Химики из приоритетной области исследований Устойчивая химия Амстердамского университета (UvA) вместе с коллегами из Института устойчивого развития Коперника Утрехтского университета опубликовали первый технико-экономический анализ преобразования отходов туалетной бумаги в электричество. В журнале Energy Technology они предлагают двухэтапный процесс и рассчитывают стоимость за кВтч, сравнимую со стоимостью бытовых фотоэлектрических установок.
Отходы туалетной бумаги (WTP) не часто считаются активом. На самом деле, большинство людей обычно предпочитают вообще не думать об этом. Тем не менее, это богатый источник углерода, содержащий 70-80% целлюлозы в пересчете на сухое вещество. В среднем жители Западной Европы производят 10-14 кг макулатуры туалетной бумаги на человека в год. Накапливаясь в муниципальных канализационных фильтрах, он составляет скромную, но значительную часть коммунальных отходов.
В то же время макулатура туалетная бумага - мечта бизнесмена, потому что это одно из немногих сырьевых материалов с отрицательной себестоимостью. Хотя это может варьироваться в зависимости от страны и региона, в Нидерландах очистные сооружения платят около 70 евро за тонну, чтобы избавиться от WTP. Таким образом, это чрезвычайно привлекательный ресурс, поскольку люди действительно будут платить вам за то, чтобы вы его убрали.
Будучи такой «настоящей тратой», WTP предлагает прекрасную возможность замкнуть циклы, повысить эффективность использования ресурсов и создать действительно замкнутую экономику. Для химиков UvA использование ВОС в качестве ресурса для выработки электроэнергии является «идеальной концепцией переработки отходов». Один только регион Амстердама производит около 10 000 тонн ВОС в год, что достаточно для обеспечения электроэнергией 6400 домов.
Более того, поскольку целлюлоза в WTP поступает из деревьев, производимая электроэнергия является возобновляемой. Это дает прекрасную возможность удовлетворить потребности общества в возобновляемых источниках энергии. Возобновляемые ресурсы часто показывают прерывистые пики. Стебли растений можно перерабатывать, но только после сбора урожая; солнечный свет доступен в дневное время (и зависит от облачности); а подача ветра так же предсказуема, как и погода. Однако использованная туалетная бумага является постоянно доступным ресурсом.
Амстердамско-Утрехтский исследовательский проект под руководством профессоров Гади Ротенберга и Боба ван де Зваана из Института молекулярных наук Университета Южной Калифорнии, предложил простой двухэтапный процесс преобразования WTP, создающий прямой путь от нежелательных отходов к полезному продукту. Магистрант Эльс ван дер Роест рассмотрел возможность комбинирования устройств для газификации ВОС (этап 1) с высокотемпературными твердооксидными топливными элементами (ТОТЭ), способными напрямую преобразовывать газ ВОС в электричество.
Цель проекта заключалась в оценке осуществимости такой системы ВОС-электроэнергия в масштабе 10 000 тонн ВОС в год на основе реальных значений параметров. Используя методы технико-экономического анализа, команда представила базовую схему процесса, общий энергетический баланс и экономическое исследование этой концепции. Данные для экспериментов и расчетов были получены в сотрудничестве с Амстердамской компанией по переработке отходов в энергию (afvalenergiebedrijf, AEB).
В статье с открытым доступом, опубликованной в международном рецензируемом журнале Energy Technology, исследователи представляют базовую конструкцию системы, а также ее выход электроэнергии и общую эффективность на основе подробных расчетов баланса массы и энергии.
Общий электрический КПД составляет 57%, как и у электростанции комбинированного цикла, работающей на природном газе. Приведенная стоимость электроэнергии (LCOE, мера, используемая для последовательного сравнения методов производства электроэнергии) составляет 20,3 цента/кВтч. В настоящее время это сопоставимо с бытовыми фотоэлектрическими установками.
Капитальные затраты на систему все еще относительно высоки, в основном из-за инвестиционных затрат на топливные элементы. Но ожидается, что они будут уменьшаться по мере развития рынка топливных элементов. Эксплуатационные расходы относительно низкие, отчасти благодаря высокому термодинамическому КПД (около 70%). Исследователи ожидают, что эффекты обучения могут сделать систему более конкурентоспособной в будущем, при этом LCOE составит около 11 центов/кВтч.
Команда проекта пришла к выводу, что у превращения туалетной бумаги в электричество есть будущее. «Когда мы обсуждаем эти результаты с компаниями, люди приходят в восторг», - говорит профессор Ротенберг. Однако ни одна голландская компания или муниципальный орган пока не готовы инвестировать в дальнейшее развитие. В настоящее время команда рассматривает возможность использования своей концепции за границей: «Возможно, мы увидим, как в Китае будет построена первая электростанция, производящая воду и воду», - говорит Ротенберг.