Біоенергетика майбутнього

Зараз Україна задовольняє свої потреби в паливно-енергетичних ресурсах за рахунок власного видобутку менша ніж на 50%, а залишок становить імпорт. На додаток, неухильне скорочення світових запасів викопних палив і їх постійне подорожчання перетворює енергозабезпечення України в одну з найважливіших загальнодержавних проблем. Одним із шляхів вирішення цієї проблеми є включення альтернативних (відновлюваних) джерел енергії (сонячної, вітрової, біомаси та ін) в паливний баланс країни.

В даний час використання поновлюваних джерел енергії в Україні знаходиться на початковій стадії. Їх частка складає близько 0,5% від усього енергетичного потенціалу. В той же час в агропромисловому комплексі України (за даними Держкомстату) накопичується біомаса, енергетичний потенціал якої оцінюється в більш ніж 7,5 млн. т у.п. / Рік. Підрахунки показують, що цей енергетичний потенціал біомаси міг би задовольнити до 10% від загального споживання енергії в Україні. Однак сьогодні ці можливості практично не використовуються.

Як же найефективніше використовувати енергію біомаси в Україні? Щоб відповісти на це питання, розглянемо два шляхи можливого розвитку біоенергетики в Україні та порівняємо енергетичні, екологічні та економічні показники, притаманні тому чи іншому шляху. Один - це шлях, де біомаса розглядається як сировину для виробництва рідкого палива - енергоносія для транспортних засобів. Назвемо його традиційним. Другий - це новий шлях (запропонований в Інституті технічної теплофізики НАН України), де біомаса служить сировиною для виробництва пального газу і деревного вугілля як енергоносіїв для існуючих енергоустановок (газових і пиловугільних котлів). Назвемо цей шлях альтернативним.

В останні роки традиційним шляхом динамічно розвивається біоенергетика країн ЄС. Вже сьогодні майже 7-10% своїх потреб у пальному для дорожнього транспорту задовольняють біопаливом Німеччина, Франція, Швеція, Іспанія та Італія. Видається, що таке швидке нарощування потужностей по виробництву рідкого палива з біомаси, з одного боку, пов'язане зі стрімким зростанням світових цін на нафту. З іншого боку, це також пояснюється відсутністю своїх необхідних запасів нафти в більшості країн ЄС. Крім того, сильним каталізатором розвитку традиційної технології є ще й загроза залишитися без пального для значної кількості транспортних засобів. Разом з тим навряд чи можна визнати, що обраний традиційний шлях розвитку біоенергетики є найбільш ефективним, якщо врахувати такі обставини.

За оцінками фахівців ЄС для виробництва тих обсягів біопалива, які забезпечили б певний у Директиві 2003/30/ЕС рівень заміщення рідкого палива викопного походження (25% у 2030 р.), знадобиться задіяти від 4 до 13% всіх сільськогосподарських земель Європи . З одного боку, це може призвести до розвитку сільськогосподарського сектора, створенню робочих місць та покращенню інфраструктури цих районів. З іншого боку, це може викликати скорочення виробництва продуктів харчування, які також є дефіцитними вже сьогодні, і, як наслідок, привести до погіршення демографічної ситуації.

В умовах України, при врожайності (наприклад, ріпаку) в 1,5-2 рази нижчою, ніж європейська, ці площі будуть ще більшими. Так, для еквівалентної заміни приблизно 1,9 млн. т дизельного пального, яке споживається аграрним сектором щорічно, необхідно виробити майже 2,2 млн. т біодизеля, для отримання якого потрібно було б засівати від 25 до 42% всіх орних земель.

Суттєво знижує ефективність традиційної технології та обставина, що внаслідок розосередження і великої вологості цієї біомаси витрати на її збір і транспортування зростають до величини, яка становить більш ніж 50% вартості кінцевого продукту. Ще більше знижує економічну ефективність велика енергоємність виготовлення біоетанолу. Так, при його виробництві витрачається стільки ж (або навіть більше) енергії, скільки її міститься в отриманому спирті.

При виборі традиційного шляху внесок біоенергетики в паливно-енергетичний баланс країни буде не дуже великий: в цьому випадку значна частина біомаси залишається незатребуваною. Мова йде про деревині, тобто про такий вид біомаси, для виробництва якої використовуються спеціальні технології. Маються на увазі технології створення "енергетичних" лісових плантацій дерев і кущів, які ростуть дуже швидко. У цьому випадку буде потрібно використовувати менше площ землі і витрати на вирощування і збирання сировини також зменшаться.

