Энерrетические технолоrии производства энерrии, использующие возобновляемые энерrетические ресурсы. Биотопливные технологии.

ФЕДОРОВ Михаил Петрович -
ректор ГОУ «СПбГПУ», член-корреспондент РАН, Заслуженный деятель науки РФ, Почетный работник высшего профессионального образования РФ.
В 1969 г. окончил ЛПИ, кафедру использования водной энергии.
В 1985 r. защитил докторскую диссертацию.
Область научных интересов: гидроэнергетика и охрана окружающей среды.
Автор более 300 научных публикаций, в том числе 56 учебников, пособий, монографий, авторских свидетельств и патентов на изобретения.
Лауреат премий Правительства РФ в области образования и Правительства Санкт-¬Петербурга в области технических наук.
Награжден орденами «Знак Почета», «Почета», «30 заслуги перед Отечеством» IV степени, медалью академика АН. Крылова.

ОКОРОКОВ Василий Романович
директор Международной высшей школы управления СПбГПУ.
Доктор экономических наук, профессор. Заслуженный деятель науки РФ. Действительный член РАЕН и МЭА.
Область научных интересов: экономика и управление энергетическими системами, обеспечение их надежности и риск-менеджмент в электроэнергетике. Автор более 40 монографий, учебников и более 400 научных статей и докладов на научно-практических конференциях.

ОКОРОКОВ Роман Васильевич
профессор кафедры «Экономика и менеджмент в энергетике и природопользовании» Санкт-Петербургского государственного политехнического университета (СПбГПУ). Доктор экономических наук, профессор. Родился в 1967 г. в Ленинграде.
Область научных интересов: управление технологической и финансовой устойчивостью и безопасностью энергетических систем и их моделирование. Автор 8 монографий и более 80 научных статей и докладов на научных конференциях.

Биотопливо является одним из самых распространенных возобновляемых источников энергии, используемых в мире в настоящее время, который имеет высокий технический потенциал для будущего глобального энергоснабжения. Основными потребителями биотоплива являются низкоэффективные энергетические системы пищеприготовления и отопления, а также транспортные энергетические установки, потребляющие жидкое биотопливо.

Объемы использования биомассы в мире в настоящее время точно неизвестны, однако ее использование для производства энергии экспертами оценивается примерно в 10% глобального потребления энергии всех видов, или около 1070± 240 млн т н.э. в год. [1]

Таблица 1
Параметры электростанций, использующих первичное биотопливо для проиэводства электрической и тепловой энергии

Тип преобразования энергии
Типовая мощность Эффективность, нетто Инвестиции
Анаэробическое усвоение < 10 МВт 10-15% (э/э)
60-70% (т)
Н/д
Г аз от переработки мусора
200 кВт - 2 МВт 10-15% (э/э) Н/д
Сжигание для производства тепла
5-50 кВт (т)
1-5 МВт (т)
10-20% (ос)
40-50% (п)
70-90% (тп) 23 долл./кВт (п)
370-990 долл./кВт (тп)
Сжигание для производства
электроэнергии
10-100 МВт 20-40% 1975-3085 долл./кВт
Сжигание на ТЭЦ
0,1-1 МВт
1-50 МВт
60-90%
80-100%
3333-4320 долл./кВт
3085-3700 долл./кВт
Комбинированное сжигание С углем 5-100 МВт (с)
> 100 МВт (н)
30-40% 123-1235 долл./кВт +
стоимость станции
Газификация 50-500 кВт (т) 80-90% 864-980 долл./кВт (т)
Газификация для ТЭЦ 5-1О кВт (д)
30-200 МВт (б)
40-50% и более 4320-6170 долл./кВт
1235-2470 долл./кВт (6)
Газификация для ТЭЦ с газовыми турбинами 0,1-1 МВт 60-80% 1235-3700 долл./кВт
Пиролиз для биотоплива 10 га (д) 60-70% 864 долл./кВт (т)

Примечание: э/э – электроэнергия; т – тепло; ос – открытое сжигание; п – печь; тп – топка; с – существующие; н – новые; б – будущие; д - демонстрационные

По прогнозу МЭА, использование биотоплива в мире к 2050 году возрастает почти в 4 раза и может составить 23% общего потребления первичной энергии, или 3604 млн т н.э. в год, для чего необходимо производство 15,0 млрд т биомассы. Примерно половина этого объёма будет обеспечиваться естественным приростом биомассы с полей и лесов, а другая половина потребует ее искусственного воспроизводства на соответствующих плантациях, площадь которых может составить примерно 50% всех земельных площадей Африки. Назовем оба указанных воспроизводимых вида биомассы первичным биотопливом. В отличие от них торф будем называть накопленным биотопливом.

