alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2019.19-21.017-028alternative-1762Research ArticleI. ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА 5. Энергия биомассыI. RENEWABLE ENERGY 5. Energy of BiomassИспользование свалочного газа в газотурбинных и газопоршневых установках: энергетические и экономические оценкиUse of Landfill Gas in Gas Turbine and Gas Piston Installations: Energy and Economic AssessmentsФедотовА. А.FedotovA. A.

стажер-исследователь лаборатории возобновляемых источников энергии; магистр 2-го курса НИУ МЭИ

Research Assistant, Laboratory for Renewable Energy; bachelor degree

monolitk3@gmail.comКарановаД. А.KaranovaD. A.

стажер-исследователь лаборатории возобновляемых источников энергии; магистр 2-го курса НИУ МЭИ

Research Assistant, Laboratory for Renewable Energy; bachelor degree

monolitk3@gmail.comТарасенкоА. Б.TarasenkoA. B.

старший научный сотрудник лаборатории возобновляемых источников энергии 

Scopus Author ID 36773802600

Senior Researcher at Renewable Energy Sources Laboratory

Scopus Author ID 36773802600

a.b.tarasenko@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-5836-8615КиселѐваС. В.KiselevaS. V.

канд. физ.-мат. наук, ведущий научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории возобновляемых источников энергии географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова

Research ID E-3324-2014

Scopus Author ID 57201352245

D.Sc. in Physics and Mathematics, Senior Scientific Worker of Renewable Energy Sources Laboratory at Lomonosov Moscow State University, Faculty of Geography

Research ID E-3324-2014

Scopus Author ID 57201352245

k_sophia_v@mail.ruНациональный исследовательский университет Московский энергетический институт; Объединенный институт высоких температур РАНРоссияNational Research University Moscow Power Engineering Institute; Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of SciencesRussian FederationОбъединенный институт высоких температур РАНРоссияJoint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of SciencesRussian FederationОбъединенный институт высоких температур РАН; Московский государственный университет имени М.В. ЛомоносоваРоссияJoint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences; Lomonosov Moscow State UniversityRussian Federation201920092019019-211728Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20192019Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/1762

Рост современных мегаполисов сопровождается значительным увеличением ежегодно образующихся объемов твердых коммунальных отходов. В России в настоящее время основным способом утилизации отходов является вывоз на полигоны. Бесконтрольная эмиссия биогаза, образующегося в теле полигона в результате анаэробного брожения биомассы, приводит к выбросу в окружающую среду целого ряда газообразных компонентов, в том числе токсичных, а также к самовозгоранию полигонов. В то время как биогаз следует рассматривать в качестве ценного энергетического продукта, использование которого может сыграть существенную роль в локальной энергетике. Представлены результаты технико-экономического анализа работы энергоустановок на свалочном газе. Сделан расчет ежегодной эмиссии метана на полигоне «Ядрово». Проведен сравнительный анализ газотурбинных и газопоршневых установок при работе на газовом топливе с низким содержанием метана. Рассмотрены два потенциальных варианта решения проблемы с помощью традиционных энергетических установок. Описан принцип работы таких энергетических установок, а также их достоинства и недостатки. Для оценки экономической эффективности производились расчеты приведенной стоимости электрической энергии. Были получены данные по стоимости кВт·ч на разных электрогенерирующих агрегатах, а также стоимость установленного кВт мощности электростанции. Энергетический потенциал полигона «Ядрово» оценен в 365 МВт·ч в год, следовательно, в месяц такая электростанция может обеспечивать необходимой электроэнергией 100 человек, поскольку среднестатистический житель Москвы потребляет 250–300 кВт·ч в месяц. Изучен зарубежный опыт эксплуатации электростанций, работающих на свалочном газе. Перечислены основные проблемы использования свалочного газа, приведены достоинства и недостатки электростанций с газопоршневыми и микрогазотурбинными силовыми агрегатами, даны рекомендации по выбору энергетической установки. Кроме того, представлена информация по выходу свалочного газа на полигонах, находящихся в разных географических местах: Москва, Владивосток, Kamphaeng Saen (Провинция в Таиланде). Благодаря этим данным установлена четкая корреляция климатической зоны и населения ближайшего населенного пункта с выходом био- газа. За основной параметр оценки выхода свалочного газа был принят удельный выход биогаза, то есть количество свалочного газа, получаемого с одного квадратного метра полигона.

