Про необхідність будівництва заводів для спалювання сміття

А. Манілов, інженер, С. Товстюк, інженер

Використання відновлюваних та альтернативних джерел енергії – очевидна перспектива розвитку вітчизняної енергетики. Серед багатьох типів саме альтернативних джерел енергії широке застосування сміттєспалювальних заводів досі лишається дискусійним питанням, проте даремно

Ми живемо за часів стрімкого технічного прогресу, але складається враження, що ми самі ігноруємо його, повторюючи помилки минулого. В умовах енергетичної кризи та задля досягнення енергетичної незалежності «соломинкою для потопаючого» є використання нетрадиційних для нашої країни джерел альтернативної енергії, які мають зменшити згубний вплив від діяльності людини. В якості таких джерел широкого поширення набули сонячні та вітрові електростанції (СЕС та ВЕС), проте незаслужено проігнороване потужне джерело теплової та електричної енергії – спалювання твердого побутового сміття.

В Україні офіційно налічується 5 455 сміттєзвалищ та полігонів загальною площею понад 8 500 Га. На них вже перебуває сотні мільйонів тонн сміття. Щороку громадяни України додатково генерують понад 20 млн тонн сміття, практично все воно направляється на сміттєві полігони. До того ж значна частка сміття потрапляє на «стихійні» незаконні сміттєзвалища обабіч доріг, в лісопосадках, в ярах, лісах тощо. Тільки 5,6% сміття потрапляє до вторинної переробки та 1,4% спалюється (див. рис. 1).

Рис. 1. Утилізація сміття в Україні

Необхідність маневру

Україна запропонувала дуже привабливі економічні стимули для будівництва промислових та домашніх ВЕС та СЕС, що забезпечило їхнє бурхливе будівництво та проєктування. Однак падіння вироблення електроенергії на ВЕС та СЕС через несталості генерації завдяки мінливим погоднім та добовим умовам викликає потребу створення маневрованих потужностей, які забезпечують швидку компенсацію падіння виробництва енергії. Особливо актуальною проблема компенсації небалансів генерації постає тоді, коли частка змінюваних ВДЕ в енергосистемі перевищує 10%, чого, за цьогорічними даними «НЕК «Укренерго», вже досягнуто в Україні.

Відповідно до сценарію ДП «НЕК «Укренерго» найбільш доцільним є будівництво нових високоманеврованих балансуючих потужностей. На сьогодні приєднано та видано технічні умови на приєднання до енергосистеми відновлюваних джерел електроенергії загальною потужністю на 7 500 МВт. Для безболісного приєднання цієї потужності «зеленої» енергетики необхідно буде побудувати від 2 000 до 3 000 МВт потужностей, які будуть балансувати змінювану генерацію. Крім того, у дослідженні НЕК «Укренерго» на 2025 рік розглядається будівництво ГАЕС, а також 2000 МВт газових генеруючих установок та 500 МВт акумуляторів [1]. Загальні капіталовкладення оцінюються у 55 мільярдів гривень (або 22 тис. грн/кВт).

Видача потужності ВЕС та СЕС в енергосистему не зменшує кількість генераторів теплових електростанцій (ТЕС) та теплоелектроцентралей (ТЕЦ), а створює надлишок потужності, збільшуючи втрати потужності та напруги, збільшуючи коливання частоти в мережі, викликає необхідність заміни проводів та обладнання. Наприклад, у Кіровоградобленерго за максимального навантаження у травні 2019 року на рівні 266 МВт потужність приєднаних СЕС становила 125 МВт (47% від споживаної потужності) [2]. У разі реалізації всіх виданих технічних умов загальна потужність відновлюваних джерел електроенергії по Кіровоградській області становитиме 480 МВт при літньому максимумі на рівні 266 МВт (180% споживаної потужності).

Розв’язання екологічної проблеми за допомогою ВЕС й СЕС без широкого перероблення сміття вбачається не повним, оскільки «заморожує» ситуацію з накопиченими відходами та не дозволяє позбавлятися поточних проблем із «новим» сміттям.

Сміттєва небезпека

Вивіз сміття на сміттєзвалище та його подальше «поховання» там може виявитися значно небезпечнішим за спалювання його на спеціалізованому заводі. Сміття саме «горить» без жодних фільтрів та виділяє шкідливі речовини у підземні води. У країнах Європи було прийнято директиву, яка скорочено називається «Zero Waste» (нуль відходів), метою якої є повна ліквідація сміттєзвалищ й полігонів до 2030 року.

Головною проблемою сміттєзвалищ є сірководень (H2S), що виділяється при розкладанні сміття природним шляхом. Дослідження також виявили зв'язок між впливом сірководню та показниками смертності від раку легенів та збільшеною захворюваністю та смертністю, пов'язаною з респіраторними захворюваннями. Окрім того, сміття при гнитті емітує метан, шкода від якого в якості парникового газу у 80 разів більша, аніж у двоокису вуглецю.

Таким чином, видається доцільним замість будівництва резервних маневрованих потужностей на традиційних енергоресурсах, що включаються при дефіциті потужності, побудувати достатню кількість сміттєпереробних заводів та сміттєспалювальних електростанцій. Це дасть можливість використовувати сміттєспалювальні електростанції не тільки для покращення екологічної ситуації, а й для виведення з роботи генераторів ТЕС та ТЕЦ. Наприклад, 4 тонни сміття, які використовуються як паливо, замінюють 1 тонну нафти або 110 м3 природного газу.