Біоенергетика, побудована на традиційній технології, має дуже низьку енергетичну ефективність. Якщо прийняти, що ефективність перетворення енергії біомаси в енергію рідкого біопалива становить 90% (ця дуже оптимістична оцінка), а ефективність перетворення енергії рідкого біопалива в двигуні внутрішнього згоряння дорівнює 40% (або менше), то загальна ефективність використання енергії біомаси складе всього 36% .

Альтернативний шлях розвитку біоенергетики є новим і поки не використовується в Україні. Хоча традиційна технологія вже подекуди в Україні та починає впроваджуватися, проте, як це не дивно, виявляється, що до широкого впровадження таки більше підготовлена ​​альтернативна технологія. І ось чому. Справа в тому, що за альтернативною технологією виробництво електроенергії та теплоти з біомаси реалізується в два етапи: перший - це етап перетворення біомаси в нове паливо (газ і деревне вугілля) і другий - це етап спалювання нового палива в сучасних існуючих енергоустановках (газових і пиловугільних котлах). Тому для другого етапу не потрібно ні створювати, ні будувати нове енергетичне устаткування. А для здійснення енерготехнологічного перетворення біомаси на першому етапі в Інституті технічної теплофізики НАН України вже розроблена спеціальна установка ЕТД-1 . Вона пройшла промислові випробування і готова до широкомасштабного використання. В даний час ЕТД-1 знаходиться на території інституту в робочому стані.

Слід зазначити, що такі перетворення біомаси, які відбуваються в ЕТД-1, вже давно існують. Мова йде про використання для енерготехнологічного перетворення добре відомого процесу піролізу. Він широко використовується в багатьох країнах, в основному для виробництва деревного вугілля і рідких попутних продуктів. Сьогодні у світі щорічно на виробництво деревного вугілля направляється більше 400 млн. м3 дров'яної деревини. Для піролізу деревини існує багато різних установок (печі Хоррешоффа, реторта Ламбіотта і Райхерта, реторта вагонного типу "Арканзас" та ін.) Однак майже всі ці установки мають технологічну спрямованість. Як правило, кінцевим продуктом переробки біомаси в цих установках є таке деревне вугілля, яке має спеціальне призначення: для металургії, машинобудування, побутових потреб і т.д., а також ще й для отримання побічних продуктів піролізу.

Установка ЕТД-1 має енергетичну спрямованість. Це апарат безперервної дії з прискореним процесом піролізу біомаси. Для цієї мети в ЕТД-1 піроліз біомаси відбувається в режимі "теплового удару" (високошвидкісного нагрівання). Такий нагрів реалізується в рухомому затиснутому шарі біомаси за допомогою високотемпературного газового теплоносія.

Слід ще згадати про те, що крім піролізу, для переробки можна використовувати і газифікацію, при якій в газ перетворюється також і коксовий залишок (тобто деревне вугілля). Однак для енергетичного варіанту використання біомаси така переробка її за допомогою піролізу переважніша, ніж газифікація. Справа в тому, що піроліз біомаси проходить набагато швидше (майже на порядок), ніж її газифікація, так як в першому випадку відсутня така дуже повільна стадія, як перетворення коксового залишку в газ.

Продуктивність ЕТД-1 становить 200 кг / год деревної тріски. При цьому виходить приблизно 50 кг деревного вугілля і 350 нм3 горючого газу. Така продуктивність ЕТД-1 вибиралася з тих міркувань, щоб отримати стільки газу, скільки його необхідно для опалення котла потужністю до 1 МВт. Конструкція ЕТД-1 модульного типу. Це дозволяє підвищувати продуктивність ЕТД-1 шляхом збільшення числа модулів.

Вартість ЕТД-1 становить приблизно 20-30 тис. дол США. Її габарити: висота 3,5 м, довжина 2,5 м, ширина 1,7 м, вага-7 т.

Як зазначалося, при використанні альтернативної технології на другому етапі деревне вугілля спалюється разом з кам'яним вугіллям в існуючих пиловугільних котлах ТЕЦ. Це дозволяє не тільки істотно скоротити витрати на створення високоефективної біоенергетики України, але і значно підвищити економічність роботи самих пиловугільних котлів ТЕЦ. Це можна пояснити тим, що при добавці висококалорійного мало зольного деревного вугілля до вихідного кам'яному вугіллю підвищується теплотворна здатність такої вугільної суміші. Тому її можна спалювати при меншій витраті (на 13-15%) природного газу на "підсвічування".

Важливою перевагою альтернативної технології є те, що перетворення енергії біомаси відбувається з високою енергетичною ефективністю. Енергетична ефективність перетворення енергії біомаси в енерготехнологічній установці ЕТД-1 становить 90%. Якщо прийняти, що енергетична ефективність використання на ТЕЦ енергії продуктів термохімічної переробки, що утворюються в ЕТД-1, дорівнює приблизно 75%, то загальна енергетична ефективність складе 67,5%. Таким чином, можна констатувати, що енергетична ефективність альтернативної технології майже вдвічі вище традиційної.