The growth of modern megacities is accompanied by a significant increase in the annually generated volumes of municipal solid waste. The main method of their disposal in Russia at present is the removal of waste to landfills. Uncontrolled emission of biogas generated in the body of the landfill as a result of anaerobic fermentation of biomass leads to the release of a number of gaseous components into the environment, including toxic ones, as well as spontaneous combustion of landfills. In addition, biogas should be considered as a valuable energy product, the use of which can play a significant role in local energy. This paper presents the results of a feasibility study of the landfill gas power plants operation. We have made the calculation of annual methane emissions at the Yadrovo test site. The text provides a comparison of gas turbine and gas reciprocating units when working on gas fuel with low methane content. The paper considers two potential solutions to the problem using traditional power plants. The work describes the principle of operation of such power plants, as well as their advantages and disadvantages. In order to assess the economic efficiency, the present value of electric energy is calculated. Data are obtained on the cost of kWh at various power generating units, as well as the cost of installed kW of power of the power plant. The energy potential of the Yadrovo landfill is estimated at 365 MWh per year, in turn, the average Moscow resident consumes 250–300 kWh per month, that is, such a power station can provide 100 people with the necessary electricity per month. The paper discusses the experience of using landfill gas power plants abroad. The conclusion contains recommendations, as well as the main problems of using landfill gas, the advantages and disadvantages of power plants with gas piston and microgas turbine power units. Information is also provided on the release of landfill gas at landfills located in different geographical locations: Moscow, Vladivostok, Kamphaeng Saen (Province in Thailand). Thanks to these data, there is a clear correlation between the climate zone and the population of the nearest settlement with the release of biogas. The specific parameter of biogas output, that is, the amount of landfill gas received from one square meter of the landfill, is taken as the main parameter for estimating the yield of landfill gas.

