+38 (050) 783-87-34

+38 (097) 540-85-33

  forestenergy@i.ua

 

БИОЭНЕРГЕТИКА БУДУЩЕГО

БИОЭНЕРГЕТИКА БУДУЩЕГО

Биоэнергетика. Профессор, доктор технических наук В.Г.Носач

Научный сотрудник Е.В.Скляренко

 В соответствии с Национальной энергетической программой Украины до 2010 г. потребность в топливных ресурсах составит 273 млн. т у.т./год. Сейчас Украина удовлетворяет свои потребности в топливно-энергетических ресурсах за счет собственной добычи меньшее чем на 50%, а остаток составляет импорт.

В дополнение, неуклонное сокращение мировых запасов ископаемых топлив и их постоянное подорожание превращает энергообеспечение Украины в одну из важнейших общегосударственных проблем. Одним из путей решения этой проблемы есть включение альтернативных (возобновляемых) источников энергии (солнечной, ветровой, биомассы и др.) в топливный баланс страны.

В настоящее время использование возобновляемых источников энергии в Украине находится на начальной стадии. Их доля составляет около 0,5% от всего энергетического потенциала. В то же время в агропромышленном комплексе Украины (по данным Госкомстата) накапливается биомасса, энергетический потенциал которой оценивается в более чем 7,5 млн. т у.т./год.

Подсчеты показывают, что этот энергетический потенциал биомассы мог бы удовлетворить до 10% от общего потребления энергии в Украине. Однако сегодня эти возможности практически не используются.

Как же наиболее эффективно использовать энергию биомассы в Украине? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим два пути возможного развития биоэнергетики в Украине и сравним энергетические, экологические и экономические показатели, присущие тому или другому пути.

Один – это путь, где биомасса рассматривается как сырье для производства жидкого топлива – энергоносителя для транспортных средств. Назовем его традиционным. Второй – это новый путь (предложенный в Институте технической теплофизики НАН Украины), где биомасса служит сырьем для производства горючего газа и древесного угля как энергоносителей для существующих энергоустановок (газовых и пылеугольных котлов). Назовем этот путь альтернативным.

В последние годы традиционным путем динамично развивается биоэнергетика стран ЕС. Уже сегодня почти 7-10% своих потребностей в горючем для дорожного транспорта удовлетворяют биотопливом Германия, Франция, Швеция, Испания и Италия. Представляется, что такое быстрое наращивание мощностей по производству жидкого топлива из биомассы, с одной стороны, связано со стремительным ростом мировых цен на нефть.

С другой стороны, это также поясняется отсутствием своих необходимых запасов нефти в большинства стран ЕС. Кроме того, сильным катализатором развития традиционной технологии есть еще и угроза остаться без горючего для значительного количества транспортных средств. Вместе с тем вряд ли можно признать, что избранный традиционный путь развития биоэнергетики есть наиболее эффективным, если учесть такие обстоятельства.

По оценкам специалистов ЕС для производства тех объемов биотоплива, которые обеспечили бы определенный в Директиве 2003/30/ЕС уровень замещения жидкого топлива ископаемого происхождения (25% в 2030 г.), понадобится задействовать от 4 до 13% всех сельскохозяйственных земель Европы[ 1 ]. С одной стороны, это может привести к развитию сельскохозяйственного сектора, созданию рабочих мест и улучшению инфраструктуры этих районов. С другой стороны, это может вызвать сокращение производства продуктов питания, которые также являются дефицитными уже сегодня, и, как следствие, привести к ухудшению демографической ситуации.

В условиях Украины, при урожайности (например, рапса) в 1,5-2 раза низшей, чем европейская, эти площади будут еще большими. Так, для эквивалентной замены приблизительно 1,9 млн. т дизельного горючего, которое потребляется аграрным сектором ежегодно, необходимо выработать почти 2,2 млн. т биодизеля, для получения которого нужно было бы засевать от 25 до 42% всех пахотных земель.

Существенно снижает эффективность традиционной технологии и то обстоятельство, что вследствие рассредоточения и большой влажности этой биомассы затраты на ее сбор и транспортировку возрастают до величины, которая составляет более чем 50% стоимости конечного продукта. Еще больше снижает экономическую эффективность большая энергоемкость изготовления биоэтанола. Так, при его производстве расходуется столько же (или даже большее) энергии, сколько ее содержится в полученном спирте.

При выборе традиционного пути вклад биоэнергетики в топливно-энергетический баланс страны будет не очень большой: в этом случае значительная часть биомассы остается невостребованной. Речь идет о древесине, то есть о таком виде биомассы, для производства которой используются специальные технологии. Имеются в виду технологии создания ”энергетических” лесных плантаций деревьев и кустов, которые растут очень быстро. В этом случае потребуется использовать меньше площадей земли и затраты на выращивание и сбор сырья также уменьшатся.