Сміття – джерело енергії

Вже сьогодні в Європі сміття використовується на спеціально збудованих для цього ТЕЦ. На цей момент у Європі працює вже понад 500 таких ТЕЦ різної потужності та постійно будуються нові. У 2020 р. було перетворено на електроенергію близько 50 мільйонів тонн твердого сміття. Приблизно 27 мільйонів людей користувалися електричною енергією, яка була виготовлена зі сміття. У найближчі 5 років кількість сміття, яке переробляється на енергію, зросте вдвічі. Найбільше енергії з відходів серед європейських країн отримує Швеція – приблизно 3 МВт•год на тонну. За рік у Швеції спалюють 7 мільйонів тонн відходів, четверту частину яких одержують від інших країн, а завдяки отриманій енергії опалюють 1,25 мільйона квартир й ще 680 000 домогосподарств забезпечують електрикою.

Вітчизняні інженери також мають позитивний досвід з перероблення відходів, що можуть спалюватися. Сміттєспалювальний завод «Енергія» в м. Київ забезпечує утилізацію до 250 тис. тонн твердих побутових відходів на рік, при цьому виробляється та постачається до 200 тис. Гкал на рік теплової енергії.

Після проведення реконструкції (модернізація котлів та установка парової турбіни потужністю 3 МВт), «Енергія» зможе спалювати до 280 тис. тонн сміття на рік, генеруючи до 360 Гкал теплової енергії та додатково виробляти до 14 млн кВт•год електроенергії на рік.

Зауваження та застереження

Критерієм оцінки якості атмосферного повітря є гранично допустима концентрація шкідливих речовин. При згорянні природного газу та біогазу основними горючими елементами є метан та сірка. Продукти згоряння містять оксид вуглецю та азоту, який є попередником канцерогенних нітросполук, а також високотоксичним.

Тільки частина (60%) вуглекислого газу при спалюванні в атмосфері поглинається рослинами та розчиняється в океані. Решта накопичується в атмосфері й тим самим інтенсифікує парниковий ефект. Відповідно до розрахунків, рівень викидів у Європі у 2030 році у порівнянні з 2010 роком має бути зменшено на 45%, а взагалі зменшитись до нуля – до 2050 року.

В основу сміттєспалювальних заводів нового покоління має бути закладено екологічність та безпеку. Необхідна багатоступенева система очищення продуктів згоряння та постійний моніторинг показників викидів в атмосферу.

Така система дозволила розмістити один із таких об'єктів у центрі столиці Австрії, Відні – це сміттєспалювальний завод Шпіттелау (див рис. 2), оснащений найсучаснішим обладнанням для очищення продуктів згоряння. Перший та другий ступінь очищення там – механічні (тканинні) та електричні фільтри, що відокремлюють тверді мікрочастинки. З кожної тонни відходів із летючої золи відокремлюється 1 кг осаду, що містить домішки важких металів. Дуже важливим ступенем очищення є третій, який виконує роль каталізатора. Азотні оксиди видаляються за допомогою аміаку; діоксини, фурани та інші отруйні речовини розпізнаються, дезактивуються та руйнуються. Доочищення здійснюється фільтрацією активованим вугіллям.

Рис. 2. Сміттєспалювальний завод Шпіттелау в центрі австрійської столиці.
Фото – Lukas Riebling

У період з 2012 до 2015 рр. сміттєспалювальний завод Шпіттелау було повністю реконструйовано, виходячи з сучасних вимог до енергетичної утилізації відходів. У ході модернізації було оновлено установки сміттєспалювання, замінено установку нейтралізації азотних сполук NOx, замінено старі фільтри. Додамо, що за умов використання енергоефективних сміттєспалювальних установок з високим ККД при високій температурі, концентрація шкідливих речовин у продуктах згоряння стає значно меншою. Особливо, це стосується токсичних органічних сполук.

Користь від сміття

Замість використання викопного палива для балансування газопоршневих установок, доцільно використовувати газотурбінні генератори на сміттєспалювальних електростанціях, що працюють безперервно та гнучко. На рис. 3 представлено зображення такої електростанції.

Рис. 3. Сміттєспалювальна газотурбінна електростанція:
1 – повітряний охолоджувач масла; 2 – блок електрогенератора; 3 – блок газотурбінного двигуна (ГТД); 4 – система вентиляції ГТД; 5 – комплексний пристрій очищення повітря; 6 – газовихлопний тракт; 7 – блок електротехнічного обладнання ГТД; 8 – блок електротехнічного обладнання генератора

Будівництво екологічно чистих сміттєспалювальних електростанцій та сміттєпереробних заводів зможе суттєво покращити екологічну ситуацію у навколишньому середовищі, дасть можливість суттєво зменшити обсяги застосування природного газу та вугілля на ТЕС й ТЕЦ, а також зменшити загальну встановлену потужність маневруючих генераторів. На відміну від змінюваних джерел електропостачання (ВЕС та СЕС), вони не вимагають додаткового будівництва високоманеврених балансуючих потужностей та споживачів-регуляторів (акумулюючих систем).

Література

1. Б. А. Костюковський, С. В. Шульженко, Р. С. Масюк. Проблеми та перспективи прискореного зростання потужностей ВЕС та СЕС в об'єднаній енергетичній системі України // Енергетика та електрифікація. – 2019. – №5-6.
2. Д. Л. Пронін. Проблематика приєднання об'єктів відновлювальної енергії до розподільчих мереж оператора системи розподілу // Енергетика та електрифікація. – 2020. – №7-8.

Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok. Долучайтесь!