Перспективы биотоплива в России как основного ВИЭ для «зеленой» энергетики/А. Кропачев
Опубликовано: 13 декабря 2018 г.
2268
В последние годы во всем мире идет бурное развитие индустрии возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Одна за другой страны ставят перед собой амбициозные планы по замене традиционных электростанций, основанных на сжигании ископаемого топлива, на экологически чистые источники энергии, использующими солнце, ветер, воду и биотопливо (рис. 1).
Подписка на журнал Аква-Терм >>>
Рис. 1. Объемы рынка отопительных систем, работающих на ВИЭ, в 2002 – 2020 гг. Данные из аналитического обзора консалтинговой компании BRG Bulding Solution
Причины, побуждающие развитие ВИЭ, известны: неминуемое исчерпание ископаемого топлива и необходимость в замещении его альтернативными источниками энергии; глобальное потепление, вызываемого выбросами СО2 от сжигания ископаемого топлива, и связанные с ним негативные изменения в природе; загрязнение окружающей среды от выбросов вредных веществ в процессе добычи, переработки и сжигания ископаемого топлива на электростанциях.
- Развитие ВИЭ в России затрудняется несколькими факторами:
- низкая, относительно стран-лидеров ВИЭ, как стоимость ископаемого топлива, так и потребляемой тепло- и электроэнергии;
- высокая стоимость оборудования ВИЭ в расчете на установленную и вырабатываемую мощность;
- низкие, в среднем по России, среднегодовые потоки ветровой и солнечной энергии
- низкая, относительно стран-лидеров ВИЭ, поддержка ВИЭ-отрасли в виде финансовых стимулов и облегчения подключения микрогенераторов к электросетям.
Тем не менее, используя естественные географические и климатические преимущества России, вполне возможен полный переход в энергетике с углеводородного на возобновляемое топливо, обеспечивая России лидерство в будущей «зеленой» и «безуглеродной» мировой энергетике.
ВИЭ в России
К ВИЭ принято относить много различных видов возобновляемой энергии, но настоящее время за рамки экспериментов на промышленные объемы генерации вышли несколько типов ВИЭ: ветровые, солнечные, геотермальные, а также малые гидро- и биотопливные электростанции. Подходящие для развития энергетики на основе использования каждого из упомянутых видов ВИЭ географические условия неравномерно распределены по миру, и в России особенно. Если рассмотреть территорию России с точки зрения размещения ВИЭ, то окажется, что для солнечных электростанций по показателю инсоляции (рис. 2) подходит Южная Сибирь, Кавказ, Юг России; ветровые ресурсы сосредоточены в приморских регионах, степных зонах и горной местности. Гидротермальные электростанции стоит размещать в зонах вулканической активности на Камчатке и Курильских островах. Реки в России встречаются повсеместно, но развитие малой гидроэнергетики затрудняется неравномерностью стока и замерзанием малых рек зимой.
Рис. 2. Годовая продолжительность солнечного сияния, часы. Территории, где годовая продолжительность солнечного сияния ≥ 2000 ч, считаются благоприятными для практического использования солнечной энергии.
Естественным преимуществом для средней полосы России является возможность развития ВИЭ на биотопливе. Тем более что умеренный климат и относительно ровный рельеф на большей части России способствуют развитию широкомасштабного сельского хозяйства и товарного лесоводства и, в частности, производству биотоплива.
Рассматривая возможные пути перевода энергетики России на ВИЭ, нельзя забывать про проблему зимнего отопления. Например, потребление энергии частного дома в средней полосе зимой составляет 10-20 Квт, и более 90 % от этого идет на отопление. Если рассмотреть применение тепловых насосов, то они потребляют электрическую энергию в объеме до 30 % от выдаваемой тепловой энергии. Соответственно, для рассматриваемого дома необходимо взять «электрических» 3-6 Квт, но из каких источников, если ограничиваться ВИЭ? Например, в Подмосковье зимой выработка солнечной панели снижается по сравнению с летними месяцами в 10 раз. Если же рассматривать биотопливные когенерационные установки (КГУ), то они производят как электроэнергию, так и тепловую энергию, которая может пойти в том числе на отопление.
