ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОМАССЫ ДЛЯ ПОТРЕБНОСТЕЙ ЭНЕРГЕТИКИ НА РЕГИОНАЛЬНОМ УРОВНЕ
USING OF BIOMASS FOR ENERGY NEEDS AT THE REGIONAL LEVEL
Автор:
Єфимчук Андрей Иванович
Yefimchuk Andriy Ivanovich
Научный руководитель:
Mykytyn Taras Mironovich
В статье приведено сравнение структуры энергетического баланса Украины и ЕС. Проведено исследование стоимости природного газа и биомассы для промышленности и граждан. Рассмотрена возможность использования биоэнергетики на региональном уровне. Проанализированы потенциал и экономическую эффективность использования такой биомассы как энергетическая ива.
In the article it is compared the structures of energy balances of Ukraine and the EU. It is researched the cost of natural gas and biomass for industry and citizens. It is viewed the possibility of using bio-energy at the regional level. It is analyzed the potential and cost-effectiveness of the use of biomass such as energy willow.
Концепция устойчивого развития предусматривает рациональное использование природных ресурсов. Особенной актуальности этот вопрос приобрел для Украины и для других государств, которые столкнулись с проблемами обеспечения энергоресурсами промышленности и населения, что предусматривает энергетическую безопасность государства, в частности уменьшение зависимости от поставок газа. Причиной такого состояния является исчерпаемость природных ресурсов, например газа, нефти, угля. Для решения этой проблемы активно внедряется и развивается возобновляемая энергетика, которая кроме полученной энергии приводит к уменьшению негативного влияния на окружающую естественную среду.
Существуют много публикаций относительно развития возобновляемой энергетики, в частности биоэнергетики. Этими вопросами занимались в Украине , ,
Анализируя структуру потребления первичных ресурсов в Украине и ЕС, можно утверждать, что часть природного газа в энергетическом балансе Украины является очень высокой и составляла в 2010 году около 43%, что намного больше, чем в ЕС – 25,1%. В то же время, величина возобновляаемых источников энергии в энергетическом балансе Украины наоборот очень низкая – 1,6%, тогда как в ЕС эта величина равна 9,8% [6,8].
Для населения использования природного газа, на первый взгляд является дешевле, а потому выгоднее чем использования дров или брикетов (табл. 1). Однако цена на газ, который приобретает Украина очень высокая и не отвечает ценам, по которым обслуживается население. То есть государство покрывает значительную часть расходов на газ за счет средств из государственного бюджета, который несет соответствующую налоговую нагрузку на население Украины. Именно поэтому программы стимулирования развития биоэнергетики должны проводиться на уровне государства.
Таблица 1
Количество и стоимость топлива для получения 1 ГДж энергии
Топливо | Единицы измерения | Стоимость, единицы $. | Теплота сгорания, МДж/м3, МДж/кг | Количество топлива, м3, кг | Стоимость, $. |
Природный газ: | |||||
для населения при потреблении <2500 м3 | 1000 м3 | 89 | 35 | 28,6 | 2,54 |
для населения при потреблении <6000 м3 | 1000 м3 | 135 | 35 | 28,6 | 3,86 |
1000 м3 | 575 | 35 | 28,6 | 16,45 | |
для ЖКГ | 1000 м3 | 160 | 35 | 28,6 | 4,59 |
Дрова | 1000 кг | 37 | 11 | 90,9 | 3,35 |
Древесные пелети | 1000 кг | 110 | 17 | 58,8 | 6,5 |
Древесные брикеты | 1000 кг | 86 | 15 | 66,6 | 5,72 |
Солома тюки | 1000 кг | 37 | 13 | 76,9 | 2,84 |
В Украине разработан проект обновленной «Энергетической стратегии Украины на период до 2030 года» где предусмотрены изменения в структуре потребления первичных энергоресурсов. Однако, к сожалению, сохраняется значительное отставание от стран ЕС за темпами сокращения использования исчерпывающих ресурсов и увеличения использования возобновляемых источников энергии. Так, в частности, в Украине планируется увеличение потребления нефти, естественного угля и урана, в Европе же противоположные планы. Относительно темпов прироста возобновляемых ресурсов ЕС увеличит их использование до уровня 25%, а Украина – лишь до 5,7% [6,9,10].
Развитие возобновляемой энергетики в Украине имеет большие перспективы, так как государство владеет большими ресурсами биомассы, которые можно использовать для производства энергии. Согласно закона Украины «Об альтернативных видах топлива» [7], биомасса – биологически возобновляемое вещество органического происхождения, которое испытывает биологическое разложение: отходы сельского хозяйства (растениеводства и животноводства
), лесного хозяйства, и технологически связанных с ним отраслей промышленности, а также органическая часть промышленных и бытовых отходов. Биомасса может использоваться для производства тепла, электроэнергии и разных видов жидкого, газообразного и твердого топлива.
В прогнозируемом будущем биомасса будет основным видом восстанавливаемых источников энергии. Разработана «Концепция развития биоэнергетики в Украине».
Следует отметить, что рынок биомассы имеет свою специфику, поскольку отходы сельского и лесного хозяйства и их виды имеют четкую привязку к регионам. То есть северные регионы (Полесье) имеют большую лесистость и соответственно могут собирать больше отходов от работы лесного хозяйства, центральные регионы и юг (степь) – где преобладает сельское хозяйство – имеют перспективу в переработке биомассы сельского хозяйства. Поэтому при разработке программ развития биоэнергетики этот фактор будет являться определяющим. При этом стоит отметить, что рядом с традиционными видами биомассы к которым относят отходы лесного и сельского хозяйства можно использовать новые. К ним можно отнести энергетические культуры – быстрорастущие виды растений. Для северных регионов такими могут стать энергетическая ива, для центральных – энергетическая ива, тополь, мискантус, для юга – мискантус, сорго. Основным преимуществом таких культур является неприхотливость к почве и возделыванию, в сущности можно использовать территории непригодные для ведения сельского хозяйства.
