Получение энергии из отходов: Глобальный взгляд на решения для хранения энергии

Мир стоит перед двойной проблемой: управление постоянно растущими объемами отходов и переход на устойчивые источники энергии. К счастью, эти две проблемы могут объединиться в одно мощное решение: хранение энергии, полученной из отходов. В этой статье мы рассмотрим разнообразные технологии, глобальные инициативы и потенциал превращения отходов в ценный энергетический ресурс.

Растущая потребность в хранении энергии

Интеграция возобновляемых источников энергии, таких как солнечная и ветровая, в электросеть имеет важное значение для смягчения последствий изменения климата. Однако эти источники являются прерывистыми, что означает, что их доступность колеблется в зависимости от погодных условий. Системы хранения энергии имеют решающее значение для сглаживания этих колебаний и обеспечения надежного энергоснабжения. Кроме того, хранение энергии позволяет использовать энергию, произведенную в непиковые часы или в периоды избыточной генерации, что сокращает потери и повышает эффективность сети.

Отходы как источник энергии: Многогранный подход

Отходы, которые часто рассматриваются как бремя, содержат значительное количество накопленной энергии. Различные технологии могут высвободить эту энергию, превращая отходы в ценный ресурс. К ним относятся:

• Сжигание отходов для получения энергии (WtE): Этот процесс включает сжигание твердых бытовых отходов (ТБО) при высоких температурах для выработки тепла, которое затем используется для производства пара для выработки электроэнергии или централизованного теплоснабжения. Современные заводы WtE оснащены передовыми технологиями контроля выбросов для минимизации воздействия на окружающую среду. Примерами могут служить предприятия в Дании, Германии и Японии, которые успешно интегрировали WtE в свою энергетическую инфраструктуру на протяжении десятилетий.
• Анаэробное сбраживание (АС): АС — это биологический процесс, в ходе которого микроорганизмы разлагают органические отходы, такие как пищевые отходы, сельскохозяйственные остатки и осадки сточных вод, в отсутствие кислорода. В результате этого процесса образуется биогаз, смесь метана и углекислого газа, который может использоваться как возобновляемое топливо для производства электроэнергии, отопления или транспорта. Установки АС широко используются в Европе, особенно в Германии и Нидерландах, и набирают популярность в других регионах, включая Северную Америку и Азию.
• Газификация: Газификация — это термохимический процесс, который преобразует органические материалы в синтез-газ, смесь угарного газа, водорода и других газов, при высоких температурах и в контролируемых условиях. Синтез-газ может использоваться для производства электроэнергии, химических веществ или может быть преобразован в транспортное топливо. Технологии газификации разрабатываются и внедряются в различных странах, включая США, Китай и Индию.
• Пиролиз: Пиролиз — это процесс термического разложения, при котором органические материалы расщепляются в отсутствие кислорода. В результате этого процесса образуются био-масло, био-уголь и синтез-газ, которые могут использоваться в качестве топлива или химического сырья. Пиролиз особенно подходит для переработки пластиковых отходов и биомассы. Компании по всему миру изучают передовые методы пиролиза.
• Улавливание свалочного газа (СГ): Свалки производят метан при разложении органических отходов. Системы улавливания СГ захватывают этот метан и используют его для производства электроэнергии или природного газа трубопроводного качества. Многие свалки по всему миру, особенно в развитых странах, внедрили проекты по улавливанию СГ.

Технологии хранения энергии, полученной из отходов

После того как энергия произведена из отходов, необходимы эффективные решения для ее хранения, чтобы максимизировать ее использование и интегрировать в энергетическую сеть. Эти технологии можно разделить на следующие категории:

Тепловое хранение энергии (ТХЭ)

Системы ТХЭ накапливают энергию в виде тепла или холода. Это особенно актуально для заводов WtE, которые вырабатывают тепло или пар. Технологии ТХЭ включают:

• Хранение явной теплоты: Это включает в себя хранение тепла путем повышения температуры накопительной среды, такой как вода, масло или бетон. Например, избыточное тепло, вырабатываемое заводом WtE в периоды низкого спроса на электроэнергию, может храниться в большом изолированном резервуаре с водой, а затем использоваться для производства электроэнергии или обеспечения централизованного теплоснабжения в периоды пикового спроса.
• Хранение скрытой теплоты: Это включает в себя хранение тепла за счет изменения фазового состояния накопительной среды, например, плавления твердого тела или испарения жидкости. Хранение скрытой теплоты обеспечивает более высокую плотность энергии по сравнению с хранением явной теплоты. В системах хранения скрытой теплоты обычно используются материалы с фазовым переходом (МФП).
• Термохимическое хранение энергии: Это включает в себя хранение энергии с помощью обратимых химических реакций. Эти системы обладают самой высокой плотностью энергии, но, как правило, сложнее и дороже, чем хранение явной или скрытой теплоты.

