данные о мусорном полигоне и получить результат. Программа позволяет оценить выбросы для:

  1. общего объема выделяемого газа
  2. метана
  3. газов органического происхождения (но не имеющие природы метана)
  4. ряд загрязняющих атмосферу веществ
  5. углекислый газ

Существует два способа использовать эту программу. Первый- это использовать данные нужного полигона. Зачастую, однако, то невозможно, в этом случае рекомендуется использовать второй способ, использующий в расчетах параметры по умолчанию. Модель содержит 2 набора параметров по умолчанию: «CAA»-параметры и описательные параметры (в оригинале- «inventory»).

«CAA»-параметры основаны на федеральных нормах для  полигонов ТБО, изложенных в Законе о чистом воздухе и может быть использован для определения, является ли полигон оюъектом применения для этих нормативно-правовых актов. Описательные параметры  основаны на коэффициентах выбросов из Сборника Коэффициентов Загрязняющих Воздух Выбросов (в оригинале «AP-42») и может быть использован для получения оценок выбросов для использования в кадастрах выбросов и разрешений воздух в отсутствии данных испытаний конкретных участков.

LandGEM имеет несколько особенностей, которые необходимо знать при работе с ним. Наиболее важно, что чем лучше входные данные, тем точнее результат. Модель по умолчанию основана на эмпирических данных свалок из США. Кроме того, модель имеет возможность для оценки выбросов для свалок, работающих во влажных условиях. [7] 

3.      Подготовка к расчетам

Объем добычи метана имеет прямую корреляцию с размером многоугольника. Чем больше отходов на полигоне тем больше метана образуется, и, следовательно, большая потенциальная прибыль.

Несмотря на то, что “Красный Бор” по стандартам Санкт-Петербург является большим , по американским меркам это достаточно маленький (полигоны в США с количеством отходов в 1-5 млн тонн считаются малыми).

При использовании LandGEM модели, мы можем предсказать, сколько метана будет производить полигон в ближайшие годы. Из-за этого, мы можем предсказать потенциальные выгоды от использования этого газа.

Предполагается, что полигон будет начать зарабатывать на метане в 2016 году, по этой причине, расчеты учитывают выбросы метана, которые будут происходить в 2016 году эта сумма составляет 6 276 000 м3 метана, но более важным является количество метана, что мы можем собирать и быть в состоянии использовать. Эта сумма связана с эффективностью сбора на основе методов работы. активный свалки с активным биогаза системы сбора вертикальных скважин и промежуточной крышкой или активного биогаза системы сбора горизонтальных траншей и засыпки. Это наиболее доступный вариант для области. [8 Таким образом, мы можем вычислить количество производимого газа.

4.      Расчет потенциального дохода от производства электроэнергии

Россия подписала Киотский протокол, который подтвердил рыночные механизмы, которые способствуют приверженности его сторон обязательств по сокращению выбросов парниковых газов. Одним из таких механизмов - "Совместное осуществление", в результате которых образуют Единицы Сокращения Выбросов (ЕСВ). Положения Киотского протокола ЕСВ позволит торговать ЕСВ: они могут быть использованы другим лицом по воле их владельца. В результате, можно получить дополнительные инвестиции оцениваемы в $ 0,02 / кВт-ч.

В Санкт-Петербурге, средняя цена 1 кВт-ч в 3,39 рубля (на данный момент это € 0,063).

По данным журнала сервисной компании энергии "Экологические системы" 520 кубических метров метана в год, что позволит выпускать 1 МВт • ч электроэнергии в год. Потенциал доход за год от продажи электроэнергии будет € 570 270. Поскольку свалки производит 9 052 000 кВт-ч, свалки могут рассчитывать на дополнительную прибыль € 181 040.

