Энергия от вторичной переработки органики

Специалисты в любой отрасли смотрят на собственные перспективы крайне оптимистично. Даже когда со стороны отрасль выглядит крайне непрезентабельно. Так и с энергетикой на биогазе и этаноле. При европейском налоге на свалки до $40 за тонну энергетика отходов может казаться более, чем презентабельной. Это в США свалки стоят $10 за тонну - поэтому там технологии вторичной переработки органики будут развиваться медленнее.

18 декабря 2001 опубликованы труды конференции «Возобновляемая энергия от вторичной переработки органики», состоявшейся ещё в ноябре в столице штата Айова городе Де-Мойн (Des Moines). Конференция, поддержанная журналом «Биоцикл» (BioCycle), рассматривалась «как часть свидетельства глубокой революции, развивающейся во всей нашей энергосистеме». Особенно интересен показанный на конференции потенциал коммерческой инфраструктуры и познаний исследователей для создания топлив- вроде биогаза и этанола - из биомассы путём анаэробного брожения, ферментации, газификации и создания компостов.

Исполнительный директор энергоцентра Айовы Флойд Барвиг (Floyd Barwig) на открытии пленарного заседания сказал: «Вдобавок к технологиям, эта конференция охватывает экономику, воздействие на окружающую среду, маркетинг и публичную политику. Это - части радикальной перемены, чья природа, темп и будущие возможности будут поняты только по мере получения выгод. Это не централизованно запланированное изменение, а хаотический процесс, способный занять долгое время, а затем всё проявится внезапно, как будто возникло за ночь. И за всем этим - исследования, которые будут продвигать процесс».

Барвиг указал несколько примеров возникновения крупных технологических прорывов по мелким кусочкам:

• переход железных дорог с паровой тяги на дизельную в 1950-х годах, после примерно полувека «множества провалов и разочарований на пути, включавшем Великую Депрессию и Вторую мировую войну;
• переход с больших компьютеров на персональные, осложнённый множеством стартовых неудач;
• нынешнее широкое использование солнечных батарей в применениях, отдалённых от других источников энергии, также свидетельствующее, что темп изменений в нашем мире продолжает расти.

Факторы, влияющие на внедрение технологий биологической переработки отходов

По утверждению Люка де Бере (Luc de Baere) из «Систем органических отходов» в Генте (Gent), Бельгия, анаэробное брожение обрело «евросмысл». В Европе к концу 2002 будет почти 70 действующих станций. Средняя мощность новых станций - 40000 тонн в год. Де Бере объясняет: «В отличие от США, в Европе уже возник кризис мусорных свалок. Мы - особенно регионы вроде Бельгии и Нидерландов - заселены так плотно, что не остаётся места для размещения свалки в следующем городе или следующем государстве. Против свалок немало возражений. Стоимость размещения мусора на свалках - примерно $60-80 за тонну. Это очень дорого. А во многих странах введен налог на свалки - до $40 за тонну. Всё это действительно меняет игровое поле и создаёт возможности для анаэробного брожения. Есть также сильная оппозиция сжиганию мусора; оно должно соответствовать жёстким стандартам по выбросам в воздух и стоит $80-100 за тонну. Всё это означает, что в Европе составление компостов, брожение и биологическая обработка конкурентоспособны (тогда как в США всё ещё есть свалки, стоящие всего $10 за тонну)».

Де Бере указал, что в Европе существенную роль играют регулирующие меры. Как он отметил, многие европейские страны - в частности, Великобритания, Нидерланды, Бельгия - ввели налог на свалки. Некоторые страны экспериментируют с прямыми запретами на захоронение органики.

Принята директива Европейского Союза по свалкам. Де Бере объяснил: «Это закон, определяющий, что количество попадающих на свалки разлагаемых микроорганизмами отходов должно быть уменьшено по сравнению с уровнем 1995 года на 25% к 2006, 50% в 2009 и 65% в 2016. Эта директива также сильно подействует на возможности биологической переработки».

