Система автономного функционирования экопоселений с использованием биоотходов
Система автономного функционирования экопоселений с использованием биоотходов
к.т.н., член-корр. РАЕН Чумаков А.Н., Велицко В.В.
МЭОО «Зелёный Крест», г. Москва, ООО «ОЦР Технологии», г. Москва
Статья опубликована в сборнике материалов II Всероссийской научной конференции с международным участием «Энерго- и ресурсоэффективность малоэтажных жилых зданий»,Новосибирск, Институт теплофизики СО РАН, 24-26.03.2015., с.405-412
Введение
В статье показана возможность и целесообразность использования биомассы и возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для обеспечения задач устойчивого разви-тия, экологической эффективности, рекультивации земель, захоронения в почву с со-зданием чернозёма диоксида углерода, ранее выброшенного в атмосферу Земли. Па-раллельно с указанными задачами решаются задачи продовольственной и энергетиче-ской безопасности России, а также создание новых рабочих мест в промышленности и в сельском хозяйстве, подъём экономики депрессивных регионов путём создания но-вых промышленных производств и вовлечения в сельскохозяйственный оборот ранее неиспользовавшихся земель.
Количество солнечной энергии, которое человек способен уловить, аккумули-ровать и использовать всегда оптимально, а с развитием технологий - приближается к объёму, необходимому человеку для удовлетворения его пищевых, коммунальных по-требностей и части потребностей производства. Альтернативная энергетика, основан-ная как на прямом (гелиоустановки [1 - 3]), так и на опосредованном использовании солнечной энергии в виде энергии содержащейся в биомассе отходов сельхозпроизвод-ства также как экологическое земледелие, являются видами полезного труда, которые сохраняют солнечную энергию на земной поверхности без отрицательного влияния на климат. Именно поэтому такая энергетика способна согласованно обеспечить на дли-тельную перспективу энергетическую, экологическую и продовольственную безопас-ность населения страны [4 - 9]. По проведенным оценкам только переработка отходов животноводства и растениеводства способны не менее чем на четверть увеличить сум-марное производство энергии в России (Рис. 1).
Рис. 1. Среднее распределение для России органических отходов в цепочке производства и по-требления пищевой продукции [4].
Органические отходы, соответствующие стандартной продовольственной кор-зине, при их переработке в биогаз, тепло (или холод) и электрическую энергию спо-собны, в условиях России, обеспечить производство не менее 9 000 кВт•ч/год энергии на душу населения. Этой энергии достаточно для отопления и освещения жилищ, по-догрева воды, а также для удовлетворения энергетических потребностей производите-ля продовольствия. При этом децентрализация производства энергии, приближение её источников к потребителям не только снижают затраты энергии на логистику энерго-носителей, но и увеличивают энергобезопасность страны [10 - 12].
Например, годовой объем отходов животноводства в России составляет не ме-нее 240 Мт. Энергия, которая может быть выработана из указанного количества отхо-дов, составляет не менее 290 ТВт•ч, что составляет около 23% в энергобалансе России и почти в полтора раза превышает аналогичный вклад от всех действующих в России атомных электростанций [13]. При переработке органических отходов в энергию по-путно получают высокопродуктивные органические удобрения, которые многократно повышают плодородие почв без вредных эффектов присущих минеральным удобрени-ям как на этапах использования, так и на этапах их производства - энергоёмкого и экологически ущербного. Структурная схема комплексной утилизации биоотходов по-казана на Рис. 2.
Рис. 2. «Метод Зелёного Креста» - технология комплексной переработки биодеградирующих сельскохозяйственных (животноводческих) отходов в топливно-энергетические носителя (ТЭР) и удобрения.
В настоящее время, в условиях кризиса рационально организовывать верти-кально-интегрированных компании, которые в едином комплексе объединяют произ-водство растительного сырья, животноводческие фермы, перерабатывающие предприя-тия и установки по переработке биоотходов в электроэнергию, тепло (холод), органи-ческие удобрения. Дополнительно такие компании могут создавать энергетические плантации микро- и/или макрорастений для получения дополнительных количеств биогаза, горючая составляющая которого - метан используется для производства мо-торного топлива в виде метангидратов [11, 12], а инертная часть в виде углекислого газа используется в качестве питательной среды при выращивании растений (Рис. 3).
Рис. 3. Технология по Рис. 2., с модулем газогидратного разделения биогаза для производства моторных топлив и запасов метана для энергоснабжения сельхозтехники в страду [11, 12].
Создание подобных энергонезависимых компаний может принести суще-ственную социальную, экономическую и экологическую пользу как сельскому, так и городскому населению. Увеличение доходов фермеров и диверсификация рынка, уве-личение конкурентоспособности на международном рынке, общее оживление эконо-мики в сельских районах, уменьшение негативного воздействия на окружающую среду - все это является важными факторами использования биомассы в качестве источника энергии. Проектные характеристики пилотного биогазового комплекса по методу «Зе-лёного Креста» (Рис. 4 - 7) для фермы крупного рогатого скота приведены в Табл. 1.
