К возобновляемым источникам энергии относятся не только солнце и ветер, но еще и отходы. Электростанции, работающие на них, помимо выработки «зеленой» энергии, решают и некоторые другие проблемы, связанные с экологией. В частности, при правильной организации дела на таких электростанциях происходит утилизация отходов безопасным способом. И даже могут производиться удобрения для сельскохозяйственных культур. В этой статье мы расскажем о перспективной технологии получения электроэнергии из отходов и сравним ее с уже давно используемыми решениями.
В 2023 г., по разным оценкам, объем твердых коммунальных отходов в России составил от 47 до 75 млн тонн в год. Примерно одну треть от этой величины составляют пищевые отходы. Промышленные отходы за этот же период составили более 9 млрд т, правда, какую долю от них составляет органика, неизвестно. Рост объема отходов в коммунальной сфере и в промышленности составляет 3% в год. В сельском хозяйстве за год образуется около 300 млн тон навоза и помета.
Таким образом, органические отходы — это серьезный ресурс, причем данное топливо есть в большом количестве именно там, где нужна электроэнергия — рядом с населенными пунктами, промышленными предприятиями и фермами. Нет затрат на транспортировку топлива, нет потерь в линиях электропередачи. По совокупности факторов, благоприятных с точки зрения экологии, выработка электроэнергии из мусора вполне может конкурировать с солнечными панелями, а то и превосходить их.
Сжигание органических отходов
Наиболее простой способ утилизации, при котором можно организовать выработку электроэнергии. Отходы сжигаются в специальной печи, выработанное тепло приводит в действие паровую турбину, которая крутит вал динамо-машины. Что-бы сжигание мусора не вредило экологии, требуется соблюсти ряд ограничений. В первую очередь установить мощную систему фильтрации. Кроме этого, площадь, занимаемая мусоросжигающим заводом, должна быть выбрана из расчета не менее 500 кв. м земли на каждую 1000 т перерабатываемого мусора в год. Необходимо обеспечить защитный промежуток шириной 0,5–1 км относительно территории предприятия. В общем, это не для фермерского хозяйства, даже крупного. Поэтому мусоросжигающие заводы во всем мире строят из расчета, что один завод должен обслуживать территорию, где проживают не менее 250 тыс. чел.
Другая проблема — куда девать золу, образуемую при сжигании мусора? Она до сих пор не решена в полной мере, золу просто складывают в определенных местах. По сравнению с обычными мусорными полигонами такие золоотвалы намного компактнее и не выбрасывают парниковые газы в атмосферу.
Выработка биогаза
Данная технология заключается в сбраживании органических отходов бактериями, в результате чего вырабатывается газ с высоким содержанием метана. В качестве исходного материала могут использоваться навоз, птичий помет, пищевые отходы, а также некоторые виды промышленных отходов (например, древесные опилки). Наибольшую эффективность этот метод имеет применительно к навозу. 1 т данного топлива дает 50–65 куб. м биогаза, который может использоваться как для отопления, так и для выработки электроэнергии. 1 куб. м биогаза позволяет выработать 1–2 кВтч электроэнергии. Отсюда, выработка электроэнергии из навоза в сельском хозяйстве России может потенциально достигать величины порядка 30 млрд кВтч в год. Для сравнения, вся электроэнергия, вырабатываемая в России за год, составляет около 1200 млрд кВтч. А ведь, помимо навоза, есть и другие органические отходы, пригодные для переработки в биогаз.
Для того, чтобы биогаз мог приводить в действие турбину или газопоршневой двигатель, необходимо очистить метан от примесей, а также обеспечить стабильное давление. По этим причинам электростанция, работающая на биогазе, имеет довольно сложную конструкцию. По цене такая установка доступна только крупным фермерским хозяйствам.
Если сжечь органические отходы в печи, то мы получим больше энергии, чем при использовании выработанного из них биогаза. Но технология, основанная на биогазе, более экологична. К тому же на выходе получается готовое удобрение, т. е. технологию можно считать безотходной.
Известны разработки, позволяющие вырабатывать из отходов с помощью водорослей не метан, а водород. Но практического применения они пока не получили.
Микробные топливные элементы
Снизить размеры и стоимость генерирующей установки можно, если химическую энергию, которой обладают отходы, напрямую преобразовать в электрическую, минуя выработку тепловой энергии. При этом генератор не содержит движущихся частей, что значительно упростит его обслуживание. Устройства, реализующие данный подход, получили название «микробные топливные элементы» (МТЭ).
Классическая конструкция МТЭ состоит из трех основных элементов: анодной камеры, катодной камеры и разделяющей их ионоселективной мембраны, пропускающей протоны водорода лишь в одном направлении — из анодной камеры в катодную. Микроорганизмы, производящие электричество, находятся в анодной камере. Они работают в анаэробных условиях — ионноселективная мембрана не пропускает кислород.
