Вивільнення енергії з відходів: глобальний погляд на рішення для зберігання енергії

Світ стоїть перед подвійним викликом: управління постійно зростаючими обсягами відходів та перехід до сталих джерел енергії. На щастя, ці два виклики можуть поєднатися в потужне рішення: зберігання енергії з відходів. Ця стаття досліджує різноманітні технології, глобальні ініціативи та потенціал перетворення відходів на цінний енергетичний ресурс.

Зростаюча потреба у зберіганні енергії

Інтеграція відновлюваних джерел енергії, таких як сонячна та вітрова, в електромережу є важливою для пом'якшення наслідків зміни клімату. Однак ці джерела є переривчастими, що означає, що їхня доступність коливається залежно від погодних умов. Системи зберігання енергії є вирішальними для згладжування цих коливань та забезпечення надійного енергопостачання. Крім того, зберігання енергії дозволяє використовувати енергію, вироблену в години низького навантаження або в періоди надлишкової генерації, зменшуючи втрати та підвищуючи ефективність мережі.

Відходи як джерело енергії: багатогранний підхід

Відходи, які часто розглядають як тягар, містять значну кількість накопиченої енергії. Різноманітні технології можуть вивільнити цю енергію, перетворюючи відходи на цінний ресурс. До них належать:

• Спалювання відходів для отримання енергії (WtE): Цей процес передбачає спалювання твердих побутових відходів (ТПВ) при високих температурах для вироблення тепла, яке потім використовується для виробництва пари для генерації електроенергії або централізованого теплопостачання. Сучасні заводи WtE використовують передові технології контролю викидів для мінімізації впливу на довкілля. Прикладами є об'єкти в Данії, Німеччині та Японії, які десятиліттями успішно інтегрували WtE у свою енергетичну інфраструктуру.
• Анаеробне зброджування (АБ): АБ — це біологічний процес, під час якого мікроорганізми розкладають органічні відходи, такі як харчові залишки, сільськогосподарські відходи та мул стічних вод, за відсутності кисню. Цей процес виробляє біогаз, суміш метану та вуглекислого газу, який можна використовувати як відновлюване паливо для виробництва електроенергії, опалення або транспорту. Установки АБ широко використовуються в Європі, зокрема в Німеччині та Нідерландах, і набувають популярності в інших регіонах, включаючи Північну Америку та Азію.
• Газифікація: Газифікація — це термохімічний процес, який перетворює органічні матеріали на синтез-газ, суміш оксиду вуглецю, водню та інших газів, при високих температурах та в контрольованих умовах. Синтез-газ можна використовувати для виробництва електроенергії, хімічних речовин або перетворювати на транспортне паливо. Технології газифікації розробляються та впроваджуються в різних країнах, включаючи США, Китай та Індію.
• Піроліз: Піроліз — це процес термічного розкладання, який руйнує органічні матеріали за відсутності кисню. Цей процес виробляє біо-олію, біовугілля та синтез-газ, які можна використовувати як паливо або хімічну сировину. Піроліз особливо підходить для переробки пластикових відходів та біомаси. Компанії по всьому світу досліджують передові методи піролізу.
• Утилізація звалищного газу (ЗГ): Звалища генерують метан під час розкладання органічних відходів. Системи утилізації ЗГ вловлюють цей метан і використовують його для виробництва електроенергії або природного газу трубопровідної якості. Багато звалищ у всьому світі, особливо в розвинених країнах, реалізували проєкти з утилізації ЗГ.

Технології зберігання енергії, отриманої з відходів

Після того, як енергія згенерована з відходів, необхідні ефективні рішення для її зберігання, щоб максимізувати її використання та інтегрувати в енергетичну мережу. Ці технології можна класифікувати як:

Теплове зберігання енергії (ТЗЕ)

Системи ТЗЕ зберігають енергію у вигляді тепла або холоду. Це особливо актуально для заводів WtE, які виробляють тепло або пару. Технології ТЗЕ включають:

• Зберігання явної теплоти: Це передбачає зберігання тепла шляхом підвищення температури середовища-накопичувача, такого як вода, олія або бетон. Наприклад, надлишкове тепло, вироблене заводом WtE в періоди низького попиту на електроенергію, може зберігатися у великому ізольованому резервуарі з водою, а потім використовуватися для виробництва електроенергії або забезпечення централізованого опалення в періоди пікового попиту.
• Зберігання прихованої теплоти: Це передбачає зберігання тепла шляхом зміни фазового стану середовища-накопичувача, наприклад, плавлення твердого тіла або випаровування рідини. Зберігання прихованої теплоти забезпечує вищу щільність енергії порівняно зі зберіганням явної теплоти. Матеріали зі зміною фазового стану (МЗФС) зазвичай використовуються в системах зберігання прихованої теплоти.
• Термохімічне зберігання енергії: Це передбачає зберігання енергії за допомогою оборотних хімічних реакцій. Ці системи пропонують найвищу щільність енергії, але, як правило, є складнішими та дорожчими, ніж зберігання явної або прихованої теплоти.