Примерно 700 млн т н.э. в год общего объема первичного биотоплива потребуется для транспортных двигателей, примерно столько же необходимо для генерирования электроэнергии в объеме 2450 ТВТ'ч/ год, а оставшиеся 2200 млн т н.э. в год будут использованы для производства биохимических продуктов, пищеприготовления и теплоснабжения.

Рисунок 1
Многотопливная энергетическая установка с кипящим сжиганием топлива

Год установки 2001
Топливо (газовая доля):  
Торф 45%
Дрова 45%
Мазут 10%
Мощность 550 МВт
Параметры пара 165 бар
  545 °С
КПД 92%
Отпуск:  
Электроэнергия 240 МВт
Производственное тепло 100 МВт
Отопление 60МВт
Эмиссии:  
SO2 70 mg/MJ
NOx 50 mg/MJ
Частицы 30 mg/m3n

При производстве электроэнергии биотопливо в основном будет использоваться в качестве добавок к углю на ТЭС. Соответствующие техникоэкономические параметры использования биотоплива в энергетических установках приведены в табл. 1. Примеры двух энергетических установок для совместного сжигания биотоплива с углем или мазутом, а так же с его газификацией на ТЭЦ показаны на рис. 1 и 2.

Серьезное внимание в мире к производству первичного биотоплива определяется сравнительно высокой рентабельностью его производства во многих странах - Бразилии, Индонезии и др., позволяющей конкурировать биотопливу с дефицитными ныне видами минеральных энергоресурсов (нефтью, природным газом и др.), цены, на которые на мировом рынке имели устойчивую тенденцию к росту.

Однако следует иметь в виду, что производство биомассы для получения первичного биотоплива в мире может иметь и существенные отрицательные экономические и политические последствия. Известно, что площадь пашенных земель в мире неуклонно сокращается. Если в середине прошлого столетия она составляла 1,5 млрд га, то к настоящему времени - не более 1,3 млрд га. [2]

Рисунок 2
Демонстрационная ТЭЦ с газификацией биомассы в Финляндии

Наиболее крупное изъятие пашенных земель из сельскохозяйственного оборота произошло в таких странах, как Китай, Индия и Россия. Только за последнее десятилетие в Китае площадь сельскохозяйственных угодий сократилась на 62 млн га, из которых более 8 млн га - это потери пашенных земель, в Индии эти показатели составляют соответственно 45 и 11 млн га, в России - 35 и 17 млн ГО. Между тем потенциал продовольственных рынков этих стран в значительной степени определяется импортом сельскохозяйственной продукции.Тенденция сокращения сельскохозяйственных угодий характерна для большинства стран мира, за исключением стран Евросоюза, где суммарная площадь пашни неизменна в последние 30 лет и составляет 52 млн га [2].

Рисунок 3
Запасы торфа в основных странах мира, млрд. т. Источник (Статистические данные ОАО «Ростопром»)

Проблема производства первичного биотоплива в условиях сокращения земельных угодий во многих странах мира становится важным фактором обеспечения их национальной безопасности и геополитических интересов, как и проблема национального контроля над топливно-энергетическими ресурсами.

В настоящее время многими международными организациями торф также рассматривается в качестве возобновляемого топлива, поскольку торфяные месторождения представляют собой естественные биологические системы, находящиеся в стадии непрерывного роста. Так, Международная группа по изменению климата (IPCC) не рассматривает торф в качестве ископаемого топлива, а Европейский парламент включает торф в категорию биомассы как медленно возобновляемый энергетический ресурс для производства энергии.

Торфяные ресурсы широко распространены в мире (рис. 3), особенно в странах, расположенных в высоких широтах (Канада, Ирландия, Шотландия, Северная Германия, Скандинавские страны, Россия и др.) и используются во многих из них как для выработки электроэнергии (например, в Финляндии и Ирландии), так и для производства тепла в топливном балансе ЖКХ. Запасы торфа в России достигают 235 млрд т (около 70 млрд т у.т), однако его доля в топливно-энергетическом балансе страны составляет всего 0,05% [3, 4].