Биотопливо как ВИЭ
Биотопливо уже вырабатывается в мире в промышленных объемах в трех видах – газообразное, жидкое и твердое.
Газообразное биотопливо — это метан, вырабатываемый в процессе брожения органических веществ, таких как биомасса растений, отходы сельхозпродукции, продукты жизнедеятельности животных. Как ВИЭ биометан используется в основном в целях отопления, так как доведение до пригодности для ДВС требует дорогостоящих технологий и оборудования. Кроме того, для производства самого первичного биометана также необходимы существенные инвестиции в сложное металлоемкое оборудование, а процессы брожения требуют постоянного участия специалистов для контроля и поддержания особых температурных и прочих условий.
Жидкое биотопливо, такое как биодизель и этанол, применяется в транспортных средствах и вырабатывается из растений, специально выращиваемых для этих целей. При производстве этого топлива тратится практически столько же энергии (причем из нефтепродуктов), сколько выделяется при его использовании. По этим причинам жидкое биотопливо получается слишком дорогим и не является «настоящим» ВИЭ, и в настоящее время используется в основном как добавка к обычному автомобильному топливу для сокращения вредных выбросов.
Твердое биотопливо – это древесина, а также топливные гранулы или пеллеты (рис. 3, 4) и брикеты (рис. 5), формируемые из отходов переработки древесных материалов и сельхозпродукции.
Рис. 3. Древесные топливные гранулы – пеллеты
Рис. 4. Схема установки автоматизированного пеллетного котла с вакуумной подачей топлива в промежуточный бункер
Рис. 5. Топливные брикеты
Биотопливо является 100 % ВИЭ, так как при его производстве используются только те биологические ресурсы, которые образуются в природе на постоянной основе. Кроме того, при его сгорании выделяется столько же СО2, сколько поглощается растениями, используемыми при производстве биотоплива. Таким образом, никаких дополнительных выбросов парниковых газов не происходит.
Сжигание твердого биотоплива является наиболее эффективным способом получения возобновляемой энергии в российских условиях, так как:
- биотопливо позволяет эффективно одновременно генерировать как электричество, так и тепло для отопления;
- для заготовки и доведения до готовности к использованию на твердое биотопливо тратится наименьшее количество энергии и средств по сравнению с другими видами биотоплива;
- по сравнению с периодически доступными ВИЭ, такими как солнце и ветер, производство энергии из биотоплива можно регулировать независимо от метеоусловий, времени суток и сезона;
- биотопливо можно запасать и хранить с минимальными расходами, не тратясь на дорогостоящие системы аккумуляции энергии;
- климатические и географические условия России благоприятствуют эффективному и высокопроизводительному выращиванию растительной продукции, в том числе и для биотоплива.
Таким образом, в российских условиях для целей получения «зеленой» энергии круглый год наиболее эффективным является использование твердого биотоплива, и в дальнейшем под термином «биотопливо» будем подразумевать только твердое биотопливо.
Биотопливные технологии в энергетике
В вопросе перехода энергетики на ВИЭ существуют 2 основных способа использование биотоплива — отопление (и ГВС) и генерация электричества. Для отопления биотопливо используется с древнейших времен — в виде дров для костров, а затем печей и каминов. В наши дни широкое распространение получили отопительные котлы, работающие на дровах, брикетах, пеллетах и различных древесных отходах — щепе, ветках и т. д. Такие котлы находят применение для отопления самых разных объектов — от небольших частных домиков до больших зданий и предприятий.