Пример: В Швеции некоторые системы централизованного теплоснабжения используют большие подземные системы хранения тепловой энергии для накопления избыточного тепла, вырабатываемого летом, для использования в зимние месяцы. Это снижает зависимость от ископаемого топлива и повышает общую эффективность энергетической системы.

Химическое хранение энергии

Химическое хранение энергии включает преобразование электроэнергии в химическое топливо, такое как водород или синтетический природный газ (СПГ). Это топливо затем можно хранить и использовать для выработки электроэнергии или тепла по мере необходимости.

• Производство водорода путем электролиза: Электролиз использует электричество для расщепления воды на водород и кислород. Водород затем можно хранить и использовать в топливных элементах для выработки электроэнергии или в промышленных процессах. Электроэнергия, полученная из отходов, может питать процесс электролиза, создавая путь к производству "зеленого" водорода.
• Метанирование: Метанирование — это процесс, который преобразует углекислый газ и водород в метан (СПГ). CO2 может быть уловлен из биогаза или промышленных источников. Этот СПГ затем может быть подан в газовую сеть, обеспечивая возобновляемый источник природного газа.

Пример: В Европе реализуется несколько проектов по производству водорода из возобновляемых источников энергии, включая электроэнергию, полученную из отходов, и его использованию для декарбонизации транспорта и промышленности.

Механическое хранение энергии

Системы механического хранения энергии накапливают энергию путем физического изменения положения или скорости массы. К таким системам относятся:

• Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС): ГАЭС включают перекачку воды вверх в резервуар в периоды низкого спроса на электроэнергию и ее сброс вниз через турбину для выработки электроэнергии в периоды пикового спроса. Хотя традиционно ГАЭС используются с крупными гидроэлектростанциями, их также можно интегрировать с заводами WtE, используя избыточную электроэнергию для перекачки воды.
• Хранение энергии в сжатом воздухе (CAES): CAES включает сжатие воздуха и его хранение в подземных пещерах или резервуарах. Когда требуется электроэнергия, сжатый воздух высвобождается и используется для приведения в действие турбины.
• Маховиковые накопители энергии: Маховики накапливают энергию, вращая ротор на высоких скоростях. Эти системы могут обеспечивать быструю реакцию и подходят для кратковременного хранения энергии.

Пример: Хотя из-за географических ограничений прямая интеграция с предприятиями по переработке отходов в энергию менее распространена, в некоторых регионах гидроаккумулирующие станции могут быть жизнеспособным вариантом для управления изменчивостью вырабатываемой мощности. CAES также вызывает возобновленный интерес по мере совершенствования технологий.

Глобальные инициативы и политика

Некоторые страны и регионы активно продвигают хранение энергии, полученной из отходов, через политику, стимулы и программы исследований и разработок. Эти инициативы направлены на:

• Сокращение отходов на свалках и содействие переработке: Политики, такие как запреты на захоронение отходов, схемы расширенной ответственности производителя (РОП) и цели по переработке, стимулируют сокращение отходов и их отвод со свалок, делая больше отходов доступными для энергетической утилизации.
• Поддержка развития инфраструктуры WtE: Правительства предоставляют финансовые стимулы, такие как налоговые льготы, субсидии и "зеленые" тарифы, для поддержки строительства и эксплуатации заводов WtE.
• Поощрение внедрения технологий хранения энергии: Стимулы для развертывания систем хранения энергии, такие как налоговые льготы, гранты и гарантии по кредитам, помогают снизить стоимость систем хранения энергии и сделать их более экономически жизнеспособными.
• Содействие исследованиям и разработкам: Финансирование научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ имеет решающее значение для разработки инновационных технологий переработки отходов в энергию и хранения энергии.

Примеры:

• Европейский Союз: План действий ЕС по циркулярной экономике способствует предотвращению образования отходов, их переработке и энергетической утилизации. ЕС также установил цели по возобновляемой энергии и сокращению выбросов парниковых газов, что стимулирует развитие проектов WtE и хранения энергии.
• Китай: Китай активно инвестирует в инфраструктуру WtE для решения растущих проблем управления отходами и снижения зависимости от ископаемого топлива. В стране также установлены амбициозные цели по развертыванию возобновляемой энергетики и систем хранения энергии.
• Соединенные Штаты: США предлагают различные стимулы для проектов в области возобновляемой энергетики и хранения энергии, включая налоговые льготы и грантовые программы. Некоторые штаты также внедрили политику по содействию сокращению отходов и их переработке.