Кроме того, европейские страны установили также «премии за возобновимую энергию» - $0.02–0.03 за 1кВт*ч, произведенный из биомассы. Цель - увеличить производство электроэнергии из возобновляемых источников с 3% в 2000 году до 12% к 2010. Если у энергетической компании не будет достаточно «зелёных сертификатов», чтобы соответствовать этому уровню, она должна будет заплатить штраф $0.11 за 1кВт*ч (этот штраф представляет дополнительный стимул для выработки энергии из органических отходов - $10-20 за тонну)».

Де Бере отметил также: «Важнейший фактор, поощряющий в Европе компосты и анаэробное брожение - введение «раздельного сбора у источников» мусора. В Европе мы стараемся есть пищу посвежее (в отличие от США, где чаще всего закупают сразу большой запас и хранят в морозильнике), поэтому у нас много продовольственных отходов. У нас нет кухонных дробилок над раковинами, поэтому все наши продовольственные отходы попадают в мусорные мешки. Отходы от уборки двориков (в основном состриженная трава и немного листьев), продовольственные отходы и другой мусор, пригодный для составления компостов, собираются вместе, и их поток стабилен в течение всего года (разве что с декабря по март наблюдается некоторый спад). Это значительная доля потока мусора, поэтому программы раздельного сбора этих отходов распространились по всей Европе».

Де Бере полагает, что в ближайшие годы всё больше такой политики будет вводиться и в США - например, сделки с парниковыми газами, выделяющимися со свалок, введение налогов на свалки по европейскому образцу. В заключение он сказал: «Надеюсь, что в ближайшие несколько лет мы сможем, наконец, успешно ввести в США анаэробное брожение».

Производство этилового спирта из отходов

Этиловый спирт - чисто сгорающее топливо, которое сегодня можно получать из органических отходов. В смеси с бензином этанол служит окислителем и может использоваться в качестве антидетонационной присадки вместо MTBE (этот загрязнитель воды, подозреваемый в канцерогенности, запрещён уже в 13 штатах, и конгрессу представлен проект запрета его использования по всей стране).

Недавно J.D. Broder, R.A. Harris и J.T. Ranney сообщили в BioCycle, что технология производства этанола из отходов развита частными предприятиями совместно с национальной лабораторией возобновляемой энергетики (National Renewable Energy Lab - NREL) министерства энергетики и общественным энергетическим институтом (Public Power Institute - PPI) администрации долины реки Теннесси (Tennessee Valley Authority - TVA). Сейчас исследовательская группа Масада (Masada), базирующаяся в Бирмингэме (Birmingham), штат Алабама, завершает переговоры о поставке оборудования для муниципальной станции переработки твёрдых отходов в этанол в Миддлтауне (Middletown - город посредине), штат Нью-Йорк. Проект полностью разрешён агентствами штата и федерации, и строительство начнётся в 2002.

Завод рециркуляции и производства этанола должен будет перерабатывать ежегодно 230000 тонн муниципальных твёрдых отходов и 72000 тонн (в обезвоженном виде) биомассы. Ожидается, что он будет вырабатывать в год 9.5 млн галлонов (свыше 36 млн литров) этилового спирта в год. Строительство обойдётся в $100 млн и создаст свыше 350 рабочих мест для строительного профсоюза. По расчётам группы Масада, после ввода в строй в 2003 станция будет ежегодно приносить местной экономике $38 млн.