Якщо дивитися в майбутнє то вже сьогодні можна стверджувати, що біоенергетика побудована на альтернативній технології буде мати незаперечну перевагу в порівнянні з традиційною технологією. Справа в тому, що вже зараз проглядається така тенденція розвитку автомобілебудування, яка передбачає перехід транспортних засобів з рідкого палива на електроенергію. Про це свідчить, наприклад те, що вже в даний час, компанія Tesla Motors почала серійний випуск автомобіля Tesla Roadster з пробігом до 350 км на одній зарядці і те, що передбачається в наступному році світове виробництво електромобілів довести до 300000 одиниць в рік.

Необхідно окремо відзначити, що деревне вугілля широко використовується в народному господарстві. Його використовують в металургії, машинобудуванні, сільському господарстві, побуті.

Враховуючи високу калорійність деревного вугілля і його мало зольних, представляється, що в недалекому майбутньому може виявитися економічно та екологічно виправданим використання його ще й в якості твердого моторного палива. Для цього буде потрібно оснастити транспортні засоби (наприклад, морські та річкові судна, тепловози, трактори) бортовим газифікатором . Це дасть можливість виробляти з деревного вугілля силовий газ для живлення двигуна.

У таблиці представлені результати розрахунку терміну окупності (в місяцях) альтернативної технології використання біомаси.

                                                                              Таблиця

Ціна природного газу, Дол. США/1000 нм3	Ціна біомаси,  дол США / т 1,0	Ціна біомаси,  дол США / т 3,0	Ціна біомаси,  дол США / т 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 розрахунку окупності були прийняті такі вихідні дані.

Оскільки на сьогоднішній день неможливо визначити точно ціну біомаси, а також прогнозувати ціну природного газу, то в розрахунках окупності прийняті три можливі значення ціни біомаси: 1,0; 3,0; 6,0 дол США / т і три можливі ціни природного газу : 179,5; 250,0; 314,0 дол США/1000 нм3.

Теплотворна здатність природного газу - 33488 кДж/нм3, біомаси (деревини вологістю 30%) - 12310 кДж / кг.

Основними статтями експлуатаційних витрат були: вартість біомаси, заробітна плата і амортизаційні відрахування. Час роботи - 8000 год / рік. Капітальні витрати - 30 тис. дол США.

 ВИСНОВКИ

1. На базі запропонованої (альтернативної) технології використання біомаси в Україні може бути створена нова біоенергетика, енергетична ефективність якої буде вище, ніж в інших країнах. Так, наприклад, енергетична ефективність альтернативної біоенергетики майже вдвічі вище традиційної, тобто тієї, за якою отримують рідке паливо з біомаси в країнах ЄС та США.

2. Широке використання біомаси за запропонованою альтернативної технології дозволить Україні за три - чотири роки стати в один ряд з тими країнами ЄС, які вже сьогодні мають найбільшу частину альтернативної (відновлюваної) енергії у своєму паливному балансі.

3. Альтернативна біоенергетика дозволяє отримувати з високим ККД корисну енергію в існуючих сучасних енергоустановках практично з усіх видів біомаси, незалежно від її походження (деревина, стебла кукурудзи чи соняшника, відходи деревообробної промисловості і т.д.).

4. Використання альтернативної біоенергетики дозволить зменшити забруднення навколишнього середовища, скоротити кількість викидів парникових газів, оскільки в цьому випадку продукти згоряння викидаються в атмосферу після їх очищення в існуючих фільтрах сучасних котельних установок.

5. Оскільки альтернативна біоенергетика дозволяє корисно використовувати всю біомасу, а традиційна - тільки її частину, це означає, що при отриманні однакової кількості корисної енергії з одного і того ж виду біомаси по першій технології площа земельної ділянки для вирощування біомаси буде значно менша, ніж по другій. Отже, використання альтернативної технології дозволить зберегти значну кількість орних земель для вирощування харчових продуктів.

6. Техніко-економічний аналіз показав, що створення в Україні альтернативної біоенергетики не тільки енергетично і екологічно виправдано, але й економічно обґрунтовано. Про це переконливо свідчать можливості отримати економію природного газу в розмірі 7,8 млрд. нм3/год і терміни окупності, які наведені в таблиці. Так, при ціні біомаси 6,0 дол США / т і ціною природний газу 179,5 дол США/1000 нм3 (найгірший сценарій) термін окупності не перевищить півроку і складе 5,8 місяців.