Всего прибыль € 676 310. [9]

5.      Расчет дохода от сжигания метана

1 тонна метана имеет тот же парниковый эффект, что и  21 тонна СО2 (другими словами 1 тонна метана является эквивалентом 21 тонны углекислого газа). Благодаря Киотскому протоколу, существует возможность продажи ЕСВ и зарабатывать на этом. В этом исследовании считаем, что цена за 1 тонну эквивалента CO2  равняется 8 евро (на практике, цена может варьироваться в зависимости от рыночных условий).

6.      Результаты расчетов

Учился многоугольник является Красный Бор. Полигон находится в двух километрах от села Красный Бор, Ленинградской области, в пяти километрах от МО Колпино Колпино (район Санкт-Петербурга) и тридцать километров от центра Санкт-Петербурга. Это крупнейший сайт по утилизации опасных промышленных отходов в Северо-Западном федеральном округе. Полигон работает с 1970 года и до сегодняшнего дня. Потенциальные и метана значения скорости генерации метана поколения были выбраны в качестве значения по умолчанию, предложенные модели I.

Сумма полученного газа будет 276 000 6 * 0,75 = 4 707 000м3. В целевой полигона может собрать 4 204 920 кубических метров метана, поэтому генератор может производить около 9052 МВт-ч электроэнергии в год, что эквивалентно 9 052 000 кВт-ч в год. Потенциал доход за год от продажи электроэнергии будет € 570 270. По таблице 2 ежегодные эксплуатационные расходы равны € 75 000. Прибыль это разница между доходами и расходами. Следовательно, доход (€ 570 270) за вычетом расходов (€ 75 000) равна прибыли (€ 495 270). Модель подсчитала, что масса выбросов метана 4187 тонн. Следовательно, сжигание 4187 тонн метана (что эквивалентно 87,927 тонн CO2), наш доход составит € 703 416. Согласно таблице 2 ежегодные эксплуатационные затраты € 25 000, так что прибыль от сжигания будет € 678 416. [10]

Следующие три таблицы показывают информацию о полигоне и параметров модели, которая использовалась при моделировании.

Таблица 1. Характеристики полигона

Год открытия

1970

Год закрытия

2015

Предполагаемый год закрытия

2015

Учитывать ли год закрытия в рассчетах?

Да

Вместимость максимальная

1 500 000 тонн

Таблица 2. Параметры модели.

Активность образования метана, k

0,05 год-1

Потенциал образования метана

170 м3/тонн

Концентрация неметанных составляющих

4000 промиле(гексан)

Содержание метана

50 % от объема

Table 3. Выбранные загрязнябщие вещества/газы

Газ #1:

Всего газа

Газ #2:

Метан

Газ#3:

Углекислый газ

Газ #4:

Неметанные органические составляющие

Таблица 4 показывает часть параметров, введенных в модель. Эта таблица показывает, сколько отходов утилизируется на полигоне каждый год. С 2016 отходов, принятой будет нулевой, потому что в этот момент полигон должен быть закрыт. В то же количество уже принятых отходов будет постоянным.

Таблица 4. Принято отходов и отходов всего

Год

Принято оходов

Всего отходов

(т/год)

(короткая тонна/год)

(т)

(короткая тонна)

1970

15 000

16 500

0

0

1971

15 000

16 500

15 000

16 500

1972

15 000

16 500

30 000

33 000

1973

15 000

16 500

45 000

49 500

1974

15 000

16 500

60 000

66 000

1975

15 000

16 500

75 000

82 500

***

***

***

***

***

2014

70 000

77 000

1 415 000

1 556 500

2015

15 000

16 500

1 485 000

1 633 500

2016

0

0

1 500 000

1 650 000

2017

0

0

1 500 000

1 650 000

2018

0

0

1 500 000

1 650 000

2019

0

0

1 500 000

1 650 000

***

***

***

***

***

2047

0

0

1 500 000

1 650 000

2048

0

0

1 500 000

1 650 000

2049

0

0

1 500 000

1 650 000

Картинка 4 показывает, что  с 1970 до 2015 года уровень выбросов метана вырос, но в 2016 году их уровень будет постепенно снижаться, однако в течение многих лет после окончания работы свалки объемы обрзаования свалочного метана на будут высокими.