Важнейшие промышленные отходы, используемые для производства этанола - крахмало- и сахаросодержащие остатки от производства пищи или переработки древесины. Сейчас среди крупнейших производителей:

• Georgia-Pacific Corp. - её завод по переработке отходов производства бумаги в Беллингэме (Bellingham), штат Вашингтон, даёт в год 7 млн галлонов (26.6 млн л) этанола;
• Kraft, Inc. - из творожной сыворотки на заводе в Мелроуз (Melrose), штат Миннесота, производит в год 2.6 млн галлонов (около 10 млн л) этанола;
• Merrick & Co./Coors Brewing Co. — из отходов пивоварения в Голден (Golden - золотой), штат Колорадо, вырабатывает в год 1.5 млн галлонов (5.7 млн л) этанола;
• Miller Brewing Co. - из отходов пивоварения в Олимпии (Olympia), штат Вашингтон, получает в год 700000 галлонов (около 2.7 млн л) этанола;
• Parallel Products, Inc. - из отходов производства прохладительных напитков в городах Луисвилл (Louisville), штат Кентукки, Бартоу (Bartow), штат Флорида, и Ранчо Кукамонга (Rancho Cucamonga), штат Калифорния, добывается в год 12 млн галлонов (45.6 млн л) этанола.

В общей сложности, по данным ассоциации возобновляемого топлива (Renewable Fuel Association - RFA) за август 2001, промышленные изготовители вырабатывают из отходов 31 млн галлонов (118 млн л) этилового спирта в год. Это, правда, всего 1.4% от общего производства - 2.2 млрд галлонов (8.4 млрд л). Но поскольку перерабатывающая промышленность учится извлекать прибыль из потоков своих отходов (и поскольку спрос - а значит, и цена - на этанол растёт), производство этилового спирта, как ожидается, растёт.

Технологии анаэробного брожения при утилизации отходов

41 год назад, в первом выпуске журнала, известного теперь как BioCycle, было сообщено, как маленький анаэробный бродильник может обеспечить экономичную обработку отходов фермы. Сообщение написал Кларенс Голуек (Clarence G. Golueke), проводивший тогда исследование в лаборатории санитарной инженерии Калифорнийского университета в Ричмонде. Доктор Голуек (отпраздновавший в ноябре 2001 90-й день рождения) написал: «Преобразование в устойчивый перегной анаэробным брожением, кажется, обещает многое для относительно недорогого и всё же полностью санитарно безопасного метода распоряжения навозом. Проще всего описать процесс как забрасывание или смыв всех отходов в герметичный контейнер, где бактерии могут разрушать сложную органику, образуя перегной и горючий газ. Это делает возможным эффективное и экономичное восстановление углерода из некоторой части отходов в виде топливного метана. Образуется также перегной и питательные вещества, используемые в почвах. Единообразно обрабатываются жидкие и твёрдые отходы».

Сегодня менеджеры по твёрдым отходам, планировщики, консультанты, разработчики и хозяева подхватывают эстафету у Голуека и других давних сторонников анаэробного брожения (anaerobic digestion - AD). Быстро раздувается база данных BioCycle по компаниям, консультантам, исследовательским пробам и действующим (или в ближайшее время начинающим действовать) проектам.

Калифорнийская энергетическая комиссия (California Energy Commission - CEC) обеспечивает $9640000 на программу производства метана из навоза. Общая цель - развить коммерчески эффективные биогазовые электросистемы, способные помочь калифорнийским молочным фермам сократить закупку электричества, а также обеспечить улучшение качества окружающей среды (особенно воды и воздуха) улучшением обработки отходов домашнего скота.

CEC намерена установить к лету 2002 в общем свыше 5МВт таких систем. Фонды используются для помощи фермам в проектировании и строительстве бродильных систем, закупки оборудования для выработки электричества из биогаза и технической помощи фермам.

Весной 2001 управление по твёрдым отходам Блюстем (Bluestem) в Сидар-Рэпидс (Cedar Rapids), штат Айова, выпустило просьбу о предложениях (Request for Proposals - RFP) по технико-экономическому обоснованию систем анаэробного брожения для округа Линн (Linn). Как объяснено в RFP, округ Линн и город Сидар-Рэпидс сформировали управление твёрдых отходов Блюстем в 1994 и настойчиво отклоняли материалы от его двух свалок, чтобы добиться поставленной штатом цели сокращения отходов на 50%. Программа управления включает значительное производство компостов. В 1999 исследование отходов показало, что свыше половины материалов, всё ещё попадающих на свалки - органические.