Приклад: У Швеції деякі системи централізованого теплопостачання використовують великі підземні системи зберігання теплової енергії для накопичення надлишкового тепла, виробленого влітку, для використання в зимові місяці. Це зменшує залежність від викопного палива та підвищує загальну ефективність енергетичної системи.

Хімічне зберігання енергії

Хімічне зберігання енергії передбачає перетворення електроенергії на хімічне паливо, таке як водень або синтетичний природний газ (СПГ). Це паливо можна зберігати та використовувати для виробництва електроенергії або тепла за потреби.

• Виробництво водню шляхом електролізу: Електроліз використовує електроенергію для розщеплення води на водень та кисень. Водень потім можна зберігати та використовувати в паливних елементах для виробництва електроенергії або в промислових процесах. Електроенергія, отримана з відходів, може живити процес електролізу, створюючи шлях до виробництва зеленого водню.
• Метанування: Метанування — це процес, який перетворює вуглекислий газ та водень на метан (СПГ). CO2 можна вловлювати з біогазу або промислових джерел. Цей СПГ потім можна подавати в мережу природного газу, забезпечуючи відновлюване джерело природного газу.

Приклад: У Європі реалізується кілька проєктів з виробництва водню з відновлюваних джерел енергії, включаючи електроенергію, отриману з відходів, та його використання для декарбонізації транспорту та промисловості.

Механічне зберігання енергії

Системи механічного зберігання енергії накопичують енергію шляхом фізичної зміни положення або швидкості маси. До цих систем належать:

• Гідроакумулюючі електростанції (ГАЕС): ГАЕС передбачають перекачування води вгору до резервуара в періоди низького попиту на електроенергію та її випуск вниз через турбіну для виробництва електроенергії під час пікового попиту. Хоча традиційно використовуються з великими гідроелектростанціями, ГАЕС також можна інтегрувати із заводами WtE, використовуючи надлишкову електроенергію для перекачування води.
• Акумулювання енергії стисненим повітрям (CAES): CAES передбачає стиснення повітря та його зберігання в підземних печерах або резервуарах. Коли потрібна електроенергія, стиснене повітря вивільняється і використовується для приводу турбіни.
• Маховичні накопичувачі енергії: Маховики зберігають енергію, обертаючи ротор на високих швидкостях. Ці системи можуть забезпечити швидку реакцію і підходять для короткочасного зберігання енергії.

Приклад: Хоча менш поширені для прямої інтеграції з установками з переробки відходів в енергію через географічні обмеження, деякі регіони можуть вважати гідроакумулювання життєздатним варіантом для управління мінливістю виробленої енергії. CAES також викликає новий інтерес у міру вдосконалення технологій.

Глобальні ініціативи та політики

Кілька країн та регіонів активно сприяють зберіганню енергії з відходів за допомогою політик, стимулів та програм досліджень і розробок. Ці ініціативи спрямовані на:

• Зменшення кількості відходів на звалищах та сприяння переробці: Політики, такі як заборона на захоронення відходів, схеми розширеної відповідальності виробника (РВВ) та цілі з переробки, стимулюють зменшення відходів та їх відведення зі звалищ, роблячи більше відходів доступними для енергетичної утилізації.
• Підтримка розвитку інфраструктури WtE: Уряди надають фінансові стимули, такі як податкові кредити, субсидії та "зелені" тарифи, для підтримки будівництва та експлуатації заводів WtE.
• Заохочення впровадження технологій зберігання енергії: Стимули для розгортання систем зберігання енергії, такі як податкові кредити, гранти та гарантії за позиками, допомагають знизити вартість систем зберігання енергії та зробити їх економічно більш вигідними.
• Сприяння дослідженням та розробкам: Фінансування науково-дослідної діяльності є вирішальним для розробки інноваційних технологій переробки відходів в енергію та зберігання енергії.

Приклади:

• Європейський Союз: План дій ЄС з циркулярної економіки сприяє запобіганню утворенню відходів, їх переробці та енергетичній утилізації. ЄС також має цілі щодо відновлюваної енергетики та скорочення викидів парникових газів, що стимулює розвиток проєктів WtE та зберігання енергії.
• Китай: Китай активно інвестує в інфраструктуру WtE для вирішення своїх зростаючих проблем з управлінням відходами та зменшення залежності від викопного палива. Країна також має амбітні цілі щодо розгортання відновлюваної енергетики та зберігання енергії.
• Сполучені Штати: США пропонують різноманітні стимули для проєктів у галузі відновлюваної енергетики та зберігання енергії, включаючи податкові кредити та грантові програми. Кілька штатів також впровадили політику, спрямовану на зменшення відходів та їх переробку.