Рис. 4. Агрегаты установки. (Внешний вид биогазовой установки, созданной для обслуживания по методу «Зелёного Креста» фермы на 200 голов КРС. Экспериментальное хозяйство «Кленово - Чегодаево», Троицкий Административный округ г. Москвы (Рис. 4 - 7)).
Рис. 5. Блок метантенков.
Рис. 6. Блок выделения метана и горящий биогаз.
Рис. 7. На биогазовой установке.
Табл. 1.
Производимая растительная масса с использованием биогаза на установке (Рис. 4 - 7) по технологии, близкой представленной на Рис. 8, позволяет вырабатывать ценную пищевую добавку для крупного рогатого скота (КРС).
Рис. 8. Модуль выращивания хлореллы с использованием биогаза [14].
Не менее актуальна проблема использования энергетического потенциала биомассы отходов при создании и эксплуатации экодомов и экопоселений. Экодом яв-ляется домом, не использующим невозобновимые источники энергии (Рис. 9, 10). Он полностью обеспечивается теплом (или холодом), горячей водой и электричеством за счет солнечной, ветровой и других видов возобновляемой энергии. Существенную до-лю в энергообеспечении таких домов составляет энергия, получаемая из фекальных\х стоков и органической части твёрдых бытовых отходов. Архитектурные и конструк-торские решения, эффективные утеплители способствуют длительному сохранению тепла в доме, что особенно актуально в российских условиях.
Рис. 9. Ресурсопотоки экодома.
В понятие экодом, кроме того, входят надворные постройки и приусадебный участок, который предназначен для биологической переработки и утилизации всех жидких и твердых органических отходов, выращивания сельхозпродукции с помощью биоинтенсивных методов и методов пермакультуры (Рис. 10). Эти методы позволяют наращивать экологический ресурс приусадебного участка быстрее, чем в естественных природных условиях.
Рис. 10. Вариант конструкции экодома.
Экопоселения как совокупность экодомов могут содержать также энергетиче-скую установку коллективного пользования. Как правило, это средняя или крупная биогазовая установка, перерабатывающая сельскохозяйственные, животноводческие и т.п. отходы, в том числе отходы жизнедеятельности поселения. Установки по методу «Зелёного креста», отличаясь своей чрезвычайной компактностью (срок переработки отходов до 24 ч. (Табл. 1)), могут быть расположены непосредственно на территории экопоселения или же встроены в городской квартал или в подвал многоквартирного дома.
Принципы создания экодомов с успехом могут быть и должны быть использо-ваны [15] при строительстве и эксплуатации многоквартирных домов и в городских условиях. Жизненная необходимость внедрения таких систем связана с тем, что в со-временном мире, в условиях роста неопределённости, распространения военных кон-фликтов низкой интенсивности и гибридных войн там [16], где такие конфликты про-гнозировались только гипотетически, вопрос установки энергосберегающего оборудо-вания, обеспечивающего автономное ресурсоснабжение, переходит из плоскости эко-логии в плоскость выживания государства. Игнорирование данного вопроса, в кратко,- или среднесрочной перспективе может привести к нанесению неприемлемого ущерба населённым пунктам, базирующимся на существующих технологиях централизован-ной поставки ресурсов. Наибольший ущерб, естественно, будет причинён мегаполи-сам. Для парирования указанных угроз необходимо при проектировании любых насе-лённых пунктов, осуществлении точечной или массовой застройки любой этажности, закладывать как минимум системы автономного теплоснабжения, биогазовые установ-ки, а также установки по использованию солнечной энергии. Критерием для использо-вания указанных решений должна служить не экономическая эффективность выработ-ки ресурсов (а она присутствует) в сравнении их с централизованной подачей, а их сравнение со стоимостью ущерба от гуманитарной катастрофы при одномоментном разрушении существующей ресурсоснабжающей инженерной инфраструктуры [15, 17].
Неизбежное будущее за полной утилизацией всех видов биологических отхо-дов, включение их в искусственные пищевые цепочки подобные естественным, восста-новит оборот биотической информации. Производство на такой основе широкого набора экологически чистой сельскохозяйственной продукции и возобновляемой энер-гии позволит отказаться от потребления внешней энергии, воды, тепла и не будет бо-лее пагубно влиять на окружающую природную среду. Уже на уровне сегодняшних технологий возможно создание изолированных аграрно-промышленных комплексов (АПК) и не вносящих никаких загрязнений в природу и дающих повышенные урожаи органических и функциональных продуктов питания при существенно меньшей их се-бестоимости.
Замкнутый углеродный цикл (Рис. 11) в экологичном АПК позволяет не только рационально хозяйствовать с использованием возобновляемых ресурсов, но и возвра-щать в почву диоксид углерода, ранее выброшенный в атмосферу в результате хозяй-ственной деятельности человека.
Рис. 11. Замкнутый углеродный цикл экологически-эффективного АПК.