А с генерацией электричества из биотоплива есть определенные технические трудности, полностью пока решенные только для ТЭЦ на паровых турбинах большой мощности. Следует отметить, что для повышения эффективности биотопливной электрогенерации, практически все реализованные проекты предусматривают когенерационный режим работы, чтобы вырабатываемое тепло также использовалось для практических нужд. Рассмотрим подробнее, какие технологии используются для генерации электричества из биотоплива для разных сегментов потребителей — от поселений и предприятий до частных пользователей. Как правило, электростанции большой мощности принято называть ТЭЦ (теплоэнергоцентрали), а средней и малой мощности — КГУ (когенерационные установки).
Если рассматривать сегмент электростанций от 10 МВт и выше, то здесь широко распространены паровые турбины. В Швеции, Германии, Латвии уже есть паротурбинные электростанции (ТЭЦ) на древесном топливе мощностью до 25 МВт, которые работают в режиме когенерации и снабжают потребителей тепловой и электрической энергией. В сегменте от 50 Квт до нескольких мегаватт несколькими европейскими производителями предлагаются газогенераторные когенерационные установки (КГУ), в которых ДВС питается газом, полученным в процессе пиролиза (бескислородного нагрева) древесного топлива.
Что же касается электрогенерации до 50 Квт, то в этом сегменте серийно выпускающихся установок пока нет. Наиболее перспективным видится применение двигателей внешнего сгорания, таких как паровой двигатель и двигатель Стирлинга. Особенно это касается домашних установок, так как газогенераторные технологии требуют сложной подготовки топлива и периодической разборки и чистки двигателя. Паровые турбины применимы только в «больших» мощностях, так как для достижения высокого КПД для микротурбин технически требуется высокая скорость вращения, что влечет за собой применение дорогостоящих технологий изготовления комплектующих. В настоящий момент в секторе домашних КГУ есть только несколько примеров использования двигателей внешнего сгорания, что потенциально делает эти КГУ пригодными для конвертации для работы на биотопливе.
В 2013 году немецкой фирмой OTARD была выпущена газовая КГУ lionPOWER, в основе которой был двухцилиндровый оппозитный паровой двигатель с линейным электрогенератором мощностью 2.25 Квт. Ранее сообщалось о подготовке пеллетной версии КГУ lionPOWER, но в настоящее время OTARD прекратила производство своих установок.
В 2010 году на рынке ЕС появились газовые КГУ на двигателе Стирлинга от американской компании MICROGEN. Эти КГУ с электрической мощностью до 1 Квт производились известными немецкими компаниями — VIESSMANN, SENERTEC, BAXI. Также сообщалось о планах по переводу таких установок на пеллеты, но в настоящее время в Европе КГУ с двигателем от MICROGEN больше не производятся. Единственный на сегодня производитель КГУ с этим двигателем — южнокорейская компания NAVIEN, и она недавно объявила о планах поставок в Россию своей КГУ модели HYBRIGEN. Эта модель работает на исходной газовой версии двигателя Стирлинга от MICROGEN.
Что касается России, то с 2013 года автором статьи в рамках проекта «КРОПАТ» [4] разрабатывается КГУ на паровом двигателе принципиально нового типа, с планируемой мощностью до 2.5 Квт по электричеству. В настоящее время прототип КГУ испытан при работе на газе, на ближайшее время намечена доработка прототипа для работы на пеллетах.
В целом технологии генерации электроэнергии из биотоплива существуют и прошли испытания на практике, но для повсеместного внедрения в российских условиях потребуется доработка и адаптация под местные электро- и тепловые сети, а также локализация производства для снижения стоимости. Но, учитывая высокий научный и инженерный уровень российской энергетики и энергетического машиностроения, а также то, что выработка энергии из биотоплива и углеводородного топлива имеет много общих технологий, переход на биотопливо не должен вызвать таких больших трудностей, как с другими ВИЭ.
Возможен ли 100 %-переход на ВИЭ в России?
