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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Biogas aus Deponien. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Alternative Energiequellen In den letzten Jahrzehnten ist die Menge an Siedlungsabfällen (MSW) erheblich gestiegen. Ungefähr 400 Millionen Tonnen Hausmüll gelangen jedes Jahr in die Biosphäre, und diese Menge steigt jährlich um 3-6 %, was die Wachstumsrate der Weltbevölkerung übersteigt. Ein erheblicher Teil des Hausmülls besteht aus Lebensmittelabfällen, Papier, Pappe und Holz. Ein Teil der organischen Anteile von Siedlungsabfällen liegt zwischen 56 % in Industrieländern und 62 % in Entwicklungsländern. In der weltweiten Praxis gibt es drei Hauptwege zur Entsorgung fester Abfälle:
In einigen entwickelten Ländern, insbesondere solchen mit hoher Bevölkerungsdichte (Schweiz, Japan usw.), werden überwiegend Hausmüll und sogar Klärschlamm verbrannt. Die Verbrennung von Siedlungsabfällen erfordert den Einsatz komplexer und teurer Technologien zur Reinigung der Verbrennungsprodukte von Schwermetallen und schädlichen Gasen. Das Problem der Reinigung von Rauchgasen von Dioxinen ist bisher in keinem Land gelöst. Höchstwahrscheinlich wird die Kompostierung noch lange nicht angewendet, da das Problem der Reinigung des Komposts von Schwermetallsalzen, deren Migration in fruchtbaren Boden nicht akzeptabel ist, nicht gelöst ist. Derzeit gilt in vielen Ländern der Welt die Entsorgung von Hausmüll auf Sonderdeponien als die wirtschaftlichste Art der Entsorgung. Die Menge an festen Abfällen, die auf Deponien oder Mülldeponien verbracht werden, beträgt in den Niederlanden 45–55 %, in den USA 62–85 %, in Kanada 93–96 % und in Russland 97 %. Gewinnung und Nutzung von Biogas aus Mülldeponien in verschiedenen Ländern Biogas entsteht in Siedlungsabfällen ohne Zugang zu Sauerstoff. Unter der Einwirkung von Bakterien zersetzt sich ein Teil der organischen Substanz unter Bildung von Methan (50–70 %) und Kohlendioxid (30–50 %), aus deren Gemisch Biogas entsteht, außerdem enthält es geringe Mengen Stickstoff und Sauerstoff und Wasserstoff. Biogas ist brennbar und hat einen hohen Heizwert von über 18 MJ/m3. Am wirtschaftlichsten ist die Sammlung und Nutzung von Biogas auf großen Mülldeponien und Deponien, auf denen sich mehr als 1 Million Tonnen Abfall befinden, dessen Schicht 10 m überschreitet. Es ist wünschenswert, dass der Großteil des Abfalls ein „Alter“ hat ” von nicht mehr als 10 Jahren. Das Gelände der Deponie muss saniert werden: mit einer Erdschicht von mindestens 30-40 cm bedeckt. Der durchschnittliche Biogasertrag einer solchen Deponie wird über einen Zeitraum von 5 Jahren mindestens 3 m1 pro 20 Tonne Hausmüll betragen. Von großer Bedeutung ist der Anteil an organischer Substanz (Bauabfälle erzeugen kein Biogas). Das Gesamtpotenzial von Biogas erreicht in der EU 9 Milliarden m3/Jahr, in den USA bis zu 13 Milliarden m3/Jahr. Durch die Nutzung von Methan aus allen Hausmülldeponien in den Vereinigten Staaten wird seine Menge 5 % des gesamten Erdgasverbrauchs des Landes ausmachen. Im Jahr 1992 waren weltweit 481 Biogassammelanlagen in Betrieb (175 in den EU-Ländern, 264 in Amerika, je 4 in Asien und Australien sowie 2 in Afrika). Es ist jedoch zu beachten, dass etwa 25–50 % des Biogases kommerziell genutzt wurden, der Rest wurde in Fackeln verbrannt. Biogas ist eines der wichtigsten Treibhausgase Methan gilt nach dem Grad der Umweltbelastung als zweitschädliches Gas nach Kohlendioxid. Die Methankonzentration in der Atmosphäre wächst jährlich um etwa 0,6 % und hat sich in den letzten zwei Jahrhunderten verdoppelt (die Kohlendioxidkonzentration wächst jährlich um 0,4 %). Methan