Проблемы и возможности

Хотя хранение энергии, полученной из отходов, предлагает значительный потенциал, существует также несколько проблем, которые необходимо решить:

• Технологические проблемы: Разработка экономически эффективных и производительных технологий WtE и хранения энергии требует постоянных исследований и разработок.
• Экологические проблемы: Заводы WtE могут оказывать негативное воздействие на окружающую среду, такое как загрязнение воздуха и выбросы парниковых газов. Однако современные заводы WtE используют передовые технологии контроля выбросов для минимизации этого воздействия. Кроме того, преобразование отходов в энергию позволяет избежать выбросов метана, связанных с захоронением на свалках.
• Экономическая жизнеспособность: Экономическая целесообразность проектов WtE и хранения энергии зависит от таких факторов, как состав отходов, цены на энергию и государственная политика.
• Общественное признание: Заводы WtE могут столкнуться с общественным сопротивлением из-за опасений по поводу загрязнения воздуха и шума. Эффективная коммуникация и взаимодействие с общественностью необходимы для получения общественного признания.

Несмотря на эти проблемы, возможности для хранения энергии, полученной из отходов, значительны. Преодолев эти трудности и используя потенциал отходов как энергетического ресурса, мы можем создать более устойчивое и надежное энергетическое будущее.

Будущее хранения энергии, полученной из отходов

Будущее хранения энергии, полученной из отходов, выглядит многообещающе. По мере совершенствования технологий и снижения затрат, WtE и хранение энергии будут становиться все более конкурентоспособными по сравнению с традиционными источниками энергии. Кроме того, растущее внимание к принципам циркулярной экономики и практикам устойчивого управления отходами будет способствовать более широкому внедрению технологий WtE.

Ключевые тенденции, за которыми стоит следить:

• Передовые технологии WtE: Новые технологии, такие как газификация и пиролиз, предлагают потенциал для преобразования более широкого спектра отходов в энергию с меньшими выбросами.
• Интеграция WtE с системами хранения энергии: Сочетание WtE с системами хранения энергии повысит надежность и гибкость энергетической сети.
• Разработка новых технологий хранения энергии: Продолжающиеся исследования и разработки направлены на создание новых и усовершенствованных технологий хранения энергии, таких как передовые аккумуляторы, проточные батареи и системы теплового хранения энергии.
• Расширение использования биогаза: Биогаз, производимый путем анаэробного сбраживания, будет играть все более важную роль в энергетическом балансе, обеспечивая возобновляемый источник природного газа для производства электроэнергии, отопления и транспорта.
• Политическая поддержка WtE и хранения энергии: Правительства продолжат играть решающую роль в поддержке разработки и внедрения технологий WtE и хранения энергии посредством политики и стимулов.

Практические рекомендации

Для политиков, бизнеса и частных лиц вот несколько практических рекомендаций, которые стоит рассмотреть:

• Политикам: Внедряйте поддерживающую политику, способствующую сокращению отходов, их переработке и энергетической утилизации. Предоставляйте финансовые стимулы для проектов WtE и хранения энергии. Инвестируйте в исследования и разработку передовых технологий WtE и хранения энергии.
• Бизнесу: Изучайте возможности для инвестиций в проекты WtE и хранения энергии. Разрабатывайте инновационные решения по управлению отходами, способствующие принципам циркулярной экономики. Внедряйте устойчивые деловые практики, минимизирующие образование отходов.
• Частным лицам: Сокращайте образование отходов, следуя принципу 3R (сокращение, повторное использование, переработка). Поддерживайте политику, способствующую сокращению отходов и их энергетической утилизации. Узнавайте сами и рассказывайте другим о преимуществах хранения энергии, полученной из отходов.

Заключение

Хранение энергии, полученной из отходов, представляет собой значительную возможность для решения двух важнейших глобальных проблем: управления отходами и перехода к устойчивой энергетике. Применяя инновационные технологии, поддерживающую политику и развивая партнерские отношения, мы можем раскрыть огромный потенциал отходов как энергетического ресурса и создать более чистое, устойчивое и надежное будущее для всех. Этот переход требует глобальных усилий, обмена передовым опытом и адаптации решений к местным условиям, чтобы каждое сообщество могло извлечь выгоду из этой мощной синергии между управлением отходами и производством энергии.