свалочный газмикрогазотурбинная установкагазопоршневая установкастоимость электрической энергииlandfill gasmicro-gas turbinecombustion enginelevelised cost of energyReferencesВласкин, М.С. Воздействие на окружающую среду при обращении с ТКО / М.С. Власкин, А.В. Григоренко // Журнал ТБО. – 2018. – № 9. – С. 2–8.Vlaskin M.S., Grigorenko A.V. Environmental impacts during MSW management (Vozdeistvie na okruzhayushchuyu sredu pri obrashchenii s TKO). Zhurnal TBO, 2018;9:2–8 (in Russ.).Территориальная схема обращения с отходами, в том числе с твердыми коммунальными отходами Московской области [Электронный ресурс]: Приложение к постановлению Правительства Московской области от 22.12.2017. №984/47, Красногорск, 2018 г. – С. 14–17. – Режим доступа: https://rsbormsk.ru. – (Дата обращения: 23.03.2019.).The territorial scheme of waste management, including MSW in the Moscow region. Appendix to the Decree of the Government of the Moscow Region of 12.22.2017. (Territorial'naya skhema obrashcheniya s otkhodami, v tom chisle s tverdymi kommunal'nymi otkhodami Moskovskoi oblasti [E-resource]: Prilozhenie k postanovleniyu Pravitel'stva Moskovskoi oblasti ot 22.12. 2017. #984/47), Krasnogorsk, 2018; pp. 1417). Available on: https://rsbor-msk.ru (03.23.2019.) (in Russ.).Zietsman, J. Feasibility of landfill gas as a liquefied natural gas fuel source for refuse trucks / J. Zietsman [et al.]. // Journal of the Air and Waste Management Association. – 2008. – Vol. 58. – No. 5. – P. 613–619 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://doi.org/10.3155/1047-3289.58.5.613. – (Дата обращения: 19.03.2019).Zietsman J., Bari M.E., Rand A.J., Gokhale B., Lord D., Kumar S. Feasibility of landfill gas as a liquefied natural gas fuel source for refuse trucks. Journal of the Air and Waste Management Association, 2008; 58(5):613–619; https://doi.org/10.3155/1047-3289.58.5.613. (03.19.2019) (in Eng.).Почему Московская область задыхается [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.vedomosti.ru. – Заглавие с экрана. – (Дата обращения: 23.03.2019).Why Moscow Region is suffocating (Pochemu Moskovskaya oblast' zadykhaetsya) [E-resource]. Available on: https://www.vedomosti.ru. (03.23.2019) (in Russ.).Нохов, Л.Г. Энергия из отходов как источник возобновляемой энергии – возможности в России / Л.Г. Нохов // Доклад на III Российском Международном энергетическом форуме 19–22 мая 2015 г.Nokhov L.G. MSW energy as a source of renewable energy – opportunities in Russia: report at the III Russian International Energy Forum (Energiya iz otkhodov kak istochnik vozobnovlyaemoi energii – vozmozhnosti v Rossii: Doklad na III Rossiiskom Mezhdunarodnom energeticheskom forume), 19–22 May 2015 (in Russ.).Current Developments in Biotechnology and Bioengineering. Waste Treatment Processes for Energy Generation. 2019, Elsevier. – P. 93–117.Kumar S., Pandey A. Current Developments in Biotechnology and Bioengineering. Waste Treatment Processes for Energy Generation. 2019; pp. 93–117 (in Eng.).Разложение ТБО в местах захоронения [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ztbo.ru. – Заглавие с экрана. – (Дата обращения: 23.03.2019).MSW decomposition at burial sites (Razlozhenie TBO v mestakh zakhoroneniya) [E-resource]. Available on: https://ztbo.ru. (03.23.2019) (in Russ.).Вайсман, Я.И. Управление отходами. Сточные воды и биогаз полигонов захоронения твердых бытовых отходов / Я.И. Вайсман [и др.]. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2012. – 258 с.Vaisman Ya.I., Korotaev V.N., Petrov V.U., Zomarev A.M. Waste management. Sewage and biogas of solid waste landfills (Upravlenie otkhodami. Stochnye vody i biogaz poligonov zakhoroneniya tverdykh bytovykh otkhodov). Perm': Izd-vo Perm. nats. issled. politekhn. un-ta, 2012; p. 258 (in Russ.).Рекомендации по расчету образования биогаза и выбору систем дегазации на полигонах захоронений твердых бытовых отходов. – Москва, 2003. – 19 с.Recommendations on the calculation of biogas generation and the selection of degassing systems at solid waste landfills (Rekomendatsii po raschetu obrazovaniya biogaza i vyboru sistem degazatsii na poligonakhzakhoronenii tverdykh bytovykh otkhodov). Moscow, 2003; p. 19 (in Russ.).Методические указания по расчету выбросов парниковых газов в атмосферу от полигонов твердых бытовых отходов. – Алматы, 2010. – 10 с.Guidelines for the calculation of greenhouse gas emissions into the atmosphere from solid waste landfills (Metodicheskie ukazaniya po raschetu vybrosov parnikovykh gazov v atmosferu ot poligonov tverdykh bytovykh otkhodov). Almaty, 2010; p. 10 (in Russ.).Мусорный полигон «Ядрово» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://tass.ru. – Заглавие с экрана. – (Дата обращения: 23.03.2019).Yadrovo landfill (Musornyi poligon "Yadrovo") [E-resource]. Available on: https://tass.ru (03.23.2019) (in Russ.).