Биоэнергетика Древесный угольБиоэнергетика, построенная на традиционной технологии, имеет очень низкую энергетическую эффективность. Если принять, что эффективность преобразования энергии биомассы в энергию жидкого биотоплива составляет 90% (эта очень оптимистичная оценка), а эффективность преобразования энергии жидкого биотоплива в двигателе внутреннего сгорания равняется 40% (или меньше), то общая эффективность использования энергии биомассы составит всего 36%.

Альтернативный путь развития биоэнергетики есть новым и пока не используется в Украине. Хотя традиционная технология уже кое-где в Украине и начинает внедряться, однако, как это не странно, оказывается, что к широкому внедрению все-таки больше подготовлена альтернативная технология. И вот почему. Дело в том, что по альтернативной технологии производство электроэнергии и теплоты из биомассы реализуется в два этапа: первый – это этап превращения биомассы в новое топливо (газ и древесный уголь) и второй – это этап сжигания нового топлива в современных существующих энергоустановках (газовых и пылеугольных котлах). Поэтому для второго этапа не нужно ни создавать, ни строить новое энергетическое оборудование. А для осуществления энерготехнологичного преобразования биомассы на первом этапе в Институте технической теплофизики НАН Украины уже разработанна специальная установка ЭТД- 1[2]. Она прошла промышленные испытания и готова к широкомасштабному использованию. В данное время ЭТД-1 находится на территории института в рабочем состоянии.

Следует отметить, что такие преобразования биомассы, которые происходят в ЭТД-1, уже давно существуют. Речь идет об использовании для энерготехнологического преобразования хорошо известного процесса пиролиза. Он широко используется во многих странах, в основном для производства древесного угля и жидких попутных продуктов. Сегодня в мире ежегодно на производство древесного угля направляется более 400 млн. м3 дровяной древесины. Для пирллиза древесины существует много разных установок (печи Хоррешоффа, реторта Ламбиотта и Райхерта, реторта вагонного типа “Арканзас” и др.). Однако почти все эти установки имеют технологическую направленность. Как правило, конечным продуктом переработки биомассы в этих установках является такой древесный уголь, который имеет специальное назначение: для металлургии, машиностроения, бытовых потребностей и т.д., а также еще и для получения побочных продуктов пиролиза.

Установка ЭТД-1 имеет энергетическую направленность. Это аппарат непрерывного действия с ускоренным процессом пиролиза биомассы. Для этой цели в ЭТД-1 пиролиз биомассы происходит в режиме “теплового удара” (высокоскоростного нагрева). Такой нагрев реализуется в подвижном зажатом слое биомассы с помощью высокотемпературного газового теплоносителя.

Следует еще упомянуть о том, что кроме пиролиза, для переработки можно использовать и газификацию, при которой в газ превращается также и коксовый остаток (то есть древесный уголь). Однако для энергетического варианта использования биомассы все-таки переработка ее с помощью пиролиза предпочтительнее, чем газификация.

Дело в том, что пиролиз биомассы проходит намного быстрее (почти на порядок), чем ее газификация, так как в первом случае отсутствует такая очень медленная стадия, как преобразование коксового остатка в газ.

Производительность ЭТД-1 составляет 200 кг/ч древесной щепы. При этом получается примерно 50 кг древесного угля и 350 нм3 горючего газа. Такая производительность ЭТД-1 выбиралась из тех соображений, чтобы получить столько газа, сколько его необходимо для отопления котла мощностью до 1 Мвт. Конструкция ЭТД-1 модульного типа. Это позволяет повышать производительность ЭТД-1 путем увеличения числа модулей.

Стоимость ЭТД-1 составляет приблизительно 20-30 тыс. долл. США. Ее габариты: высота 3,5 м, длина 2,5 м, ширина 1,7 м, вес-7 т.

Как отмечалось, при использовании альтернативной технологии на втором этапе древесный уголь сжигается вместе с каменным углем в существующих пылеугольных котлах ТЭЦ.

Это позволяет не только существенным образом сократить затраты на создание высокоэффективной биоэнергетики Украины, но и значительно повысить экономичность работы самих пылеугольных котлов ТЭЦ.

Это можно объяснить тем, что при добавке высококалорийного малозольного древесного угля к исходному каменному углю повышается теплотворная способность такой угольной смеси. Поэтому ее можно сжигать при меньшей затрате (на 13-15%) природного газа на “подсветку”.

Важным преимуществом альтернативной технологии есть то, что преобразование энергии биомассы происходит с высокой энергетической эффективностью. Энергетическая эффективность преобразования энергии биомассы в энерготехнологической установке ЭТД-1 составляет 90%.