Руководители Блюстем отметили: «В Сидар-Рэпидс и округе Линн размещены многочисленные крупные предприятия пищевой промышленности и обработки органики». Они также заявили: «Блюстем хочет применить эту технологию к органической части потока твёрдых отходов. Мы также открыты для рассмотрения добавления сельскохозяйственных отходов, если они сделают проект эффективнее... Мы полагаем, что анаэробное брожение станет экономически эффективным в США в ближайшее десятилетие, а в некоторых районах оно уже эффективно».

Среди побочных продуктов установок AD, которые Блюстем может предложить рынку: компост, кислоты, энергия и потенциал для будущих кредитов за сокращение выброса парниковых газов и углерода.

Курт Роос (Kurt Roos) - менеджер программы AgSTAR агентства охраны окружающей среды (Environmental Protection Agency - EPA) США. Программа - инструмент запуска биогазового оборудования на многих фермах. На предстоящей 4-6 марта 2002 конференции BioCycle по западному побережью в Сан-Франциско, штат Калифорния, Роос изложит специфические подробности сотрудничества AgSTAR с программами брожения на молочных фермах в штатах Нью-Йорк и Калифорния. Роос комментирует:

«И калифорнийская, и нью-йоркская программы включают оценку. В частности, уже поэтому желательно сотрудничество с AgSTAR. Это основанные на протоколах сравнительные оценки, использующие эффективность для окружающей среды соотношение затрат и выгод. Протокол разработан, чтобы обеспечить непредубеждённую правдивую оценку систем коммерческого масштаба. Затем системы можно сравнивать по обычному набору критериев. Оценка включает также основную систему обработки отходов для каждой отрасли - свиней или коров. Это важно, поскольку показывает производительность обычной промышленной практики обработки отходов по сравнению с новаторскими системами и отвечает на вопрос: «Что ваша инвестиция действительно даёт вам?»»

На Web-сайте программы EPA - представлен список «Путеводитель по поставщикам технологии». Он включает консультантов, разработчиков, производителей и распространителей покрытий и машин, организаций сообществ и общих энергетических услуг. Для каждой компании указаны контактная информация, срок деятельности в бизнесе, число занятых, число биогазовых проектов и проектов для ферм. Это ценный ресурс, который стоит регулярно просматривать. Он отражает коммерческую поддержку систем и инфраструктуры отрасли.

Seneca Foods, Inc. в своём производстве овощной продукции в Монтгомери (Montgomery), штат Миннесота, использует систему обработки потока твёрдых и жидких органических отходов и производства энергии. Сточная вода, вырабатываемая в этом процессе, раньше выливалась на землю, а кусочки кукурузы и гороха складировались или поставлялись местным фермерам в качестве удобрения. Но расширение производства требует пересмотра разрешений. Seneca планирует установить систему, разработанную AnAerobics, Inc. из Авроры (Aurora), штат Нью-Йорк. По данным компании, её система может обрабатывать водный поток до 1.2 млн галлонов (4.6 млн л) в день, содержащий 75-120 тыс тонн овощных отходов в год. Вырабатываемую энергию будет использовать энергосистема Alliant Energy из Сидар-Рэпидс, штат Айова.

Во Фресно (Fresno), штат Калифорния, Onsite Power Systems получила от Калифорнийского университета лицензию на использование двухфазной, с замкнутым циклом, системы анаэробного брожения, которую разработал сотрудник университета Руихон Чжан (Ruihong Zhang). Совладелец Onsite Дэйв Конвински (Dave Konwinski) утверждает, что компания также проводит маркетинговое исследование системы для обработки навоза и соломы в смывной воде. Близок к завершению проект установки топливных элементов на станции обработки сточных вод Лас-Виргенес (Las Virgenes - девы) в Калабасас (Calabasas), штат Калифорния, для преобразования выделяющегося из отходов метана в электроэнергию для станции.