• Українська Республіканська Партія
  • Українська Республіканська Партія
  • Українська Республіканська Партія
  • Українська Республіканська Партія
  • Українська Республіканська Партія
  • Українська Республіканська Партія
Цілі наші шляхетні і відкриті, засоби наші чесні і мирні. Ми переможемо!

Нові технологічні рішення для розвитку біоенергетики в сільських територіях


Гументик М. Я. кандидат. с.-г. наук с. н. с.

НОВІ ТЕХНОЛОГІЧНІ РІШЕННЯ ДЛЯ РОЗВИТКУ БІОЕНЕРГЕТИКИ В СІЛЬСЬКИХ ТЕРИТОРІЯХ

Технічний і соціальний прогрес розвитку в суспільстві об’єктивно призвів до енергетичних, економічних та екологічних проблем, пов'язаних з виснаженням викопних паливних ресурсів і постійним зростанням їх вартості. Для вирішення даних проблем науковцями ведеться активний пошук ефективного використання альтернативних поновлюваних джерел енергії. Однією з найперспективніших складових відновлювальної енергетики стає біоенергетика, заснована на використанні енергії біомаси, використання якої не призводить до підсилення глобального парникового ефекту.У зв'язку з цим необхідний розвиток всіх можливих напрямків біоенергетики з урахуванням наявних природних ресурсів у різних регіонах. Однак при цьому повинна здійснюватись різнобічна ефективна техніко-економічна оцінка переваг та недоліків різних технологій виробництва біомаси, переробляння її на біопаливо і подальше його використання. В умовах постійного подорожчання викопних видів палива, які є основними для теплопостачання переважної більшості об’єктів бюджетної сфери в Україні, надзвичайно актуального значення набуло питання диференційованого вибору енергетичного обладнання та використання місцевих видів енергоресурсів в сільській місцевості. Це пов'язано не тільки з наступаючим дефіцитом вуглецевої сировини, а з проблемами екології, що супроводжується викидами в атмосферу значної кількості шкідливих речовин: оксидів азоту, вуглецю, сірки і ін. Потреба в локальних джерелах теплової та електричної енергії одержаної від переробки місцевих видів палива має зростаючу тенденцію, обумовлену економічними факторами розвитку країни. Нестримне підвищення вартості первинних енергоресурсів, нафти та природного газу веде до зростання тарифів на електроенергію і підвищення вартості комунальних послуг, значно підвищує вартість сільськогосподарської продукції за рахунок збільшення витрат на енергетичні ресурси. Переважаюча більшість існуючих муніципальних котелень працюють на природному газі збільшує собівартість виробленої енергії значно вище тарифу, який встановлений для населення, а збиток покривається за рахунок бюджетних субвенцій. Сотні сільських населених пунктів, сільськогосподарських підприємств та новостворених фермерських господарств ще недостатньо забезпечені електричною та тепловою енергією, що пов'язано з аварійним станом ліній електропередач, отже виникає потреба у збільшенні їх потужностей. Істотно також збільшується частка енергоресурсів в собівартості промислових товарів, сільськогосподарської сировини та продукції.

З огляду на те, що розвиток місцевої комунальної енергетики вимагає значних витрат, темпи зростання тарифів на електроенергію і вартість Гкал теплової енергії будуть збільшуватися, незважаючи на їх ручне регулювання та  стримування. Прогнози стверджують, що до 2020 року очікується дефіцит енергопотужностей практично по всій території України. У той же час, у зв'язку з поліпшенням економічної ситуації в країні, простежується стійка тенденція до збільшення виробництва і споживання енергії. Поряд з тим в аграрно-промисловому комплексі, лісовій та деревообробній галузі існує та кожен рік  накопичується значний потенціал відходів різноманітної органічної сировини, Починаючи з заготівлі деревини (неліквідна деревина, вершки, сучки, пні, відходи розпилювання колод: рейки, тирса, стружка, в сільському господарстві солома зернових культур, полова, стебла, качани кукурудзи, лушпиння та стебла соняшника, відходи переробки льону та інша органічна сировина) які на даний час не достатньо ефективно використовуються і можуть бути використані для виробництва теплової та електричної енергії. Швидке погіршення екологічної ситуації через накопичення відходів в різних галузях промисловості, сільському господарстві, комунальному секторі, в тому числі на стаціонарних і несанкціонованих звалищах, вимагає рішучого впровадження перспективних методів утилізації відходів. В Україні в даний час необхідно використовувати технології з низьким техногенним навантаженням на навколишнє середовище. Існуючі сміттєспалювальні технології мають значний негативний вплив на навколишнє середовище. Одна людина за добу виробляє 0,5-3,0  кг побутових і промислових відходів, в той час при використанні нових технологій та енергетичного обладнання при переробці 1 кг відходів є мождивість отримати 1-2 мсинтез газу, який можна використати для отримання теплової та електричної енергії. За оцінкою експертів та науковців, близько 50% - споживаної енергії в Україні може бути заміщена шляхом використання паливних відходів в комунальному господарстві та  с.-г виробництві, а ще 50% за рахунок спеціально вирощеної біомаси біоенергетичних культур. В Інституті біоенергетичних культур і цукрових буряків НААН України протягом 10 років проводяться комплексні дослідження з вирощування спеціальних високопродуктивних біоенергетичних культур (енергетичної верби, тополі, міскантусу, свічграсу, сорго, павловнії) для виробництва енергії та використання найбільш ефективних способів переробки органічної  сировини для отримання різних видів енергії.

Фото.1. Високопродуктивна, нова енергетична культура павловнія, 2017р.( три місяці вегетації, посаджена з культури іn-vitro).

Серед них найбільш поширеними є багаторічні високопродуктивні культури: міскантус, енергетична верба, просо прутоподібне, які вегетують на енергетичних плантаціях 15-20 років. Підготовка ґрунту для їх вирощування не вимагає великих енергетичних витрат, урожай збирають восени, взимку або навесні з використанням звичайної збиральної та спеціалізованої сільськогосподарської техніки.

Коротка характеристика біоенергетичних культур, що, є найбільш перспективними як сировина для виробництва паливної тріски та твердих видів біопалива в сільській місцевості.

Міскантус- відноситься до родини злакових (Gramineae), багаторічна трав'яниста культура з добре розвиненою кореневою системою, яка досягає більше 2,5 м глибини. Така коренева система сприяє дуже хорошому використанню елементів живлення та вологи з нижніх горизонтів ґрунту. Стебла є міцними і відрізняються великою витривалістю до механічних пошкоджень, оскільки містять значну кількість лігніну і целюлози. Рослини досить добре перезимовують, стійкі до опадів і вітру. Вимогливість міскантусу щодо води набагато вища, ніж доступні середньорічні опади – біля 600 - 700 мм на рік. Але, незважаючи на це, споживання води на продукування 1 кг сухої маси досить невисоке. Ґрунти під насадження міскантусу повинні бути нетральні (рН = 6,5), особливо протягом перших двох років вирощування, з рівнем ґрунтових вод нижче 1 м. Спосіб розмноження впливає на перезимівлю посіву першого року вирощування. Рослини, розмножені поділом кореневищ, зимують краще, ніж розмножені в культурі «in-vitro». Вищий відсоток схожості мають ризоми більше п'яти бруньок. Тривалість вирощування рослин на одному полі - до 20 років, період комерційного вирощування - близько 15 років. Біомасу можна збирати щорічно. З огляду на високий вміст целюлози і лігніну міскантус є цінною сировиною для виробництва паливних гранул високої якості. Виробничі витрати на вирощування біомаси міскантусу в різних європейських країнах на рівні 40-50 євро / т сухої речовини.

Просо прутоподібне (Panicum virgatum L.), відоме в англомовній літературі як «Switchgrass» – теплолюбна багаторічна рослина (C4), схожа на кущовий злак. Вона розмножується як насінням, так і кореневищем. Рослина має прямостоячі стебла, які досягають 0,5-2,5 м заввишки. Коренева система може досягати 3 м в глибину. Досить тривалий час просо прутоподібне використовували для рекультивації ґрунту та як кормову культуру.

Починаючи з кінця 80-х рр. ХХ століття, різновиди цієї культури використовують як трав'яну біоенергетичну культуру. Основними способами використання біомаси проса прутоподібного в Європі є виробництво теплової і електроенергії шляхом комбінованого спалювання вугілля та паливних гранул. Перевагами проса прутоподібного є: незначна потреба у використанні пестицидів, сприяння збереженню природних умов та поліпшення якості ґрунту. В процесі багаторічного вирощування на одній і тій же площі ця культура зменшує ерозію грунту. Особливо важливим фактором є використання для вирощування проса земель, непридатних для вирощування інших сільськогосподарських культур. Культура стійка до хвороб і шкідників, має низьку собівартість і малі ризики вирощування, вимагає незначних вкладень, дає високі врожаї біомаси навіть на низькопродуктивних землях. Урожайність проса прутоподібного поступово збільшується від 2-4 т/га першого року використання до 10-12 т/га - другого і до 18-20 т/га - третього. Просо прутоподібне має необхідні складові для її використання у якості біопаливної сировини: близько 50 % вуглецю та невисокий вміст золи - до 2-3 %, порівняно низький вміст калію і натрію в поєднанні з підвищеним вмістом кальцію і магнію, що сприяють високій температурі згоряння і зменшують ймовірність шлакування при спалюванні в твердопаливних котлах. Собівартість біомаси проса прутоподібного в різних країнах коливається від 20 до 40 євро т сухої речовини.

Енергетична верба. Під цією назвою найчастіше вирощують сорти та гібриди верби прутовидної(Salix viminalisL.) – виростає до 5-6 м заввишки i має велику кількість пагонів. Вона досить легко розмножується вегетативнимшляхом. Насадження верби залишаються продуктивними до 20-25 pоків, а урожай протягом цього періоду можна збирати через 2-3 роки. З 1 га плантації можна отримувати до 12-15 т сухої деревної маси щорічно. Позитивним є те, що верба стійка до морозів і посухи, до шкідників і хвороб, може рости на ґрунтах різного типу, на пагорбах, в ярах з підвищеним заляганням ґрунтових вод, на заболочених землях, на непродуктивних землях, що потребують рекультивації тощо. Біомасу енергетичної верби використовують для виробництва паливної тріски для спалювання в твердопаливних котлах. Одна тонна біомаси вологістю 40-50 % забезпечує 1 Гкал тепла, тоді як така ж кількість сухої сировини при вологості 15-20 % дає 2 Гкал тепла. Приблизно після 25 років використання вербу викорчовують, а землі використовують для інших цілей. Культура має значний потенціал продуктивності, особливо на низинних i родючих землях з хорошим водопостачанням. Річна кількість вологи, яка транспірується енергетичною вербою, на 100 мм більша, ніж у злакових культур. Нижча теплотворна здатність абсолютно сухої верби не відрізняється від інших порід деревини і становить 17,0-17,5 МДж/кг абсолютно сухої речовини

Серед широкого спектру різних існуючих технологій перспективним та економічно обґрунтованим енергетичним обладнанням для переробляння органічної сировини та спеціально вирощеної біомаси є газогенераторні печі, теплогенератори та твердопаливні піролізні котли, що працюють за принципом піролізу та газифікації з можливістю отримання дешевого теплоносія. Отримане тепло використовується в комунальному та сільському господарстві в різному технологічному промисловому устаткуванні, системах опалення, гарячого водопостачання промислово-виробничих приміщеннях і господарських спорудах, в сушильних камерах, теплицях, тощо.

Використання біомаси та органічних відходів в звичайних енергетичних установках та твердопаливних котлах прямого спалювання призводить до ускладнення конструкцій подачі, топкових пристроїв і збільшення їх габаритів, що пов'язано з низькою жаростійкістю металевих труб, та їх швидким виходом з експлуатації. Труднощів, що виникають при спалюванні целюлозної сировини, можна уникнути за рахунок термічної переробки біомаси в газоподібний енергоносій. Йдеться про отримання синтез газу в процесі газифікації біомаси та органічних відходів. Синтез газ можна ефективно спалювати в газових пальниках при хорошій організації процесу горіння; а також  використовувати в топкових пристроях для спалювання газоподібного палива в котельних агрегатах і установках. Значною перевагою синтез газу в порівнянні з твердим паливом є можливість використання його в газових турбінах для вироблення електричної та теплової енергії.Газифікація найчастіше проводиться в великих промислових газогенераторах в киплячому шарі при нестачі окислювача. Конструкції установок по газифікації різних видів палив відрізняються, але не принципово. Також близькими є параметри синтез-газу.Газифікація біомас - це отримання газу з твердої вихідної сировини. При газифікації частина вихідної сировини переходить в газоподібну форму, зі зміною хімічного складу, під впливом високих температур, каталізаторів та інших фізичних, хімічних і біологічних впливів.

Піроліз - хімічний процес розкладання вихідного складної сполуки на простіші складові під впливом високих температур (300 – 850ºС) і під час відсутності окислювача. Піроліз у присутності водяної пари називають гідропіролізом. В результаті піролізу можуть бути виділені тверді, рідкі та газоподібні при нормальних умовах речовини, згідно узагальненої формулою: БМ + тепло = С (вуглиста речовина) + смоли + СО + СО2 + Н2 + Н2О + CH4 + CnHm. Газоподібні продукти піролізу представляють газ, що містить CH4, СО, Н2, Qнр = 10-15 МДж/м3, вихід до 70% від маси сухої сировини при високотемпературному швидкому піролізі. ККД піролізу становить 80-90%. Всі розглянуті процеси отримання синтез газу з органічної сировини можна розділити за наступними стадіїями: попередня підготовка біомас, спалювання через утворення синтез газу; отримання високопотенційної теплової енергії. Найбільш перспективним напрямом є переробка біомаси саме через утворення синтез-газу.

Утилізаторна газогенераторна піч з водяним теплообмінником моделі СУП-ВТ 80М,  потужністю 80-100 кВтвиробником якої є ТОВ «Сіона». (фот.2) призначена для утилізації промислових та побутових відходів. Тепло, яке виділяється, може бути використане для сушіння деревини, опалення житлових, промислових, адміністративно-побутових приміщень, бань, гаражів та майстерень, торгових та спортивних залів, складських приміщень і т.д. об’ємом до  2000 м3 (при умові теплоізоляції приміщень та встановлення печі за межами цих приміщень або в спеціально обладнаних приміщеннях – котельнях). В утилізаторній печі використовується принцип піролізного спалювання “Ласіона”, що дозволяє досягти майже 100% згорання  сировини, не викидаючи в атмосферу летючих речовин, навіть при вологості до 70%. Газогенераторна піч для спалювання твердого палива, містить завантажувальну камеру з жаростійким реактором у вигляді усіченого конуса, меншою частиною спрямованою в низ з сквозними каналами, що зв'язують окружний канал подачі повітря для первинного окислення палива з надколосниковим простором, центральну вертикально-спрямовану в низ камеру-канал допалювання піролізного газу та частинок не догорілого палива, пов'язану з автономною дозуючою камерою подачі повітря для забезпечення рівномірної газифікації палива. Для захисту металевих частин від перегріву застосовується високотемпературна керамічна футерівка. Носієм теплової енергії можуть бути повітря та вода. Використання утилізаторної печі в сільському господарстві зокрема на зерносушарках зменшує витрати та собівартість сушіння більше як в три рази (фото 3).

