Коллектив исследователей из Института физики твердого тела имени Ю. А. Осипьяна РАН, Объединенного института высоких температур РАН, МФТИ и МГУ провел масштабное технико-экономическое сравнение четырех ведущих технологий переработки свалочного газа в электроэнергию и тепло. Впервые в одном исследовании были сопоставлены не только традиционные газопоршневые двигатели и газовые микротурбины, но и высокотехнологичные топливные элементы. Работа, опубликованная в журнале Fuel, предлагает универсальную методику оценки эффективности таких проектов, учитывающую капитальные затраты и КПД, стоимость очистки газа, срок службы оборудования и плату за выбросы загрязняющих веществ.
Огромные мусорные полигоны являются источником опасного биогаза, образующегося в результате естественного разложения органики. Этот газ, преимущественно состоящий из метана и углекислого газа, а также содержащий сероводород и другие вредные примеси, представляет собой серьезную угрозу для атмосферы. Метан — парниковый газ, в десятки раз более агрессивный, чем углекислый газ.
Однако тот же самый свалочный газ — ценное топливо, которое можно сжигать для получения энергии, превращая экологическую угрозу в источник дохода. В России, по оценкам авторов, только в наиболее урбанизированных регионах, таких как Москва, Подмосковье и Санкт-Петербург, потенциал выработки электроэнергии из этого источника измеряется сотнями гигаватт-часов в год. Этого достаточно для обеспечения энергией небольших городов, но технический и экономический потенциал этого использования остается во многом нереализованным.
«Побочной стороной жизнедеятельности современных городов является необходимость хранения огромного объема мусора, и его утилизация — дорогая. Цель нашей работы — показать, что промышленные и свалочные газы могут быть не только вечной проблемой, а, наоборот, источником прибыли. Зачастую они имеют в своем составе большое количество метана, который является высококалорийным газом и может эффективно перерабатываться в электроэнергию и тепло. Но как сделать этот процесс оптимальным? Мы решили сравнить распространенные технологии превращения метансодержащих газов в электричество по целому ряду показателей и выявить наиболее рентабельную»,— рассказал об исследовании Дмитрий Агарков, заместитель директора по научной работе ИФТТ РАН, доцент ФЭМФ МФТИ.
На сегодняшний день наиболее распространенный способ утилизации свалочного газа — газопоршневые двигатели внутреннего сгорания. Они привлекают сравнительно низкой начальной стоимостью и понятной, хорошо отработанной технологией. Однако у них есть серьезные недостатки: относительно невысокий электрический КПД, большие затраты на техническое обслуживание. Но один из самых существенных минусов — образование оксидов азота при сгорании топлива, высокотоксичного вещества, способствующего образованию смога и кислотных дождей. Их выбросы строго регламентируются.
Газовые микротурбины, в свою очередь, предлагают чуть более высокую экологическую чистоту и требуют меньшего обслуживания, но их КПД также далек от идеального.
Более перспективными, с точки зрения эффективности и экологии, выглядят топливные элементы — электрохимические генераторы, которые напрямую преобразуют химическую энергию окисления топлива в электричество без процесса горения. Твердооксидные топливные элементы работают при экстремально высоких температурах (около 600°C) и способны достигать гораздо более высокого КПД, практически не производят вредных оксидов азота. Кроме того, в расплав-карбонатных элементах есть принципиальная возможность улавливать углекислый газ из отходящих газов, что делает их еще более привлекательными с экологической точки зрения. Но они крайне требовательны к чистоте газа: даже малые примеси сероводорода и кремнийорганических соединений могут их отравить и вывести из строя. Это делает системы очистки сложными и дорогими, а срок службы самих батарей пока уступает традиционным двигателям.
Для полноценного сравнительного анализа технологий авторы исследования разработали оригинальную методику расчета, которая объединяет массовый и энергетический баланс. Ученые смоделировали гипотетическую работу четырех типов электростанций на одном полигоне, используя реальные данные о составе газа и его потоке. В расчетах были учтены не только начальные капитальные вложения в оборудование и стоимость систем очистки, но и операционные расходы, включая плановые замены ключевых узлов (например, замена топливных стеков в элементах каждые несколько лет) и даже платежи за выбросы загрязняющих веществ. Этот комплексный подход позволил вычислить ключевой показатель — удельную стоимость произведенной энергии, которая и стала основным критерием для сравнения.
Для проверки точности своих расчетов исследователи использовали данные с полигона «Тимохово» в Московской области, одного из крупнейших в Европе, где успешно работают пять газопоршневых двигателей общей мощностью 10 мегаватт, которые ежегодно перерабатывают миллионы кубометров биогаза. Сопоставление расчетных показателей с реальными данными эксплуатации показало, что методика работает корректно и дает достоверные прогнозы.
Анализ показал, что с точки зрения сухой экономики газопоршневые двигатели и сейчас остаются вне конкуренции: удельная стоимость электроэнергии, выработанной на их основе, оказалась в несколько раз ниже, чем у топливных элементов. Это происходит из-за очень высокой стоимости самих топливных элементов и необходимости их дорогой замены, которая по срокам наступает довольно быстро. В структуре затрат на топливные элементы капитальные расходы достигают 99%, в то время как для двигателей внутреннего сгорания этот показатель значительно ниже. Однако исследователи подчеркивают, что ситуация в корне меняется, если смотреть на картину шире. Экологический аспект и долгосрочная перспектива однозначно на стороне топливных элементов.
«Несмотря на все очевидные экологические преимущества топливных элементов, их применение для переработки свалочного газа до сих пор остается экономически нерентабельным. Основная причина кроется в коротком сроке службы и крайне высокой стоимости ключевых компонентов. Но наша модель позволила четко определить целевые параметры, при которых топливные элементы могут уверенно конкурировать с традиционными технологиями. Например, снижение капитальных затрат до $2 тысяч за киловатт и увеличение срока службы батарей хотя бы до десяти лет»,— заключил Дмитрий Агарков.
Расчеты показывают, что при достижении этих целевых показателей удельная стоимость энергии для твердооксидных топливных элементов может сократиться с текущих $0,9–0,92 примерно до $0,19–0,28 за киловатт-час, что уже сопоставимо с современными двигателями. При этом твердооксидные элементы продолжают демонстрировать самую высокую эффективность, а расплав-карбонатные дают уникальную возможность производить из отходящих газов товарную жидкую углекислоту, создавая дополнительный источник дохода.
Исследователи планируют расширить свою модель, включив в нее прогнозные данные по изменению климата, которые могут влиять на интенсивность разложения отходов, а также более детально изучить экономику систем улавливания углекислого газа.
Научная статья: Dmitrii A. Agarkov, Sophia V. Kiseleva, Vladimir P. Shakun, Alexey B. Tarasenko, Ekaterina V. Tsipis. Technical and economic challenges for landfill gas utilization using different energy generation technologies. Fuel, Volume 381, Part A, 2026, 133693, ISSN 0016-2361. DOI: 10.1016/j.fuel.2026.139545