Если сравнивать энергетики России и других промышленно развитых стран мира [2], то можно видеть, что российские показатели установленных мощностей ВИЭ (19,7% от общей мощности), благодаря развитому сектору «больших» гидроэлектростанций, составляет вполне соответствует среднему уровню. А чтобы соответствовать критериям перспективной «зеленой» энергетики, не обязательно переводить 100% оставшейся генерации на солнце и ветер, достаточно заменить на тепловых электростанциях ископаемое топливо на биотопливо. Атомные же электростанции вполне соответствуют критериям «бескарбоновой» (т. е. без выбросов СО2) энергетики и даже могли бы назваться ВИЭ, учитывая планы Росатома перевести атомную энергетику на замкнутый цикл по ядерному топливу.
Предположим, что для наиболее эффективной выработки энергии из биотоплива, все будущие электростанции на биотопливе (малые — КГУ и большие - ТЭЦ) будут работать в когенерационном режиме, как это сейчас делают крупные ТЭЦ. И будем рассматривать, в первую очередь, производство необходимого тепла для отопления, а во вторую очередь — сопутствующее производство электроэнергии.
Всего для нужд центрального отопления (котельные и ТЭЦ) в 2013 году [1] было выработано 1.51 Твт*час тепловой энергии, еще 420 Твт*час потребили частные домохозяйства при сжигании газа в своих отопительных котлах. Тогда общее количество энергии, необходимое для отопления в масштабах страны, можно оценить в 1930 Твт*час. И если заменить все отопительные котловые системы на когенерационные установки, то теоретически за отопительный сезон можно от этих КГУ (вместе с ТЭЦ) получить (при среднем КПД 25%) - 643 Твт*час электроэнергии. Это больше той электроэнергии, которую вырабатывают за год все тепловые электростанции России: 628 Твт*час.
Значит, вырабатываемого зимой электричества с запасом было бы достаточно для покрытия потребностей в нем в течение всего года. Поэтому в дальнейшем для упрощения расчетов принимаем, что, хотя работа биотопливной электрогенерации летом и возможна, но не будет задействована, а текущие потребности в электричестве летом будут покрыты, например, за счет сезонного энергообмена с другими энергосистемами, дефицитными в зимний сезон. Также нет сомнений в дальнейшем развития других ВИЭ, в частности солнечных электростанций, которые наиболее работоспособны именно в летний период.
Таким образом, минимальное годовое количество первичной энергии биотоплива, необходимое для работы биотопливных ТЭЦ и КГУ, составляет 2573 Твт*час, что соответствует 515 млн. т древесного топлива (считаем, что 1 кг древесного топлива имеет теплоту сгорания 18 Мдж). Тогда задача перевода 100 % энергетики на «зеленые рельсы» будет решена.
Хватит ли биотоплива?
Для того, чтобы произвести такое количество топливо из древесины, предлагается к рассмотрению 3 основных источника: 1) энергетические леса 2) существующее лесное хозяйство 3) сельское хозяйство. Рассмотрим по отдельности:
1) Энергетические леса — это плантации деревьев и кустарников, выращиваемые для переработки в биотопливо. Как правило, энергетические породы растений — это ива, тополь и другие. Урожайность энергетических насаждений при использовании промышленных агротехнологий достигает 7-10 тонн древесины с гектара в год. Чтобы получать необходимые 500 млн тонн в год, нужно занять энергопосадками примерно 50 млн га, что составляет около 3 % процентов всей территории страны. Это большие площади, но под такие «энерголеса» можно использовать неиспользуемые для сельского хозяйства земли — пустыри, степи, пустоши, незаселенные районы, сложные рельефы местности, и т. д. Для сравнения, лесами занято более 50% земель, а вообще освоено под хозяйственную деятельность и заселено — менее 20% от всей территории. Дополнительное преимущество разведения энергетического леса — улучшение биоразнообразия местности: растет подлесок и травяной покров, селятся наземные животные и птицы, возможна различная рекреационная и туристическая деятельность.