Принцип работы МТЭ заключается в следующем. Микроорганизмы в результате своей жизнедеятельности забирают электроны из субстрата питания и передают их на анод. Электроны под действием разности окислительно-восстановительных потенциалов начинают двигаться к катоду, на котором происходит восстановление кислорода. Одновременно при отрыве электронов от субстрата образуются протоны водорода. Они проходят через ионноселективную мембрану из анодной камеры в катодную, где соединяются с кислородом, образуя воду.
Для повышения эффективности переноса электронов зачастую используется так называемый медиатор. Это — химическое соединение, способное участвовать в окислительно-восстановительных реакциях как с ферментами микроорганизмов, так и с материалом анода.
Теоретически КПД у МТЭ может быть выше, чем способна дать генерирующая установка, работающая по принципу выработки биогаза. Другое важное преимущество МТЭ — возможность использования постоянно протекающей через него сточной воды. При этом, помимо генерации, происходит очистка стоков. Исходя из этих факторов, в отдаленной перспективе на основе МТЭ в России может вырабатываться еще больше электроэнергии, чем способен дать биогаз (как уже отмечалось выше, его потенциал можно оценить величиной порядка 30 млрд кВтч в год).
В процессе работы МТЭ потребляется кислород и выделяется углекислый газ. Но то же самое происходит и при ранее известных способах генерации, основанных на сжигании самих отходов или полученного из них биогаза. При необходимости МТЭ также может вырабатывать удобрения.
Вклад российских ученых
Российские ученые внесли значительный вклад в развитие технологии МТЭ. В 2014 г. группа ученых Иркутского государственного университета запатентовала конструкцию МТЭ, особенностью которой являются пористые электроды из карбида кремния. Замена ранее использовавшихся углеродных волокон на карбид кремния позволила повысить устойчивость электродов к действию агрессивной среды, характерной для сточных вод, а пористая структура — увеличить эффективность работы генератора.
Также способность МТЭ к работе на сточных водах удалось повысить специалистам НИЦ «Курчатовский институт». В своей разработке ученые применили метод безмедиаторного переноса заряда с микроорганизмов на электрод. При использовании МТЭ на сточных водах применение медиаторов связано с рядом проблем. Медиаторы, закрепляемые на электроде, стоят очень дорого. Использование же растворимых медиаторов неприемлемо, поскольку они будут постоянно смываться течением жидкостей.
Кроме этого, ученые из НИЦ «Курчатовский институт» нашли способ, как обойтись без дорогостоящей мембраны, устанавливаемой между анодной и катодной камерами. Вместо нее применен солевой мостик — трубка, заполненная смесью раствора калийной соли и агар-агара. Это несколько снизило эффективность генерации, но за счет значительного снижения стоимости устройства использование такого МТЭ оказывается экономически более выгодным. Результаты исследования были опубликованы в 2023 г. в авторитетном международном научном журнале Nanobiotechnology Reports.
Микробы, используемые для генерации электричества
В современном сельском хозяйстве широко применяются препараты для повышения плодородности почвы, основанные на наборе определенных культур микроорганизмов. Эти микробы могут использоваться и для генерации электричества. В частности, исследователи из Иркутского государственного университета успешно использовали в своих опытах биопрепарат эффективных микроорганизмов «ЭМ 1 – Восток», который можно купить в хозяйственных магазинах.
В МТЭ, созданном учеными НИЦ «Курчатовский институт», электричество вырабатывают фототрофные микроводоросли Chlorella vulgaris. Они способны выделять кислород, что увеличило скорость химических реакций на катоде и привело к дополнительному повышению эффективности работы генератора.
Некоторые исследователи предлагают создать с применением методов генной инженерии специальные бактерии для работы в МТЭ. По мнению автора статьи, такого рода инновации таят в себе значительную опасность. Поэтому к их внедрению следует подходить с большой осторожностью.
Сегодня и завтра МТЭ
На момент написания статьи МТЭ уже нашли практическое применение для питания датчиков, передающих данные о параметрах сточных вод через систему «Интернета вещей». Напряжение, которое дает один МТЭ, составляет около 0,7 В. Получить напряжение 3–5 В, пригодное для питания одного датчика, можно последовательным соединением нескольких элементов, а также использованием электронного преобразователя напряжения. Датчик, передающий данные по широко распространенному протоколу LoRaWAN, в момент излучения радиоволн потребляет мощность порядка 0,5 Вт. Совместно с более мощной нагрузкой МТЭ пока не используется.
Тем не менее давайте вспомним, какая ситуация была с солнечной энергетикой, скажем, в 80-х годах XX века (уникальные солнечные панели на космических аппаратах того времени брать во внимание не будем). Солнечные панели, используемые тогда в быту, могли питать разве что карманные микрокалькуляторы. А что теперь? От солнечной энергии даже электроплиту питать можно! У МТЭ тоже есть все шансы пройти данный путь. Не исключено, что произойдет это даже быстрее, чем было с солнечными панелями.