Энергетическая ива отмечается низкими требованиями к почве, которая делает возможным использование непригодных для сельского хозяйства земель, характеризуется высокой стойкостью к болезням, вредителям и климатическим условиям, а также возможностью вегетативного рассаживания (из обрезанных ветвей).
Ива кустарниковая – наиболее популярная среди «энергетических ив» (то есть используемых в «энергетическом лесничестве»). Кроме того, она характеризуется в 14 раз большим приростом массы, чем у естественного леса, который дает возможность из 1 гектара плантации ежегодно получать 30-40 т древесной массы в течение 25-30 лет. Таким образом, подбивая итог реальных расходов, связанных с обслуживанием, цена 1 ГДж тепловой энергии, полученной из плантации ивы, является самой низкой из всех традиционных видов топлива [4].
Для выращивания энергетической ивы в основном подходят все сельскохозяйственные земли, которые не являются слишком тяжелыми, не слишком соленые, и не очень известковые. Ивы выдерживают периодическое покрытие водой, но не являются водяной культурой. Таким образом, ива выживает и на лугах, и территориях с периодическим затоплением водой, где выращивание обычных сельскохозяйственных культур есть очень рискованным. Но выращивание ивы на черноземных почвах лучшего качества и на гумусных песчаных почвах тоже хорошо можно реализовать, потому что на почвах лучшего качества ива дает намного больше прироста, и, следовательно, рентабельность выращивания ивы на этих типах почв может конкурировать с сельскохозяйственными культурами. [3]
Количество саженцев нужных на 1 гектар плантации может изменяться от 15000 до 50000, в зависимости от назначения плантации. Если плантация предназначена для выращивания биомассы то количество может быть меньшим: , плантация, предназначенная для выращивания кустов на рассаду можно делать гуще: саженцев.
Ива относится к легким породам древесины с плотностью 460 кг/м3 при влажности 12%. Для сравнения, сосна имеет плотность в 510-520 кг/м3 (по разным источникам). Минимальная теплота сгорания сухой ивовой древесины составляет 18,5 МДж/кг, что почти равняется аналогичному показателю хвойных пород.
При сборе урожая получают щепу влажностью 50-55% с нижней теплотой сгорания 8 МДж/кг или 1900 ккал/кг. Этого достаточно для использования ивовой щепы в современных котлах на кипящем слое, которые сегодня успешно начинают использовать в развитых странах. Если использовать щепу только на производство тепла в небольших водогреющих котлах (0,6-1 МВт), то для более эффективного сгорания нужно, чтобы щепа имела влажность 35-40%. Этого можно достичь за счет хранения биомассы под накрытым помещением с хорошей циркуляцией воздуха.
Из одного гектара плантации можно получать 7-15 тон сухой энергетической ивы на год. Для расчетов возьмем среднюю величину 10 odt (oven dry tone / полностью сухая тонна / атро-тонна – показатель, который используется для обозначения веса абсолютной сухой древесины). Низшая теплота сгорания атро-тонны составляет 18,5 ГДж/т, соответственно один гектар ивовой плантации дает 185 ГДж энергии в год, что эквивалентно 5,16 тыс. кубометров природного газа (35,88 ГДж/кг).
При сегодняшних ценах на природный газ для частных учреждений и бюджетных организаций (575 дол. за тысячу кубометров), стоимость газа, эквивалентного 1 гектара ивовой плантации равняется 2947 дол. Расчеты показывают что затраты на то, чтобы собрать и доставить 10 odt, будут составлять приблизительно 860-982 дол. (включая амортизацию биологических активов). Разница стоимости ресурсов – 1990 дол. – это повод задуматься над реконструкцией котельных установок из природного газа на биотопливо как местный вид энергоресурсов. [5]
Расходы на закладку одного гектара плантации энергетической ивы составляют приблизительно дол. Эти расходы включают у себя подготовку, садивний материал, посадку, а также расходы на досмотр в первый год и расходы на сбор урожая. Первый урожай (через 2-3 года) принесет ориентировочно дол. в зависимости от прироста, поэтому при первом цикле срезки прибыль может составить 520 дол./га/год. Однако, как и в случае выращивания любого другого растения, доходы могут изменяться в зависимости от погоды, почвы, качества и уровня ведения хазяйства, цены продажи
. Сбор урожая осуществляют с помощью комбайнов-измельчителей. Из комбайна энергетическая ива «выходит» в виде 5-30 мм щепы. Прирост из одной плантации можно собирать 8-10 раз, потому мы можем рассчитывать по крайней мере на 16-30 годовой жизненный цикл плантации. [3]
Биомасса является экономически выгодным заменителем ископаемых видов топлива. В мире постоянно растут тенденции к более эффективному природопользованию, эта сфера энергообеспечения в высокоразвитых странах вытесняет другие менее эффективные отрасли. В Украине же обновительные источники энергии развиваются с меньшими темпами. Для северных районов Украины целесообразно выращивать энергетическую иву. Она не нуждается ни в каких особенных условиях для выращивания, легко приживается на разных почвах, имеет краткий срок выращивания, высокую теплоту сгорания, является дешевой для насаждение, стойкая к болезням и вредителям. В региональном масштабе Север Украины имеет все предпосылки для ее выращивания, а главное имеющиеся земли, которые не используются, но являются пригодными для выращивания энергетической ивы.