2) Лесное хозяйство России (рис. 6) покрывает около 51 % территории и насчитывает 82 млрд куб.м. запасов древесины. По оценкам ученых [3], в настоящий момент лесная промышленность существенно недоиспользует возобновляемый и доступный потенциал существующих лесов, который оценивается в 800 млн. тонн, а пока заготавливается ежегодно — около 500 млн тонн. Также известно, что заготавливается не более 25% по массе от исходной вырубки, а в целом только 11% превращается в готовые изделия, то есть до 450 млн тонн идет в отходы, которые представляют собой древесное сырье. Таким образом, на существующей лесной базе можно получить до 750 млн тонн биотоплива, что существенно превышает вышеуказанные потребности в 500 млн. тонн.
Рис. 6. Леса в России
3) Кроме описанной выше «лесной энергетики», существенным энергоресурсом является сельское хозяйство. При выращивании и переработке растений остается большое количество сухих отходов, пригодных для производства гранулированного биотоплива, а при выращивании домашних животных образуется отходы жизнедеятельности, которые можно переработать в биогаз. Также в биогаз перерабатываются влажные отходы растениеводства и пищевой промышленности. Сам биогаз, наряду с древесным топливом, можно сразу сжигать в котлах когенерационных установок без дополнительной обработки и очистки. Учитывая, что объемы выращивания сельхозпродукции достигают 200 млн. тонн в год по растениям и 10 млн тонн по мясу, то речь идет о десятках и сотнях миллионов тонн биотоплива в «твердом» эквиваленте.
Суммируя вышесказанное, можно сказать что энергия потенциально доступного биотоплива в России кратно превосходит текущие потребности в тепловой энергии и электричестве, вырабатываемом тепловыми электростанциями из углеводородного топлива. То есть даже с учетом всех возможных потерь при производстве, переработке, использовании биотоплива и генерации из него энергии, и теоретически и практически возможно совершить переход с ископаемого на 100%-возобновляемое топливо во всей российской энергетике. И получившаяся оценка объемов возможного производства биотоплива позволяет предположить даже круглогодичную работу биотопливных энергостанций, как это делают ТЭЦ в наши дни.
Стоит отметить еще одно преимущество биотоплива среди прочих ВИЭ — это технологии тепло- и электрогенерации, схожие с технологиями, применяемыми на существующих тепловых электростанциях. Это значит, что переход с ископаемого топлива на биотопливо может быть проще и дешевле, чем в случае с прочими ВИЭ, благодаря существующей инфраструктуре: логистике доставки топлива, технологическому оборудованию и готовым площадкам тепловых электростанций, развитому энергомашиностроению. Кроме того, для тепловой энергетики подготовлено большое количество специалистов, в этой сфере работают вузы, КБ и НИИ, и переход с одного на другое топливо позволит сохранить научно-инженерные школы и развить новые компетенции для достойной конкуренции в мировой «зеленой» энергетике.
Биотопливные технологии могут стать опорной структурой в будущей «зеленой» энергетике России, не только обеспечивая электрогенерацию и отопление зимой, но и являясь средством замещения обычной ВИЭ-генерации при неблагоприятных погодных условиях. Кроме того, при масштабном развитии индустрии производства биотоплива и генерации энергии из него, она вполне может стать одной из основных отраслей российской экономики и важной статьей экспорта.
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Структура электроэнергетики в России // Кафедра «Атомная и тепловая энергетика» Санкт-Петербургского политехнического университета им. Петра Великого — Спб, 2017
2. Теплоэнергетика и централизованное теплоснабжение России в 2012-2013 гг. // ФГБУ «РЭА» Минэнерго России — Москва, 2015
3. Писаренко А.И., Страхов ВВ. Лесное хозяйство и лесной комплекс России на перепутье //Национальное информационное агентство «Природные ресурсы» - Москва, 2016
4. Кропачев А. М. ТЭЦ на вашей кухне // Техника — молодежи. 2017. - №10. - С. 14-15.