Если принять, что энергетическая эффективность использования на ТЕЦ энергии продуктов термохимической переработки, которые получаются в ЭТД-1, равняется приблизительно 75%, то общая энергетическая эффективность составит 67,5%. Таким образом, можно констатировать, что энергетическая эффективность альтернативной технологии почти вдвое выше традиционной.

Если смотреть в будущее то уже сегодня можно утверждать, что биоэнергетика построенная на альтернативной технологии будет имеет неоспоримое преимущество по сравнению с традиционной технологией. Дело в том, что уже сейчас просматривается такая тенденция развития автомобилестроения, которая предполагает переход транспортных средств с жидкого топлива на электроэнергию.

Об этом свидетельствует, например то, что уже в настоящее время, компания Tesla Motors начала серийный выпуск автомобиля Tesla Roadster с пробегом до 350 км на одной зарядке и то, что предполагается в следующем году мировое производство электромобилей довести до 300000 едениц в год.

Необходимо отдельно отметить, что древесный уголь широко используется в народном хозяйстве. Его используют в металлургии, машиностроении, сельском хозяйстве, быту.

Учитывая высокую калорийность древесного угля и его малозольность, представляется, что в недалеком будущем может оказаться экономически и экологически оправданным использование его еще и в качестве твердого моторного топлива. Для этого потребуется оснастить транспортные средства (например, морские и речные суда, тепловозы, трактора) бортовым газификатором. Это даст возможность вырабатывать из древесного угля силовой газ для питания двигателя.

В таблице представлены результаты расчета срока окупаемости (в месяцах) альтернативной технологии использования биомассы.

Таблица 

Цена природного газа,

Дол. США/1000 нм3

Цена биомассы, долл. США/т

1,0

3,0

6,0

179,5

5,1

5,4

5,8

250,0

3,3

3,5

3,6

314,0

2,5

2,6

2,7

При расчете окупаемости были приняты такие исходные данные.

Поскольку на сегодняшний день невозможно определить точно цену биомассы, а также прогнозировать цену природного газа, то в расчетах окупаемости приняты три возможные значения цены биомассы: 1,0; 3,0; 6,0 долл. США/т и три возможные цены природного газа: 179,5; 250,0; 314,0 долл. США/1000 нм3.

Теплотворная способность природного газа – 33488 кДж/нм3, биомассы (древесины влажностью 30%) – 12310 кДж/кг.

Основными статьями эксплуатационных затрат были: стоимость биомассы, заработная плата и амортизационные отчисления. Время работы – 8000 ч/год. Капитальные затраты – 30 тыс. долл. США.

 

ВЫВОДЫ

1. На базе предложенной (альтернативной) технологии использования биомассы в Украине может быть созданна новая биоэнергетика, энергетическая эффективность которой будет выше, чем в других странах. Так, например, энергетическая эффективность альтернативной биоэнергетики почти вдвое выше традиционной, т.е той, по которой получают жидкое топливо из биомассы в странах ЕС и США.

2. Широкое использование биомассы по предложенной альтернативной технологиии позволит Украине за три – четыре года стать в один ряд с теми странами ЕС, которые уже сегодня имеют наибольшую часть альтернативной (возобновляемой) энергии в своем топливном балансе.

3. Альтернативная биоэнергетика позволяет получать с высоким КПД полезную энергию в существующих современных энергоустановках практически со всех видов биомассы, независимо от ее происхождения (древесина, стебли кукурузы или подсолнуха, отходы деревообрабатывающей промышленности и т.д.).

4. Использование альтернативной биоэнергетики позволит уменьшить загрязнение окружающей среды, сократить количество выбросов парниковых газов, поскольку в этом случае продукты сгорания выбрасываются в атмосферу после их очистки в существующих фильтрах современных котельных установок.

5. Поскольку альтернативная биоэнергетика позволяет полезно использовать всю биомассу, а традиционная – только ее часть, это значит, что при получении одинакового количества полезной энергии из одного и того же вида биомассы по первой технологии площадь земельного участка для выращивания биомассы будет значительно меньшее, чем по второй. Итак, использование альтернативной технологии позволит сохранить значительное количество пахотных земель для выращивания пищевых продуктов.

6. Технико-экономический анализ показал, что создание в Украине альтернативной биоэнергетики не только энергетически и экологически оправданно, но и экономически обосновано. Об этом убедительно свидетельствуют возможности получить экономию природного газа в размере 7,8 млрд. нм3/год и сроки окупаемости, которые приведенные в таблицы. Так, при цене биомассы 6,0 долл. США/т и цене природный газа 179,5 долл. США/1000 нм3 (худший сценарий) срок окупаемости не превысит полгода и составит 5,8 месяцев.

 

Литература:

1.Біопальне в Європейському Союзі: Перспектива// Теорія і практика ринків. – 2007 (2). — №1. – с. 26 –36.

2.Патент Украины № 43070 от 15.11.2001, Бюл. № 10, 2001

Поделиться в соцсетях: