Биоэнергетика - важнейшее средство повышения энергоэффективности лесного комплекса России

Биоэнергетика

Для стимулирования развития рынка биотоплива разрабатывается комплекс мер по устранению этих недостатков.

ФГУП «ГНЦ ЛПК» в составе группы научных и производственных организаций в 2011 г. по заказу Минэнерго РФ принял участие в разработке проекта «Программы модернизации электроэнергетики России на период до 2020 г.». Программа впервые содержит отдельную специальную подпрограмму «Развитие возобновляемых источников энергии (ВИЭ) на период до 2020 г.». В ней сформулированы и первоочередные меры для ускорения развития биоэнергетики ЛПК, которые позволят выполнить амбициозную задачу - к 2020 г. довести долю ВИЭ в производстве электроэнергии до 4,5 %. Для этого необходимо увеличить суммарную мощности БиоТЭС России на 1010 МВт. Это потребует вовлечения в производство энергии около четверти экономически доступного ресурса древесной биомассы. Эта подпрограмма направлена в Минэнерго России, где находится на рассмотрении.

Кроме этого необходимо:

- субсидирование затрат по переводу котельных на биотопливо и обеспечение беспрепятственного доступа независимых производителей энергии к региональным тепловым и электрическим сетям

- частичное субсидирование затрат домовладельцев по установке котлов на биотопливе;

- поддержка транспортно-топливных компаний, обеспечивающих поставку биотоплива учреждениям, предприятиям и домохозяйствам.

Библиографический список

1. Серговский, П.С. Гидротермическая обработка и консервирование древесины / П.С. Серговский, А.И. Расев. - М.: Лесная пром-сть, 1987. - 360 с.

2. Левин, А.Б. Топливный ресурс лесной биоэнергетики России / А.Б. Левин // Вестник МГУЛ-Лес-ной вестник, 2010. - № 4 (73).

3. Вторичные материальные ресурсы лесной и деревообрабатывающей промышленности: (Образование и использование). Справочник.- М.: Экономика, 1983. - 224 с.

БИОЭНЕРГЕТИКА - ВАЖНЕЙШЕЕ СРЕДСТВО ПОВЫШЕНИЯ

энергоэффективности лесного комплекса россии

А.Б. ЛЕВИН, вед. науч. сотрудник ФГУП «ГНЦЛПК», проф. каф. теплотехники МГУЛ

После серьезного спада объемов производства в 2008-2010 гг. лесопромышленный комплекс России практически вернулся на уровень 2007 г. - самого успешного за последнее двадцатилетие. Можно надеяться, что в 2012 г. будет достигнут запланированный «Стратегией развития лесного комплекса Российской федерации до 2020 г.» объем заготовки древесины - 216 млн м3. В то же время радикальных изменений в развитии глубокой переработки древесины и повышении энергоэффективности отрасли не происходит. Это связано с недооценкой имеющихся ресурсов собственного относительно дешевого топлива - дровяной древесины и отходов лесозаготовительных и деревообрабатывающих предприятий.

В предлагаемой вниманию читателей работе выполнена оценка объемов потребле-

gnclpk@mail.ru ния тепловой и электрической энергии предприятиями лесного комплекса, а также объемов образующихся на них древесных отходов. Использованы официальные данные об объемах произведенной в 2011 г. лесобумажной продукции, получаемые ФГУП «ГНЦ ЛПК» в рамках постоянного мониторинга состояния лесопромышленного комплекса России, и многочисленные опытные и справочные данные об удельных нормах потребления сырья и расхода энергии.

При определении количества отходов, пригодных для использования в качестве источника энергии, применялся подход, ранее использованный в [1]. Согласно этому подходу объем отходов рассчитывается для всех деревообрабатывающих производств как

Р = г

160

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2012

Биоэнергетика

Таблица 1

Удельные нормы образования отходов

Продукция Коэффициенты

Vi k ki + k Vi

Опилки от пр-ва пиломатериалов 1,754 0,133 0,263 0,46

Фанера 2,480 0,496 0,626 1,55

Тара комплектная 3,333 0,700 0,83 2,76

Кора ЦБП 4,52 - 0,12 0,54

Древесная масса 2,62 0,58 0,7 1,83

ОСП 2,0...2,7 в среднем 2,3 0,434 0,564 1,30

Домостроение (0,5 м3/м2) 3,26 0,69 0,82 2,67

Строит. конструкции (среднее между домостроением и пиломатериалами) 2,5 0,6 0,73 1,825

Пеллеты 2,5 0,2 0,33 0,825

Древесная мука 3,5 0,42 0,55 1,95

Переплеты оконные (50,2 м3/1000 м2) 50,2 0,44 0,57 28,6

Полотна дверные (108,0 м3/1000 м2) 108 0,444 0,574 62,0

где v. - норматив расхода сырья для производства продукции, пл. м3 / пл. м3; k. - доля пригодных для энергетического использования отходов в объеме используемого сырья; kK = 0,13 - коэффициент объема коры;

V - годовой объем готовой продукции (пиломатериалов, тары комплектной, фанеры и т.д.), тыс. пл. м3.

Сведения о значениях v k. [2-6] приведены в табл. 1.

Следует заметить, что объем заготовленной древесины 196,7 млн м3 принят по данным Рослесхоза, а объемы выпуска конкретных видов лесобумажной продукции по данным Росстата, согласно которому объем необработанной древесины составил 111,5 млн м3. Традиционно эти организации применяют различные методики при определении объема заготовки древесины по всем видам рубок. Обсуждение причин этого нездорового явления выходит за пределы темы настоящей работы и за пределы компетенции автора. Тем не менее, данные Росстата позволяют более или менее точно оценить объем низкокачественной древесины, образовавшийся в ЛПК России в 2011 г. Согласно этим данным суммарный объем дровяной древесины и тонкомера, называемого в официальных таблицах жердями и кольями, составляет около 22 млн м3, или 20 % от объема заготовки.

Учет коры как ресурса биомассы, пригодной для производства энергии, выполнен

при расчете отходов для каждого конкретного вида лесобумажной продукции. Однако кора неделовой части заготовленной древесины должна быть учтена пропорционально доле этой древесины. Поэтому доля биомассы, пригодной для производства энергии, составит 0,2 + 0,2-0,13 = 0,226. Биомасса ветвей и сучьев кроны также пригодна для производства энергии, но в настоящее время в России не используется и исключена из рассмотрения.

Расчеты, результаты которых представлены в табл. 1, показывают, что годовой ресурс древесного топлива в 2011 г. составил не менее 75 млн м3.

Большая часть отходов, пригодных для энергетического использования, образуется при рубках леса и на первичных стадиях переработки древесины. В связи с этим можно считать среднюю влажность древесины пригодной для энергетического использования равной влажности свежесрубленной древесины W = 55 %. Тогда низшая теплота сгорания, определяемая как

Q; = 18 - W 75,

составит Q[ = 7,0 МДж/кг = 7,0 ГДж/т.

Средняя плотность древесины энергетического ресурса р рассчитывается как средневзвешенное значение плотностей древесины различных пород в составе ресурса. В настоящей работе принято р = 900 кг/м3.

Энергетический потенциал ресурса можно определить как

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2012

161

Биоэнергетика

Таблица 2

Образование отходов в ЛПК России, 2011г.

Производство Ресурс топлива

Продукция Ед. изм. Годовой объем производства Норма образования отходов, млн м3/ед. Ресурс топлива, млн м3 Энергетический потенциал, ПДж

Древесина необработанная млн м3 196,7 0,226 44,4542 280,1

Пиломатериалы млн м3 20 0,46 9,2000 57,96

Фанера клееная тыс. м3 3002,7 0,00155 4,6542 29,32

Плиты древесностружечные тыс. м3 6633,6 0 0,0000 0,00

Плиты древесноволокнистые млн м2 441,6 0 0,0000 0,00

Дома деревянные заводского изготовления (0,5 м3/м2) тыс. м2 110 0,00267 0,2937 1,85

Целлюлоза тыс. т 7360 0,00054 3,9744 25,04

Бумага тыс. т 4672,2 0 0,0000 0,00

Картон тыс. т 2907,1 0 0,0000 0,00

Мебель млрд руб. 107,2 0,0017 0,1822 1,15

Тара тыс. м3 266,3 0,00276 0,7350 4,63

Щепа технологическая млн м3 5,7 1,2 6,8400 43,09

Щепа топливная млн м3 0,17 1,2 0,2040 1,29

Пеллеты тыс. т 393,4 0,000825 0,3246 2,04

Шпон млн м3 0,455 0,0007 0,0003 0,00

Блоки оконные тыс. м2 969 0,00000286 0,0028 0,02

Блоки дверные тыс. м2 9052 0,0000062 0,0561 0,35

Строительные конструкции млн м3 1,16 0,46 0,5336 3,36

Древесная масса тыс. т 2043 0,00183 3,7285 23,49

ИТОГО 75,18 473,66

Таблица 3

Потребление тепловой энергии в ЛПК россии, 2011 г.

Продукция Единицы измерения Годовой объем производства Тепловая энергия

Норма расхода, млн Гкал/ед. Расход, млн Гкал

млн Гкал ПДж

Древесина необработанная млн м3 196,7 0 0,000 0,000

Пиломатериалы млн м3 20 0,436 8,720 36,537

Фанера клееная тыс. м2 3002,7 0,0015 4,504 18,872

Плиты древесностружечные тыс. м3 6633,6 0,00098 6,501 27,239

Плиты древесноволокнистые млн м2 441,6 0,00616 2,720 11,398

Дома деревянные заводского изготовления т тыс. м2 (0,5 м3/м2) 110 0,000218 0,024 0,100

Целлюлоза тыс. т 7360 0,0015 11,040 46,258

Бумага тыс. т 4672,2 0,00272 12,708 53,248

Картон тыс. т 2907,1 0,0026 7,558 31,670

Мебель млрд руб. 107,2 0,000 0,000

Тара тыс. м3 266,3 0 0,000 0,000

Щепа технологическая млн м3 5,7 0 0,000 0,000

Щепа топливная млн м3 0,17 0 0,000 0,000

Пеллеты тыс. т 393,4 0,0015 0,590 2,473

Шпон млн м3 0,455 1,5 0,683 2,860

Блоки оконные тыс. м2 969 0,0000218 0,021 0,089

Блоки дверные тыс. м2 9052 0,000047 0,425 1,783

Строительные конструкции млн м3 1,16 0,436 0,506 2,119

Древесная масса (кора) тыс. т 2043 0 0,000 0,000

Итого 56,001 234,644

162

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2012

Биоэнергетика

Таблица 4

Потребление электроэнергии в ЛПК России, 2011 г.

Продукция Единицы измерения Годовой объем производства Электроэнергия

Норма расхода, млн кВтч/ед Расход электроэнергии

млн кВтч ПДЖ

Древесина необработанная млн м3 196,7 4 786,800 2,8325

Пиломатериалы млн м3 20 37 740,000 2,6640

Фанера клееная тыс. м3 3002,7 0,052 156,140 0,5621

Плиты древесностружечные тыс. м3 6633,6 0,225 1492,560 5,3732

Плиты древесноволокнистые млн м2 441,6 2,3 1015,680 3,6564

Дома деревянные заводского изготовления тыс. м2 (0,5 м3/м2) 110 0,018 1,980 0,0071

Целлюлоза тыс. т 7360 0,338 2487,680 8,9556

Бумага тыс. т 4672,2 0,865 4041,453 14,5492

Картон тыс. т 2907,1 0,865 2514,642 9,0527

Мебель млрд руб. 107,2 0,000 0,0000

Тара тыс. м3 266,3 0,038 10,119 0,0364

Щепа технологическая млн м3 5,7 3,4 19,380 0,0698

Щепа топливная млн м3 0,17 3,4 0,578 0,0021

Пеллеты тыс. т 393,4 0,2 78,680 0,2832

Шпон млн м3 0,455 52 23,660 0,0852

Блоки оконные тыс. м2 969 0,00185 1,793 0,0065

Блоки дверные тыс. м2 9052 0,004 36,208 0,1303

Строительные конструкции млн м3 1,16 37 42,920 0,1545

Древесная масса (кора) тыс. т 2043 1,3 2655,900 9,5612

Итого 12460,254 57,9822

Э = Рот р Q/,

где Э - энергетический потенциал ресурса древесины, пригодной для энергетического использования, ПДж;

Рот - ресурс древесины, пригодной для энергетического использования, млн м3; р = 0,9 - средняя плотность древесины энергетического ресурса, т/ м3.

Расчет теоретического энергетического потенциала ресурса древесной биомассы по теплоте сгорания по (3) дает значение 473 ПДж. Разумеется, действительное количество теплоты, которое может быть использовано в технологических процессах, зависит от совершенства технологий и оборудования, используемых для производства и транспорта энергии.

К сожалению, современные удельные расходы тепловой и электрической энергии при производстве лесобумажной продукции в масштабах отрасли не определяются уже два десятилетия. Результаты энергоаудитов предприятий не обнародуются, и приходится использовать частью сведения из рекламных проспектов фирм, предлагающих свое оборудование, а частью сведения из источников 80-х гг. прошлого века [2, 4-10]. Результаты представлены в

табл. 3, 4. В соответствии с представленными в них данными потребление тепловой энергии при производстве лесобумажной продукции в 2011 г. можно оценить как 235 ПДж, а потребление электрической энергии 58 ПДж.

Чтобы сравнить потребности в энергии и энергетический потенциал ресурса древесной биомассы в ЛПК России рассмотрим два предельных варианта производства тепловой и электрической энергии на ТЭС.

Вариант 1. Вся потребляемая ЛПК энергия производится на собственных тепловых паротурбинных электростанциях с турбинами противодавления с КПД турбин и генераторов 0,75 и КПД котлов и тепловых сетей 0,8. В этом случае требуется использовать 235/0,8 + 58/0,75 = 371 ПДж теплоты сгорания древесной биомассы, что существенно меньше потенциала 474 ПДж.

Вариант 2. Вся потребляемая тепловая энергия производится паровыми и водогрейными котельными с КПД = 0,8, а вся электрическая энергия производится паротурбинными конденсационными ТЭС с эффективным КПД цикла 0,25. В этом случае требуется использовать 235/0,8 + 58/0,25 = 525 ПДж теплоты

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2012

163

Биоэнергетика

сгорания древесной биомассы, что несколько больше потенциала.

В большинстве случаев на промышленных ТЭС предприятий ЛПК используют турбины с одним или двумя регулируемыми отборами. Это позволяет за счет некоторого снижения энергетической эффективности ТЭС разорвать жесткую связь между тепловой и электрической мощностью ТЭС и произвольно изменять в относительно широких пределах обе эти величины. Можно оценить действительную потребность в теплоте сгорания топлива для полного удовлетворения предприятий ЛПК России в тепловой и электрической энергии величиной 450 ПДж. Таким образом, приведенные расчеты убедительно свидетельствуют, что ЛПК России может быть полностью обеспечен тепловой и электрической энергией, полученной с использованием собственных ресурсов древесного топлива. Напомним, что существенный ресурс ветвей и сучьев кроны, а также лигнин ЦБП исключены из рассмотрения. Себестоимость энергии, произведенной из собственного топлива, заведомо ниже действующих тарифов. Это благотворно скажется на общей экономической эффективности предприятий и позволяет надеяться на быструю окупаемость капиталовложений в собственные ТЭС[11].

Кроме того, при современном уровне потребления энергии ресурс топлива позволяет произвести около 20 ПДж энергии для реализации сторонним потребителям по рыночным ценам. К глубокому сожалению, современное российское законодательство и правила функционирования рынка энергии не только не стимулируют производство и реализацию энергии независимыми производителями, но фактически препятствуют подключению их к региональным электрическим и тепловым сетям.

Задачи, сформулированные в утвержденном распоряжением Правительства Российской Федерации от 8 января 2009 г. № 1р документе «Основные направления государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020 г.» органами исполнительной и законодательной власти решаются крайне медленно. Важнейшее направление повышения эффективности

деятельности всего лесного комплекса России практически не развивается.

В 2011 г. ЭНИН с привлечением ведущих специализированных научных и проектных организаций по заказу Минэнерго РФ разработал проект «Программы модернизации электроэнергетики России на период до 2020 г». Программа впервые содержит отдельную специальную подпрограмму «Развитие возобновляемых источников энергии (ВИЭ) на период до 2020 г.». К разработке раздела подпрограммы по направлению БиоТЭС был привлечен ФГУП «ГНЦ ЛПК». В настоящее время проект находится на рассмотрении в Министерстве энергетики. По плану документ должен быть представлен в Совет министров РФ в I квартале 2012 г

На всю программу планируется капиталовложения 11, 1 трлн. руб., на все виды ВИЭ - 0,2 трлн. руб. (2 %), на БиоТЭС 0,06 трлн. руб., (60 млрд руб.).

Предполагается к 2020 г. увеличение мощности ЭС, использующих ВИЭ, более чем в 2 раза - с 2 250 до 5 590 МВт, в том числе мощности БиоТЭС увеличатся на 1010 МВт, малых ГЭС - на 820 МВт, ВЭС - на 1310 МВт, увеличение мощности остальных ВИЭ суммарно составят 200 МВт. Выработка электроэнергии с использованием ВИЭ увеличится на 13 ТВт-ч и достигнет 22 ТВт-ч, причем почти половина этой выработки - 9,9 ТВт-ч (45 %) придется на БиоТЭС, 31 % - на малые ГЭС, 16 % - на ВЭС, 7,5 % - на ГеоЭС.

Для выполнения этой задачи необходимо резко увеличить введение новых мощностей, использующих ВИЭ. В частности, необходимо довести ежегодный ввод мощностей БиоТЭС до 150 МВт.

ГНЦ ЛПК организовал анкетирование предприятий ЛПК, намеревающихся построить собственные электростанции. Суммарная мощность предполагаемых ТЭС, которые предприятия намерены построить в ближайшие годы, составляет более 100 МВт. Этого недостаточно для выполнения Программы. Отметим, что отечественное машиностроение не сможет обеспечить выпуск основного оборудования в предусматриваемых Программой объемах.

Возможно, выполнению Программы поспособствует создание российско-китайского СП в области ВИЭ. С российской сторо-

164

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2012

Биоэнергетика

ны учредителями являются подведомственное Минэнерго России ФГБУ «Российское энергетическое агентство» и Российская топливная компания, а с китайской - Государственная электросетевая компания Китая. В план первоочередных действий СП входят строительство ТЭС с общей установленной мощностью в 3000 МВт, что втрое превышает контрольные индикаторы Программы. Предусматривается строительство биотопливных заводов с объемом производства до 500 тыс. тонн гранул (брикетов) в год, а также реализация проектов по реконструкции до 1000 отопительных котлов, работающих на биомассе в России. Экономические параметры генерального соглашения и, в частности, принципы финансирования проектов и распределения произведенной энергии между странами-участниками пока не обнародованы.

Полная загрузка ТЭС с установленной электрической мощностью 3000 МВт и присоединенной тепловой мощностью 9000 МВт потребует около 90 млн м3 древесной биомассы. Это составит более двух третей ресурса древесного топлива, которым будет располагать ЛПК России в 2020 г., если задания «Стратегии развития лесного комплекса Российской федерации до 2020 г.» будут выполнены.

Однако более трех четвертей экономически доступного ресурса древесной биомассы составляет дровяная древесина и отходы заготовки древесины, которые размещены по территории России неравномерно [1]. Сконцентрировать требуемый ресурс древесной биомассы не удастся без существенного снижения эффективности в связи с повышением транспортной составляющей цены топлива. Необходимо рассмотреть возможность и эффективность комбинирования выработки энергии ТЭС, использующих древесную биомассу, с иными возобновляемым источниками энергии.

Россия располагает значительными ресурсами агробиомассы составляющими более 2 700 ПДж, что приблизительно равно энергетическому потенциалу располагаемого (теоретического) ресурса древесной биомассы - 2666 ПДж. Особенностью распределения ресурса агробиомассы по территории России является концентрация его в тех федеральных округах, в которых относительно мала концентрация ресурса древесной биомассы.

В Северокавказском и Южном округах минимальные ресурсы древесной биомассы (суммарно 15 ПДж) и максимальные ресурсы агробиомассы (782 ПДж). В Северо-Западном (403 ПДж и 83 ПДж) и Сибирском (955 ПДж и 393 ПДж) округах соотношение обратное. Таким образом, суммарно ресурсы биомассы распределены по территории страны более или менее равномерно, что увеличивает свободу маневра при размещении БиоТЭС.

Рациональное размещение и выбор типа БиоТЭС настоятельно требует объединения усилий энергетиков, работников лесного сектора экономики и сельского хозяйства, научных работников отраслевых НИИ и проектировщиков, региональных и федеральных органов власти. В настоящее время такая координация отсутствует и это еще один серьезный барьер для развития биоэнергетики в России.

Библиографический список

1. Левин, А.Б. Топливный ресурс лесной биоэнергетики России / А.Б. Левин // Вестник МГУЛ-Лесной вестник, 2010. - № 4 (73).

2. Вторичные материальные ресурсы лесной и деревообрабатывающей промышленности: (Образование и использование). Справочник.- М.: Экономика, 1983. - 224 с.

3. Левин, А.Б. Древесина - эффективная составляющая топливного баланса страны / А.Б. Левин, Ю.П. Семенов, В. С. Суханов //Деревообр. пром-сть, 2001.

- № 4. - С. 2-5.

4. http://www.derevoobrabotka.ru/equip/mai/kd6_drevo. html

5. http://www.vektor-trade.ru/articles.php?id=110&pos=1

6. http://www.woodpeflets.com/cgibin/cms/index.cgi?ext =content&pid= 1349&lang= 1

7. Теплотехнический справочник инженера лесного и деревообрабатывающего предприятия.- 2 изд., испр./ под ред. А.Б. Левина - М.: МГУЛ, 2002. - 333 с.

8. Нормы расхода сырья и материалов в лесной и деревообрабатывающей промышленности: Справочник.

- М.: «Лесная промышленность», 1977. - 336 с.

9. Инструкция по нормированию расхода электрической и тепловой энергии в целлюлозно-бумажной промышленности. - Иваново. Мин-во лесной, целлюлозно-бумажной и деревообр. пром-сти, 1981. - 285 с.

10. http://www.ecopolis04.ru/site/53

11. Levin, A. Influence of heat and electrical loads on economic efficiency of a thermoelectric power plant using biofuels. /Proceedings of the Workshop “Bioenergy 2005”, June 16-17, 2005, Kreml museum hall, 7, Sofiyskaya str., Veliky Novgorod, Russia.

12. Панцхава Е.С. и др. //»Биоэнергетика», № 4 (9), 2007

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2012

165