Виклики та можливості

Хоча зберігання енергії з відходів пропонує значний потенціал, існує також кілька викликів, які необхідно вирішити:

• Технологічні виклики: Розробка економічно ефективних та дієвих технологій WtE та зберігання енергії вимагає постійних досліджень та розробок.
• Екологічні проблеми: Заводи WtE можуть мати негативний вплив на довкілля, такий як забруднення повітря та викиди парникових газів. Однак сучасні заводи WtE використовують передові технології контролю викидів для мінімізації цих впливів. Крім того, перетворення відходів на енергію дозволяє уникнути викидів метану, пов'язаних із захороненням на звалищах.
• Економічна доцільність: Економічна доцільність проєктів WtE та зберігання енергії залежить від таких факторів, як склад відходів, ціни на енергію та державна політика.
• Сприйняття громадськістю: Заводи WtE можуть стикатися з громадським спротивом через побоювання щодо забруднення повітря та шуму. Ефективна комунікація та залучення громади є важливими для отримання громадського схвалення.

Незважаючи на ці виклики, можливості для зберігання енергії з відходів є значними. Подолавши ці труднощі та використовуючи потенціал відходів як енергетичного ресурсу, ми можемо створити більш стійке та надійне енергетичне майбутнє.

Майбутнє зберігання енергії з відходів

Майбутнє зберігання енергії з відходів виглядає багатообіцяючим. У міру того, як технології продовжують вдосконалюватися, а витрати знижуватися, WtE та зберігання енергії ставатимуть все більш конкурентоспроможними порівняно з традиційними джерелами енергії. Крім того, зростаюча увага до принципів циркулярної економіки та практик сталого управління відходами сприятиме ширшому впровадженню технологій WtE.

Ключові тенденції, на які варто звернути увагу:

• Передові технології WtE: Новітні технології, такі як газифікація та піроліз, пропонують потенціал для перетворення ширшого спектра відходів в енергію з меншими викидами.
• Інтеграція WtE зі сховищами енергії: Поєднання WtE з системами зберігання енергії підвищить надійність та гнучкість енергосистеми.
• Розробка нових технологій зберігання енергії: Постійні дослідження та розробки спрямовані на створення нових та вдосконалених технологій зберігання енергії, таких як передові акумулятори, проточні батареї та системи теплового зберігання енергії.
• Збільшення використання біогазу: Біогаз, вироблений шляхом анаеробного зброджування, відіграватиме все важливішу роль в енергетичному балансі, забезпечуючи відновлюване джерело природного газу для виробництва електроенергії, опалення та транспорту.
• Політична підтримка WtE та зберігання енергії: Уряди продовжуватимуть відігравати вирішальну роль у підтримці розробки та впровадження технологій WtE та зберігання енергії за допомогою політик та стимулів.

Практичні поради

Для політиків, бізнесу та окремих осіб, ось деякі практичні поради, які варто розглянути:

• Політикам: Впроваджуйте політику підтримки, яка сприяє зменшенню відходів, їх переробці та енергетичній утилізації. Надавайте фінансові стимули для проєктів WtE та зберігання енергії. Інвестуйте в дослідження та розробку передових технологій WtE та зберігання енергії.
• Бізнесу: Досліджуйте можливості інвестування в проєкти WtE та зберігання енергії. Розробляйте інноваційні рішення з управління відходами, що сприяють принципам циркулярної економіки. Впроваджуйте стійкі бізнес-практики, що мінімізують утворення відходів.
• Громадянам: Зменшуйте утворення відходів, практикуючи правило 3R (зменшуй, використовуй повторно, переробляй). Підтримуйте політику, що сприяє зменшенню відходів та їх енергетичній утилізації. Дізнавайтеся більше самі та розповідайте іншим про переваги зберігання енергії з відходів.

Висновок

Зберігання енергії з відходів є значною можливістю для вирішення двох критичних глобальних викликів: управління відходами та перехід до сталої енергетики. Завдяки впровадженню інноваційних технологій, політики підтримки та партнерських відносин, ми можемо розкрити величезний потенціал відходів як енергетичного ресурсу та створити чистіше, стійкіше та надійніше майбутнє для всіх. Цей перехід вимагає глобальних зусиль, обміну передовим досвідом та адаптації рішень до місцевих умов, щоб кожна громада могла скористатися цією потужною синергією між управлінням відходами та виробництвом енергії.