Таблица 5. Ориентировочный перечень инвестиционных затрат по сбору проекта и утилизации биогаза для производства электроэнергии.

Объекты затрат

Power generation, price, €

Flaring, price, €

Пробное бурение

30 000

30 000

Покрытие полигона

80 000

80 000

Система сбора

100 000

100 000

Модуль (импорт): Факел + вентилятор + Система мониторинга

150 000

150 000

Транспортный модуль + таможенные сборы + установка

45 000

45 000

Система восстановления (двигатель-генераторы)

750 000

-

Планирование / дизайн / управление

110 000

40 000

Полная стоимость проекта с учетом 5%

1 330 000

420 000

Annual operating costs

75 000

25 000

Таблица 6. Финансовые индикаторы

Сжигание факелом

Производство электроэнергии

Финансовые индикаторы

Без продажи ЕСВ

С продажей ЕСВ

Без продажи ЕСВ

Без продажи ЕСВ

Ожидаемая годовая прибыль

-

678 416

495 270

676 310

Полная стоимость проекта

-

420 000

1 330 000

1 330 000

Время возврата вложений

-

Меньше года

2,7

1,8

Выводы

В Санкт-Петербурге очень хороший потенциал для получения доходов от использования метана, так как существует несколько крупных полигонов, для которых это может быть выгодно. Расчеты в данной работе показали большой потенциал в сфере добычи и переработки свалочного метана. Расчеты показали, что сжигание и производство электроэнергии являются экономически эффективными, могут генерировать значительные доходы для владельцев свалок, а срок окупаемости очень мал, особенно для крупного бизнеса, сроки окупаемости которого обычно немалые.


Библиографический список
  1. “7 million premature deaths annually linked to air pollution”. WHO. 25 March 2014.  http://www.who.int/mediacentre/news/releases/2014/air-pollution/en/
  2. “Matritsa Zdorovya”. 2013-2014 WWW page reference. http://www.matrix.com.ru/vliyanie-zagryazneniya-atmosfernogo-vozdux-na-zdorove-cheloveka.
  3. WHO 2014. WWW page reference. http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs313/en/
  4. WHO 2014. WWW page reference. http://www.who.int/mediacentre/news/releases/2011/air_pollution_20110926/ru/
  5. Chen, H; Goldberg, MS; Villeneuve, PJ (Oct–Dec 2008). “A systematic review of the relation between long-term exposure to ambient air pollution and chronic diseases.” Reviews on environmental health 23 (4): 243–97.
  6. Andersen, Z. J., Kristiansen, L. C., Andersen, K. K., Olsen, T. S., Hvidberg, M., Jensen, S. S., Raaschou-Nielsen, O. (2011). Stroke and Long-Term Exposure to Outdoor Air Pollution From Nitrogen Dioxide: A Cohort Study. Stroke; a journal of cerebral circulation.
  7. Raaschou-Nielsen, O., Andersen, Z. J., Hvidberg, M., Jensen, S. S., Ketzel, M., Sorensen, M., Tjonneland, A. (2011). Lung cancer incidence and long-term exposure to air pollution from traffic.
  8. “What is the greenhouse effect” “Biofayl Magazine” 2014. Online publication. WWW page reference: http://biofile.ru/geo/23890.html
  9. “Global climate change in questions and answers” The project “Energy efficiency in the public sector” Saratov, 2007 Online publication. WWW page reference: http://www.wildfield.ru/caei/tetrad/02.htm
  10. Kiehl, J. T.; Kevin E. Trenberth (1997-02). «Earth’s Annual Global Mean Energy Budget». Bulletin of the American Meteorological Society 78 (2): 197-208.


Все статьи автора «Степанян Тарон Гнелович»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться:
  • Регистрация