hat in der Atmosphäre eine kürzere „Lebensdauer“ (11 Jahre), während Kohlendioxid 120 Jahre hat. Daher wird die Stabilisierung oder Reduzierung der Methanemissionen in die Atmosphäre zu einem raschen positiven Klimawandel führen. Die weltweite Freisetzung von Methan in die Atmosphäre ist ein wichtiger Faktor für den Klimawandel. In den USA wurde ein Gesetz erlassen, das ausnahmslos alle Mülldeponien verpflichtet, mit Anlagen zur Gewinnung und Nutzung von Biogas auszustatten. Bereits 1987 wurde festgestellt, dass die gesamte Methanemission aus den Mülldeponien der Erde 30 bis 70 Millionen Tonnen pro Jahr beträgt, was 6 bis 18 % der Gesamtemission in die Atmosphäre entspricht. Die Expertengruppe der Zwischenstaatlichen Kommission für Klimaänderungen hat Deponiemethan in die Liste der weltweit wichtigsten Treibhausgase aufgenommen. Die Ausbreitung von Biogas in der Umwelt führt zu einer Reihe negativer Phänomene. Seine Ansammlung kann in Häusern und Gebäuden, die sich in der Nähe von Mülldeponien befinden, zu explosions- und feuergefährlichen Bedingungen führen. Auch aus toxikologischer Sicht ist die Ansammlung von Biogas in einem geschlossenen Raum gefährlich. Bei der Aufrechterhaltung tiefgreifender technischer Kommunikation wurden viele Vergiftungsfälle registriert. Biogas hat auch eine schädliche Wirkung auf die Pflanzenschicht („Erstickung“ des Wurzelsystems). All dies weist auf die Notwendigkeit hin, seine Emissionen in die Atmosphäre zu bekämpfen. Die wichtigste Methode, mit der dies erreicht werden kann, ist die Sammlung und Nutzung von Biogas. Technologien für die Sammlung / Produktion von Biogas auf Deponien Das gebräuchlichste Biogassammelsystem besteht aus einem Netzwerk vertikaler Brunnen, die durch horizontale Rohre verbunden sind. In der Mitte eines vertikalen Brunnens mit einem Durchmesser von 0,6–1,2 m wird ein Kunststoffrohr mit einem Durchmesser von 12–25 cm installiert, das mit Löchern mit einem Durchmesser von 3–6 mm perforiert ist. Die Tiefe des Brunnens beträgt mindestens 7 m und entspricht 50-90 % der Dicke der Hausmüllschicht. Das Brunnenvolumen um das perforierte Kunststoffrohr herum wird mit Kies oder Kieselsteinen gefüllt. Der obere Teil des Brunnens (ca. 0,5 m von der Oberkante entfernt) wird mit Beton oder Lehm verdichtet, um die Freisetzung von Biogas in die Atmosphäre zu verhindern. Die Reichweite eines Brunnens beträgt durchschnittlich 30-35 m. Die durchschnittliche Anzahl der Brunnen beträgt 2,5 pro 1 Hektar Deponie. Der Bau einer Gasentwässerungsanlage kann sowohl im gesamten Bereich der Deponie nach Betriebsende als auch in einzelnen Bereichen bei der Befüllung erfolgen. Die Abbildung zeigt eine schematische Darstellung der Produktion, Sammlung und Nutzung von Biogas. Technologien der Verwertung/Nutzung von Biogas Es gibt im Wesentlichen zwei Möglichkeiten, Biogas zu nutzen: die Nutzung zur Wärmeerzeugung am Produktionsstandort und die Erzeugung von Strom und deren Verkauf an das Netz. Die direkte Nutzung von Biogas im Umkreis von 3 km um die Deponie ist in der Regel die kostengünstigste Art der Nutzung. Das Gas kann als Brennstoff für Kessel im Fernwärmenetz und verschiedene industrielle Verbraucher (Zementherstellung, Glasherstellung, Ziegeltrocknung) verwendet werden. Wenn die Verbraucher weiter als 3 km entfernt sind, sinkt die Rentabilität. Machbarkeitsstudie und Perspektiven für die Entwicklung von Technologien zur Produktion und Nutzung von Biogas in der Ukraine Allein die Städte der Ukraine erzeugen etwa 40 Millionen m3/Jahr an Siedlungsabfällen. Mehr als 90 % dieser Menge werden gesammelt und auf 655 Deponien entsorgt, die 10–20 km von Städten entfernt liegen. Mehr als 500 Deponien in der