Особое внимание в мире придается использованию и вторичной биомассы, в виде различных видов отходов - сельскохозяйственных, промышленных, лесопереработки и пр. Отходы, образующиеся в большом количестве, занимающие значительные территории, загрязняющие окружающую среду и часто не находящие использования, являются вторичными возобновляемыми энергетическими ресурсами и представляют интерес, прежде всего, для местной энергетики. Они обладают сравнительно высоким энергетическим потенциалом и достаточно эффективно могут конвертироваться в топливо и энергию. Использование отходов в качестве вторичных энергетических ресурсов является важной составной частью энергосбережения и способствует снижению загрязнения окружающей среды.

Большой интерес представляет использование в качестве источника энергии твердых бытовых отходов (ТБО) - отходов потребления, образующихся в результате жизнедеятельности населения. Объемы накопления ТБО в современном городе составляют от 250 до 700 кг/чел. в год. В развитых странах эта величина ежегодно возрастает на 4-6%, что превышает темпы прироста населения [5, 6].

Ежегодный объем ТБО в мире оценивается в 2-3 млрд т. Примерно треть из них в той или иной мере утилизируется, а остальное захоранивается или сжигается. Сверхпроизводство мусора резко обострило проблему охраны окружающей среды от загрязнения бытовыми отходами и поставило ее в один ряд с наиболее важными проблемами современного общество. Перспектива использования бытовых отходов в энергетических целях весьма привлекательна, ток как одновременно позволяет решать проблему сохранения окружающей среды урбанизированных территорий.

Получение тепловой и электрической энергии из ТБО в основном осуществляется при их сжигании и захоронении на полигонах. По теплоте сгорания ТБО приближаются к низкокалорийным углям и могут рассматриваться как весьма распространенное, доступное, возобновляемое местное топливо, практически не требующее затрат на добычу. Из одной тонны отходов может быть получено около 0,7 МВт•ч электроэнергии и 2 МВт•ч тепловой энергии. Во многих странах эксплуатируются мусоросжигательные установки (инсенераторы), утилизирующие от нескольких десятков тысяч до миллиона и более тонн в год бытовых отходов.

Однако сжигание ТБО связано с определенными трудностями из-за низких энергетических характеристик, образования опасных соединений, обладающих высокой токсичностью. Другим активно развивающимся направлением получения энергии из ТБО является использование 6иогаза, образующегося при разложении отходов, захороненных на полигонах и свалках. При разложении одной тонны ТБО может образоваться 150-200 м3 биогаза. состоящего из метана (40-60%), углекислого газа (30-40%) и др. Ежегодная эмиссия метана (сильного парникового газа) в атмосферу со свалок мира оценивается в размере около 70 млн т (около 13% от общего выброса метана). В течение многих лет эмиссия биогаза с полигона может составлять от нескольких сотен литров в секунду (малые полигоны) до нескольких кубических метров в секунду (крупные полигоны). В зависимости от содержания метана при энергетическом использовании биогаза может быть произведено электроэнергии примерно 4-6 кВт•ч/м3

Полигоны можно считать аналогами небольших месторождений природноro газа по запасам метана. Масштабы и стабильность образования, расположение на урбанизированных территориях и низкая стоимость добычи делают биогаз, получаемый на полигонах ТБО, одним из перспективных источников энергии для местных нужд. Свалочный биогаз довольно активно используется во многих странах для производства тепловой, электрической энергии, на транспорте, в коммунально-бытовом хозяйстве и т.д.

Источники:

  1. Energy Technology Perspectives 2008, Scenarios and Perspectives to 2050. OECD/ IEA. Paris, 2008. 644 р.р.
  2. Порунов А. Н. О современной конъюнктуре мирового рынка продовольствия и стратегии биоэтанолизации России // Маркетинг в России и за рубежом. 2008. №3 (65). С. 124-132.
  3. Михайлов А. В. Торфяное топливо в условиях финансового кризиса: Доклад на научн.-практ. конференции «ТЭК России в условиях финансового кризиса: проблемы, решения, перспективы», 17.03.09. СПб., СПбГПУ.
  4. Торфяной ренессанс // Энергетика сегодня. 2009. №1-2 (2). С. 58-61.
  5. SustаinаЫе blofuels: prospects and challenges. The Royal Society. The Clyvedon Press Ltd, Cardiff, UK, 2008. 82 р.р.
  6. Панцхава Е. С, Кошкин Н. Л., Пожарнов В. А. Биомасса - реальный источник коммерческих топлив и энергии: Мировой опыт // Теплоэнергетика. 2001. №2. С. 21-25.

16.04.2012