Аналитическая записка. Энергетический потенциал свалочного газа на полигонах ТБО [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://fecsrfec.ru/upload/iblock/488/488126c7a984fc266 ebb2400c8257acb.pdf. – (Дата обращения: 17.03.2019).Analytic note. Energy potential of landfill gas at solid waste landfills (Analiticheskaya zapiska. Energeticheskii potentsial svalochnogo gaza na poligonakh TBO) [E-resource]. Available on:Электронная библиотека. Список полигонов ТБО в Москве и Московской области [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/ Список_полигонов_ТБО_в_Москве_и_Московской_обла сти. – (Дата обращения 16.03.2019).http://fecsrfec.ru/upload/iblock/488/488126c7a984fc266 ebb2400c8257acb.pdf (03.17.2019.) (in Russ.).Pawananont, K. Feasibility analysis of power generation from landfill gas by using internal combustion engine, organic Rankine cycle and Stirling engine of pilot experiments in Thailand / Pawanarot K., Leephakpreeda T. // Energy Procedia. – 2017. – Vol. 128. – P. 575–579.E-library. List of MSW landfills in Moscow and the Moscow region (Elektronnaya biblioteka. Spisok poligonov TBO v Moskve i Moskovskoi oblasti) [E-resource]. – Available on: https://ru.wikipedia.org/wiki/ Spisok_poligonov_TBO_v_Moskve_i_Moskovskoi_oblasti. (03.16.2019.) (in Russ.).О ставках платы за негативное воздействие на окружающую среду и дополнительных коэффициентах: постановление Правительства РФ от 13.09.2016. – № 913.Pawananont K., Leephakpreeda T. Feasibility analysis of power generation from landfill gas by using internal combustion engine, organic Rankine cycle and Stirling engine of pilot experiments in Thailand. Energy Procedia, 2017;(128):575–579 (in Eng.).Basrawi, F. Unit sizing of biogas-fuelled Micro Gas Turbine cogeneration systems in a sewage treatment plant / Basrawi F., Ibrahim H., Yamada T. // Energy Procedia. – 2015. – Vol. 75. – P. 1052–1058.On rates of fees for negative impact on the environment and additional ratios: Decree of the Government of the Russian Federation of September 13, 2016 No. 913 (O stavkakh platy za negativnoe vozdeistvie na okruzhayushchuyu sredu i dopolnitel'nykh koeffitsientakh: postanovlenie Pravitel'stva RF ot 13.09.2016 # 913) (in Russ.).Микротурбины Capstone [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://powerquality.ru/oborudovanie/mikroturbiny/mikr oturbiny-capstone/. – Заглавие с экрана. – (Дата обращения: 18.03.2019).Basrawi F., Ibrahim H., Yamada T. Unit sizing of biogas-fuelled Micro Gas Turbine cogeneration systems in a sewage treatment plant. Energy Procedia, 2015;75:1052–1058 (in Eng.).Цены на микротурбины Capstone без иллюзий [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://meteoenergetic.ru/ceny-na-mikroturbinycapstone/. – Заглавие с экрана – (Дата обращения: 12.03.2019).Microturbines Capstone (Mikroturbiny Capstone) [E-resource]. Available on: https://powerquality.ru/oborudovanie/mikroturbiny/mikr oturbiny-capstone/. (03.18.2019) (in Russ.).Breeze, P. Chapter 5 – Piston Engine – Based Power Plants / P. Breeze. – Power Generation Technologies (Third Edition). – 2019. – P. 99–119Capstone microturbine prices without illusions (Tseny na mikroturbiny Capstone bez illyuzii) [E-resource]. Available on: http://meteoenergetic.ru/cenyna-mikroturbiny-capstone/ (03.12.2019) (in Russ.).Buffi, M. Combustion of fast pyrolysis bio-oil and blends in a micro gas turbine / M. Buffi [et al.] // Biomass and Bioenergy. – 2018. – Vol. 115. – P. 174–185.Breeze P. Chapter 5 – Piston Engine – Based Power Plants. Power Generation Technologies (Third Edition), 2019; pp. 99–119 (in Eng.).Мишланова, М.Ю. Интегральный эффект внедрения альтернативного энергоносителя – биогаза / М.Ю. Мишланова. – 2007. – С. 125.Buffi M. Combustion of fast pyrolysis bio – oil and blends in a micro gas turbine. Biomass and Bioenergy, 2018;115:174–185 (in Eng.).Техобслуживание газопоршневой электростанции [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://meteoenergetic.ru/tehnicheskoe-obsluzhivaniegazoporshnevoj-elektrostancii/. – Заглавие с экрана. – (Дата обращения: 14.03.2019).Mishlanova M.Yu. Integral effect of introducing an alternative energy carrier – biogas (Integral'nyi effekt vnedreniya al'ternativnogo energonositelya – biogaza), 2007; p. 125 (in Russ.).Мутугуллина, И.А. Сравнительный анализ газопоршневой и газотурбинной установок в контексте решения проблем энергосбережения / И.А Мутугуллина // Вестник Казанского технологического университета. – 2014. – № 23. – С. 375.Maintenance of a gas piston power plant (Tekhobsluzhivanie gazoporshnevoi elektrostantsii) [E-resource]. Available on:Неприглядная сторона Владивостока: как и где утилизируется городской мусор [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://smitsmitty.livejournal.com/119157.html. – (Дата обращения: 27.03.2019).http://meteoenergetic.ru/tehnicheskoe-obsluzhivaniegazoporshnevoj-elektrostancii/. (03.14.2019) (in Russ.).Mutugullina I.A. Comparative analysis of gas piston and gas turbine units in the context of solving energy conservation problems (Sravnitel'nyi analiz gazoporshnevoi i gazoturbinnoi ustanovok v kontekste resheniya problem energosberezheniya). Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta, 2014;23:375 (in Russ.).Mutugullina I.A. Comparative analysis of gas piston and gas turbine units in the context of solving energy conservation problems (Sravnitel'nyi analiz gazoporshnevoi i gazoturbinnoi ustanovok v kontekste resheniya problem energosberezheniya). Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta, 2014;23:375 (in Russ.).The ugly side of Vladivostok: how and where city waste is disposed (Nepriglyadnaya storona Vladivostoka: kak i gde utiliziruetsya gorodskoi musor) [E-resource]. Available on:The ugly side of Vladivostok: how and where city waste is disposed (Nepriglyadnaya storona Vladivostoka: kak i gde utiliziruetsya gorodskoi musor) [E-resource]. Available on:https://smitsmitty.livejournal.com/119157.html. (03.27.2019) (in Russ.).https://smitsmitty.livejournal.com/119157.html. (03.27.2019) (in Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.