Використання альтернативних технологій на основі спалювання органічної сировини  методом газифікації дозволяє  створити нові виробництва і робочі місця в сільській місцевості, при чому значно збільшити податкові надходження в місцеві бюджети. Використання в якості палива побутових відходів дозволить, окрім отримання дешевої енергії, знизити витрати на їх утилізацію. Вивільнення грошей, призначених на закупівлю і на доставку енергоносіїв, надасть можливість перерозподілу статей бюджету на користь соціальної сфери.

Фото 2. Утилізаторна газогенераторна піч з водяним теплообмінником моделі СУП-ВТ 80М.

Фото 3. Газогенераторна піч на відходах с. г виробництва потужністю 1,5 МВт, обладнана для сушки зерна.

Cеред широкого спектру технологій переробляння біомаси саме  газифікація є ефективними та привабливі тим, що дозволяють отримувати екологічно чисте паливо та енергоносії з низькою собівартістю,

2. На формування кон'юнктури національного ринку обладнання для термохімічної конверсії біомаси впливають три основні чинники:

• динаміка подорожчання традиційних викопних видів палива;

• інвестиційна криза, наслідком якого є відсутність на національному ринку іноземних виробників біогазових та газогенераторних установок;

• динаміка розвитку ринку біопалива, яка ініціює швидке зростання попиту на установки і обладнання для виробництва біопалива.

3. У структурі собівартості виробництва продукції енергетична складова має переважне значення. Тому з урахуванням різкого подорожчання і дефіциту висококалорійних енергоносіїв на основі викопних палив виникла необхідність створення технологій і устаткування для отримання теплової та електричної енергії з поновлюваних і місцевих видів палива (відходи с/г виробництва, промислові відходи, біомаса спеціально вирощених біоенергетичних культур), вартість яких в даний час приблизно в 4-6 разів нижче вартості нафтопродуктів.

4. Виробництво енергії з відходів біомаси може бути конкурентноспроможним вже сьогодні, навіть при закупівлях іноземного обладнання. За певних умов, таких як низька вартість сировини  виробництво якісного генераторного газу з відходів біомаси буде більш рентабельним, ніж виробництво традиційних енергоносіїв, вартість яких динамічно зростає. Ефективним обладнанням нового покоління для виробництва енергії служать газові мікротурбіни, які працюють на низькокалорійних піролізних газах різного компонентного складу і які не потребують значної очистки, та біогазі при мінімальних викидах в атмосферу NOx-9 мг/м3; СО-46мг/м3. Виробниками мікротурбін пропонується широкий діапазон потужностей від 15-100 кВт до 2-10 МВт, що надає можливість встановлювати генератори електричної енергії безпосередньо до споживача без великих газосховищ.

5. Широке застосування нових технологій в біоенергетиці дасть можливість замістити в Україні четверту частину споживаного природного газу, так як біометан можна використовувати для вироблення теплової електричної і енергозабезпечення ЖКГ паливом. З огляду на те, що розвиток комунальної енергетики вимагає значних витрат, темпи зростання тарифів на електроенергію і вартість Гкал теплової енергії будуть збільшуватися, з  іншого боку в силу ряду об'єктивних причин близько половини території України не може бути забезпечена централізованим енергопостачанням. Існуючі котельні і міні-ТЕЦ працюють на привізному дорогому паливі, що збільшує собівартість виробленої енергії значно вище тарифу, що встановлюється для населення, а збиток покривається за рахунок бюджетних субвенцій.

6. Біоенергетика в її сьогоднішньому стані поки не є безальтернативною заміною вуглеводневій енергетиці на найближчу перспективу, однак, уже зараз вона може стати важливим елементом для стримування дефіциту на вуглеводневу сировину, та запорукою енергобезпеки споживачів.



Українська Республіканська Партія - офіційний сайт
Всі матеріали на сайті захищені згідно законодавства України