Ukraine verfügen nicht über grundlegende Schutzmaßnahmen gegen Grundwasser- und Luftverschmutzung. Etwa 140 Deponien sind Siedlungsabfalldeponien, die für die Gewinnung und Nutzung von Biogas als geeignet gelten. Von den 140 Deponien sind 90 sehr groß, sie enthalten 30 % aller festen Abfälle in der Ukraine. Es sind diese Deponien, die für die Gasproduktion am profitabelsten sind. Die Einführung eines Biogas-Sammel- und Verwertungssystems auf diesen 90 Deponien wird zu einer Reduzierung der Kohlendioxidemissionen um 3,26 Millionen Tonnen pro Jahr führen. Angesichts der relativ niedrigen Stromtarife auf dem heimischen Markt der Ukraine ist es am kostengünstigsten, Biogas für den Bedarf von Industrieunternehmen in der Nähe von Mülldeponien zu nutzen. Ist dies nicht möglich, ist es sinnvoll, Strom im Netz zu erzeugen. In diesem Fall können Kraftwerke auf Basis ukrainischer Verbrennungsmotoren mit einer Leistung von 1 und 1,6 MW (GP-Anlage Malyshev, Kharkov) oder 0,40,8 MW (Pervomaiskdizelmash, Pervomaisk) eingesetzt werden. Die Tabelle zeigt eine Machbarkeitsstudie für das Projekt zur Gewinnung und Nutzung von Biogas zur Stromerzeugung auf der Deponie Lugansk, wo sich 1,6 Millionen Tonnen feste Abfälle befinden. Berücksichtigt werden zwei Ausstattungsvarianten für ein Minikraftwerk mit einer Leistung von 2 MW, das mit Biogas betrieben wird, mit Motoren von Pervomaiskdieselmash und mit in den USA hergestellten Caterpillar-Motoren. Bei den Berechnungen wurden Parameter wie der jährliche Biogasertrag von 5 m3/t Abfall und die Lebensdauer der Anlage von 20 Jahren zugrunde gelegt.
Die Stromkosten sind in beiden Fällen niedriger als die Großhandelskosten für Strom in der Ukraine (0,021 USD pro 1 kWh). Die oben genannten wirtschaftlichen Berechnungen berücksichtigen nicht das Potenzial zum „Verkauf“ der durch dieses Projekt reduzierten CO4,5-Emissionen. Die Menge an reduzierten Treibhausgasemissionen wird zu einem Preis von 9 bis 1 EUR pro XNUMX Tonne „erkauft“. Dadurch kann sich die wirtschaftliche Leistungsfähigkeit von Bioenergieprojekten deutlich verbessern. Der erste Schritt zur Verbreitung von Technologien zur Produktion und Nutzung von Biogas in der Ukraine ist die Umsetzung mindestens eines Demonstrationsprojekts, dessen Zweck darin besteht, die technischen Fähigkeiten sowie die wirtschaftliche und technologische Machbarkeit des Einsatzes dieser Technologien aufzuzeigen. Schlussfolgerungen: 1. Derzeit bleibt die Entsorgung fester Abfälle auf Deponien und Deponien in den meisten Ländern der Welt die wichtigste Methode zu ihrer Neutralisierung. 2. Der Methanausstoß in Deponien wird auf 6–18 % der Gesamtemissionen in die Atmosphäre geschätzt. Der effektivste Weg, Methanemissionen zu reduzieren, besteht darin, es aufzufangen und zu nutzen. 3. Das Energiepotenzial von Biogas beträgt in den meisten Ländern etwa 1 % des Energieverbrauchs. 4. In den meisten Ländern nimmt die Produktion und Nutzung von Biogas zu. 5. Projekte zur Gewinnung und Nutzung von Biogas sind recht kostengünstig, insbesondere wenn sich in der Nähe ein Industriegasverbraucher befindet. 6. Die Einführung von Technologien zur Gewinnung und Nutzung von Biogas ist in der Ukraine sowohl aus ökologischer als auch aus wirtschaftlicher Sicht vielversprechend. 7. Es ist sinnvoll, mindestens ein Demonstrationsprojekt zur Produktion und Nutzung von Biogas in der Ukraine aus dem Staatshaushalt oder dem Haushalt des Umweltministeriums zu finanzieren. Autoren: G. Geletukha, K. Kopeikin, Institut für Technische Thermophysik der Nationalen Akademie der Wissenschaften der Ukraine, Wissenschaftliches und Technisches Zentrum „Biomasse“
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