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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Biogas da discarica. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Fonti di energia alternative Negli ultimi decenni, la quantità di rifiuti solidi urbani (RSU) è aumentata in modo significativo. Ogni anno entrano nella biosfera circa 400 milioni di tonnellate di rifiuti solidi urbani e questa quantità aumenta del 3-6% all'anno, superando il tasso di aumento della popolazione mondiale. Una quantità significativa di RSU è costituita da rifiuti alimentari, carta, cartone, legno. Parte delle frazioni organiche di RSU varia dal 56% nei paesi sviluppati al 62% nei paesi in via di sviluppo. Nella pratica mondiale, ci sono tre modi principali per smaltire i rifiuti solidi:
In alcuni paesi sviluppati, in particolare quelli ad alta densità di popolazione (Svizzera, Giappone, ecc.), i RSU e persino i fanghi di depurazione vengono bruciati prevalentemente. L'incenerimento dei RSU richiede l'uso di tecnologie complesse e costose per la pulizia dei prodotti della combustione da metalli pesanti e gas nocivi. Il problema della pulizia dei fumi dalle diossine non è stato ancora risolto in nessun paese. Molto probabilmente, il compostaggio non verrà utilizzato per molto tempo, poiché il problema della pulizia del compost dai sali di metalli pesanti, la cui migrazione nel terreno fertile è inaccettabile, non è stato risolto. Attualmente, in molti paesi del mondo, lo smaltimento dei RSU in apposite discariche è considerato il modo più economico per smaltirli. La quantità di rifiuti solidi che viene portata in discarica o discarica è del 45-55% nei Paesi Bassi, del 62-85% negli Stati Uniti, del 93-96% in Canada e del 97% in Russia. Estrazione e utilizzo di biogas da discariche di rifiuti solidi in diversi paesi Il biogas si forma nei RSU senza accesso all'ossigeno. Sotto l'azione dei batteri, parte della materia organica si decompone con la formazione di metano (50-70%) e anidride carbonica (30-50%), una miscela delle quali forma biogas, inoltre contiene piccole quantità di azoto, ossigeno e idrogeno. Il biogas è combustibile e ha un alto potere calorifico superiore a 18 MJ/m3. Il più economicamente giustificato è la raccolta e l'utilizzo del biogas in grandi discariche e discariche di rifiuti solidi, dove si trovano più di 1 milione di tonnellate di rifiuti, il cui strato supera i 10 M. È auspicabile che la maggior parte dei rifiuti abbia una "età ” non superiore a 10 anni. Il territorio della discarica deve essere bonificato: ricoperto da uno strato di terra di almeno 30-40 cm. La resa media di biogas da tale discarica sarà di almeno 5 m3 per 1 tonnellata di RSU in 20 anni. Di grande importanza è la percentuale di sostanza organica (i rifiuti edilizi non generano biogas). Il potenziale totale del biogas nell'UE raggiunge i 9 miliardi di m3/anno, negli Stati Uniti - fino a 13 miliardi di m3/anno. Con l'utilizzo del metano proveniente da tutte le discariche di RSU negli Stati Uniti, la sua quantità sarà pari al 5% del consumo totale di gas naturale nel Paese. Nel 1992 erano in funzione 481 sistemi di raccolta del biogas nel mondo (175 nei paesi dell'UE, 264 in America, 4 ciascuno in Asia e Australia e 2 in Africa). Ma va notato che circa il 25-50% del biogas è stato utilizzato per scopi commerciali, il resto bruciato in torce. Il biogas è uno dei principali gas serra Secondo il grado di danno all'ambiente, il metano è considerato il secondo gas nocivo dopo l'anidride carbonica. La concentrazione di metano nell'atmosfera cresce di circa lo 0,6% annuo ed è raddoppiata negli ultimi due secoli (la concentrazione di anidride carbonica cresce ogni anno dello 0,4%). Il metano ha una "vita" più breve nell'atmosfera (11 anni), mentre l'anidride carbonica ha 120 anni. Pertanto, la stabilizzazione o la riduzione delle emissioni di metano nell'atmosfera porterà a un rapido cambiamento climatico positivo. Il rilascio globale di metano nell'atmosfera è un fattore importante nel cambiamento climatico. Negli Stati Uniti è stata varata una legge che obbliga tutte le discariche di rifiuti solidi, nessuna esclusa, ad essere dotate di sistemi per l'estrazione e l'utilizzo del biogas. Già nel 1987, è stato determinato che l'emissione totale di metano dalle discariche terrestri è di 30-70 milioni di tonnellate all'anno, ovvero il 6-18% della sua emissione totale nell'atmosfera. Il gruppo di esperti della Commissione intergovernativa sui cambiamenti climatici ha inserito il metano di discarica nell'elenco dei principali gas serra mondiali. La diffusione del biogas nell'ambiente provoca una catena di fenomeni negativi. Il suo accumulo può creare condizioni di rischio esplosivo e di incendio nelle case e nelle strutture che si trovano vicino a discariche di rifiuti solidi. L'accumulo di biogas in un ambiente chiuso è pericoloso anche dal punto di vista tossicologico. Molti casi di avvelenamento sono stati registrati durante il mantenimento delle comunicazioni di ingegneria profonda. Il biogas ha anche un effetto dannoso sullo strato vegetale ("soffocando" l'apparato radicale). Tutto ciò indica la necessità di combattere le sue emissioni in atmosfera. Il metodo principale con cui ciò può essere fatto è la raccolta e l'utilizzo del biogas. Tecnologie per la raccolta/produzione di biogas in discarica Il sistema di raccolta del biogas più comune è costituito da una rete di pozzi verticali collegati da tubazioni orizzontali. Al