Это позволит, решая накопившиеся проблемы экологии, не только надёжно за-хоранивать (с использованием специальных комплексов энергоэффективных техноло-гий) диоксид углерода, но и производить чернозём, в частности на тех территориях, которые ранее были выведены из сельхозоборота или в сельхозобороте до этого не ис-пользовались, т.е., помимо экологического эффекта в виде нулевого вредного воздей-ствия на окружающую среду и восстановления ранее загрязнённой атмосферы Земли, будет производится массовая рекультивация земель с увеличением их плодородности без использования синтетических удобрений.
Литература
1. Кукушкин С.А., Велицко В.В., Краснов А.Г. Организация производства концентра-торных солнечных электростанций, комбинированных с паросиловым циклом // Содействуя экономическому развитию России. Проекты международного обще-ственного фонда «Фонд содействия экономическому развитию им. Байбакова Н.К.» за 1996-2011 гг., М., Нефть и газ, 2011, с.144-146.
2. Велицко В.В., Прохоров А.И. Автономные энергоустановки на местных видах го-рючих и возобновляемых источниках энергии, базирующиеся на адаптивном тер-модинамическом цикле и системе безнагнетательной циркуляции рабочего тела // в этом же сборнике.
3. Navarro-Esbrí J., Peris1 B., Collado R., Molés F. Micro-generation and micro combined heat and power generation using «free» low temperature heat sources through Organic Rankine Cycles // International Conference on Renewable Energies and Power Quality (ICREPQ’13) Bilbao (Spain), 20-22.03.2013, Renewable Energy and Power Quality Journal (RE&PQJ), №11, 03.2013.
4. Чумаков А.Н., Ильин В.К. Биомасса отходов - энергетический резерв поселений // Альтернативная энергетика №4 2007.
5. Барановский С.И., Чумаков А.Н., Альтернативная энергетика России: проблемы и перспективы // Альтернативная энергетика №1(7) 2008.
6. Чумаков А.Н. Полезный мусор // Газета «Гудок», 12.11.2008.
7. Полянский С.М, Астахов Д.А., Будаев Ц.Н. Биогазовый комплекс // Патент России №2399184
8. Чумаков А.Н., Полянский С.М, Будаев Ц.Н. Биогазовый комплекс // Патент России №2427998
9. Чумаков А.Н. 3 тонны отходов на каждого живущего - бесплатная энергия для сель-ского хозяйства! Замкнутый цикл - чистая деревня! // Стенограмма выступления на слушаниях в Общественной палате РФ по программе: «Зеленые технологии в сельскохозяйственной отрасли.Научно-техническое и информационное обеспе-чение регионального развития», 16.12.2014, Интернет: http://www.ecolife.ru/infos/agentstvo-ekoinnovatsijj/33795/
10. Велицко В.В. Выработка сжиженного метана из низкосортных горючих с примене-нием газогидратной технологии // IV конференция «ТРИЗ. Практика применения методических инструментов» Сборник докладов // М., 2012, с.27-34.
11. Велицко В.В. Одностадийное получение сжиженного и сжатого метана из биогаза и газа мусорных свалок для использования в качестве моторного топлива // Мате-риалы XVIII Международной конференции «Экологическое образование и просве-щение для устойчивого развития: РИО+20», Секция 5: «Образование в области ис-пользования энергопотенциала биологических отходов», М., 27-28.06.2012.
12. Велицко В.В. Методы получения и хранения моторного топлива из биогаза и сва-лочного газа // Материалы Всероссийской конференции «Зеленые технологии - путь решения проблем изменения климата и сохранения окружающей среды», Москва, 8-9.11.2012, Министерство энергетики РФ, Интернет: http://samo-de1kin.livejournal.com/648.html
13. Чумаков А.Н. Просвещение в области экологизации сельского хозяйства - один из путей к достижению экологической, продовольственной и климатической безопас-ности // Материалы научно-практической конференции «Энерго- и ресурсоэффек-тивность малоэтажных жилых зданий», Институт теплофизики им. С.С. Кутателад-зе СО РАН, 19-20.03.2013, с.278-282.
14. Deublein D., Steinhauser A. (ed.) Biogas from Waste and Renewable Resources // WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2008, 443p.
15. Велицко В.В. Ресурсосберегающая инфраструктура как условие сохранения насе-лённых пунктов в условиях природных катаклизмов и террористических угроз // в этом же сборнике.
16. Арзуманян Р. Кромка хаоса Сложное мышление и сеть: парадигма нелинейности с среда безопасности XXI века. Серия SELECTA, под ред. Колерова М.А. // ИД Ре-гнум, М., 2012, 599 с.
17. Велицко В.В. Выявление и нейтрализация угроз государственной безопасности с применением инструментария ТРИЗ на примере угроз инфраструктурного, техно-логического и юридического характера // Сборник докладов международной кон-ференции «Инструменты создания инноваций для развития предпринимательства», Москва, 14-15.11.2014, с.102-108.