centro di un pozzo verticale del diametro di 0,6-1,2 m è installato un tubo di plastica del diametro di 12-25 cm, perforato con fori del diametro di 3-6 mm. La profondità del pozzo è di almeno 7 m e corrisponde al 50-90% dello spessore dello strato RSU. Il volume del pozzo attorno al tubo di plastica perforato è riempito con ghiaia o ciottoli. La parte superiore del pozzo (a circa 0,5 m dal bordo superiore) viene compattata con calcestruzzo o argilla per eliminare l'emissione di biogas nell'atmosfera. La portata media di un pozzo è di 30-35 m, il numero medio di pozzi è di 2,5 per 1 ettaro di discarica. La costruzione di un sistema di drenaggio del gas può essere eseguita sia in tutta la discarica dopo la fine del suo funzionamento, sia in aree separate man mano che viene riempita. La figura mostra un diagramma schematico della produzione, raccolta e utilizzo del biogas. Tecnologie di utilizzazione/utilizzazione del biogas Esistono due modi principali per utilizzare il biogas: utilizzarlo per generare calore nel sito di produzione e generare elettricità e venderla alla rete. L'uso diretto del biogas entro un raggio di 3 km dalla discarica è solitamente il modo più conveniente per utilizzarlo. Il gas può essere utilizzato come combustibile per caldaie della rete di teleriscaldamento, varie utenze industriali (produzione di cemento, produzione di vetro, essiccazione di mattoni). Se i consumatori sono più lontani di 3 km, la redditività diminuisce. Studio di fattibilità e prospettive per lo sviluppo di tecnologie per la produzione e l'utilizzo del biogas in Ucraina Le sole città dell'Ucraina generano circa 40 milioni di m3/anno di RSU. Più del 90% di questo importo viene raccolto e trasferito in 655 discariche situate a 10-20 km dalle città. Più di 500 discariche in Ucraina non dispongono dei mezzi di protezione di base contro l'inquinamento delle acque sotterranee e dell'aria. Circa 140 discariche sono discariche RSU che possono essere considerate idonee per l'estrazione e l'utilizzo di biogas. Delle 140 discariche, 90 sono molto grandi, contengono il 30% di tutti i rifiuti solidi in Ucraina. Sono queste discariche le più redditizie per la produzione di gas. L'introduzione di un sistema di raccolta e utilizzo del biogas in queste 90 discariche porterà a una riduzione delle emissioni di anidride carbonica di 3,26 milioni di tonnellate all'anno. Con tariffe piuttosto basse per l'elettricità nel mercato interno dell'Ucraina, è più conveniente utilizzare il biogas per le esigenze delle imprese industriali situate vicino alle discariche. Se ciò non è possibile, è razionale generare elettricità nella rete. In questo caso, possono essere utilizzate centrali elettriche basate su motori a combustione interna di fabbricazione ucraina con una capacità di 1 e 1,6 MW (impianto GP intitolato a Malyshev, Kharkov) o 0,40,8 MW (Pervomaiskdizelmash, Pervomaisk). Nella tabella è riportato uno studio di fattibilità del progetto per l'estrazione e l'utilizzo di biogas per la produzione di energia elettrica presso la discarica di Lugansk, dove si trovano 1,6 milioni di tonnellate di rifiuti solidi. Sono state prese in considerazione due varianti di equipaggiamento per una minicentrale a biogas da 2 MW con motori prodotti da Pervomaiskdieselmash e motori Caterpillar di fabbricazione americana. I calcoli hanno utilizzato parametri come la resa annuale di biogas di 5 m3/t di rifiuti e la vita dell'impianto - 20 anni.
Il costo dell'elettricità in entrambi i casi è inferiore al costo all'ingrosso dell'elettricità in Ucraina ($ 0,021 per 1 kWh). I calcoli economici di cui sopra non tengono conto del potenziale di "vendita" delle emissioni di carbonio ridotte da questo progetto. La quantità di emissioni di gas serra ridotte sarà "acquistata" a un prezzo compreso tra 4,5 e 9 EUR per 1 tonnellata, grazie a ciò, la performance economica dei progetti di bioenergia può migliorare in modo significativo. Il primo passo per la diffusione delle tecnologie per la produzione e l'utilizzo del biogas in Ucraina è la realizzazione di almeno un progetto dimostrativo, il cui scopo è mostrare le capacità tecniche, la fattibilità economica e tecnologica dell'utilizzo di tali tecnologie. Conclusioni: 1. Attualmente, lo smaltimento dei rifiuti solidi nelle discariche e nelle discariche rimane il metodo principale della loro neutralizzazione nella maggior parte dei paesi del mondo. 2. L'emissione di metano nelle discariche è stimata tra il 6 e il 18% delle sue emissioni totali in atmosfera. Il modo più efficace per ridurre le emissioni di metano è catturarlo e utilizzarlo. 3. Il potenziale energetico del biogas nella maggior parte dei paesi è di circa l'1% del consumo energetico. 4. Nella maggior parte dei paesi, la produzione e l'uso di biogas sono in aumento. 5. I progetti per l'estrazione e l'utilizzo del biogas sono piuttosto convenienti, soprattutto se nelle vicinanze è presente un consumatore di gas industriale. 6. L'introduzione di tecnologie per l'estrazione e l'utilizzo del biogas è molto promettente in Ucraina, sia dal punto di vista ambientale che economico. 7. Ha senso finanziare almeno un progetto dimostrativo per la produzione e l'uso di biogas in Ucraina dal bilancio statale o dal bilancio del Ministero dell'ecologia. Autori: G. Geletukha, K. Kopeikin, Istituto di fisica termica tecnica dell'Accademia nazionale delle scienze dell'Ucraina, Centro scientifico e tecnico "Biomassa"
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