Энергия для малодоступных регионов

Россия по потенциальным запасам биомассы занимает лидирующие позиции в мире.
Фото Олега Ласточкина (НГ-фото)

Среднесрочные прогнозы о появлении дефицита электроэнергии для потребителей, оценки экспертов об истощении существующих природных запасов углеводородного сырья и росте капиталоемкости освоения новых, увеличение рисков и масштабов негативных последствий в случае нарушения работы и вывода из строя транспортных инфраструктур, политическая и экономическая зависимость от поставщиков энергоресурсов – все это объективно приводит к необходимости и целесообразности проведения во многих странах научных поисков альтернативных видов сырья и технологий получения тепла и электроэнергии.

Одним из таких направлений является разработка новых конкурентоспособных импортозамещающих отечественных технологий с целью создания на их основе безотходного энергосберегающего производства тепловой, электрической и химической энергии. Практическое использование результатов исследований этого направления отнесено к приоритетным в Федеральной целевой программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям научно-технологического комплекса России на 2007–2012 годы».

К 2010 году Европейский союз поставил цель довести количество потребляемой энергии из возобновляемых источников (биомассы) до 12% относительно других видов энергии. В отдельных странах вклад биомассы в общем потреблении первичных энергоносителей уже составляет существенную долю: в США – 3,2%, Дании – 8, Австрии – 11, Швеции – 19, Финляндии – 21%. Президент США заявил о реализации «зеленой энергетики», которая позволит к 2012 году обеспечить 25% общей потребности нью-йоркского мегаполиса в электроэнергии.

На местных видах энергоисточников

Для получения тепловой и электрической энергии из биомассы используются местные виды топлива. Понятие «биомасса» включает в себя древесные отходы, отходы лесопромышленного и целлюлозно-бумажного комплекса, сельскохозяйственного производства, энергетические травы, солому, навоз, шелуху, торф, сапропель, бытовые отходы, специально выращенные древесно-кустарниковые культуры и другие виды.

Российская Федерация по потенциальным запасам биомассы (отходы лесопромышленного производства, неиспользуемые земли и пашни для выращивания различных травяных культур и другие) занимает лидирующие позиции в мире. Достаточно сказать, что один гектар энергетической плантации (свербага, сида многолетняя, козлятник и т.д.) может обеспечить экологически чистым топливом производство электроэнергии в объеме 25,2 МВт-ч.

Совершенно очевидны преимущества использования биомассы в качестве ВИЭ: как местный вид топлива биомасса доступна во всех регионах, где имеется древесная растительность, возможно выращивание сельхозкультур, образуются отходы жизнедеятельности человека и производственной деятельности; биомасса как сырье универсальна, из нее можно получить все основные энергоносители; биомасса экологически благоприятна; использование биомассы в труднодоступных и малонаселенных регионах решит проблему тепло- и электроснабжения.

Основная цель проекта создания и промышленного использования биоэнергетических установок – обеспечение дешевыми энергоресурсами промышленных, социальных и бытовых объектов, включая удаленные и малонаселенные территории, регионы, не имеющие собственных запасов ископаемых ресурсов, улучшение экологической обстановки в регионе, привлечение инвестиций и развитие экономики.

Проект направлен на решение ряда основных вопросов. В их числе социальный эффект, так как развитие альтернативной технологии выработки энергоресурсов будет способствовать расширению различных объектов социальной инфраструктуры, реализации национального проекта «Доступное жилье», в частности обеспечению новостроек тепловой и электрической энергией по сниженным тарифам; уменьшению зависимости районных и муниципальных энергосистем от централизованных поставщиков; исключению необходимости дорогостоящей газификации малонаселенных сельских районов. Экономический эффект сводится к тому, что проект альтернативной энергетики может внести серьезный вклад и в реализацию национального проекта «Развитие агропромышленного комплекса» за счет создания дополнительных рабочих мест и доходов, связанных с заготовкой биомассы, ускоренной модернизацией сельскохозяйственного производства на основе использования более доступных и дешевых энергоресурсов. При этом создаются предпосылки для сокращения бюджетных издержек в рамках программ по поддержке фермеров и крестьянских хозяйств.

Использование более доступных и экономически выгодных энергоресурсов формирует условия для совершенствования технологических промышленных установок, повышения их технического уровня, выпуска более конкурентоспособной продукции, повышения экспортного потенциала предприятий и страны в целом. Не следует забывать и об экологическом эффекте. Использование технологии биоэнергетики позволит уменьшить количество всевозможных отходов и решить проблему их утилизации, улучшить экологическую обстановку за счет перевода котельных, работающих на мазуте и угле, на экологически выгодный вид топлива.

Ввод в действие 5000 МВт электрогенерирующих мощностей, работающих на биомассе, позволит сформировать дополнительную годовую квоту по углекислому газу в рамках Киотского протокола в объеме 150 млн. т на сумму 2,2 млрд. евро.

Сформулированная выше цель проекта достигается путем разработки комплекса инновационных, конкурентоспособных технологий и создание на их основе типового ряда обладающих мировой новизной установок для получения тепловой, электрической и химической энергии из возобновляемого растительного сырья.

Особенности российского подхода

Технические решения по созданию новых технологий производства тепла и электроэнергии из биомассы предусматривают формирование патентного «портфеля», включающего решения по конструкциям биоэнергетических установок, способам получения энергоресурсов. Патентование этих решений в России и за рубежом позволит установить приоритет страны на данные объекты интеллектуальной собственности, и следовательно, получение дополнительных доходов от возможного предоставления прав на их использование зарубежными компаниями. В России авторами запатентованы следующие технические решения: 1. Устройство для сжигания биомассы, которое позволит при промышленном производстве тепла перейти с жидкого нефтяного топлива на твердое органическое топливо без замены котельного агрегата. 2. Способ дискретного сжигания биомассы и получения топочного газа для котельного оборудования, который позволит при промышленном производстве тепла перейти с жидкого нефтяного топлива на твердое органическое топливо без замены котельного агрегата. 3. Устройство для получения синтез-газа и полукокса пиролизом биомассы. 4. Способ получения синтез-газа и полукокса пиролизом биомассы (широкий спектр органического сырья при максимальном использовании тепловой энергии биомассы).

В ходе реализации проекта предусматривается производство тепловых агрегатов дискретного сжигания биомассы, позволяющих переоборудовать 30 000 мазутных котельных, работающих в России с использованием биомассы; производство пиролизных газогенераторов, способных стать основой локальных электрогенерационных мощностей в диапазоне от 50 кВт до 10 МВт. Это позволит решить вопрос муниципального и поселкового теплоэнергоснабжения с использованием местных ресурсов; производства стандартных блоков биомассы, способных обеспечить бесперебойное соблюдение регламентных норм на химических предприятиях, использующих синтез-газ; разработки оборудования, обеспечивающего предварительную подготовку биомассы для установок производства тепловой, электрической и химической энергии.

На первом этапе авторами проекта разработана, изготовлена и прошла испытания полезная модель тепловой биоустановки мощностью до 5 МВт. Была поставлена техническая задача разработать устройство для сжигания биомассы, в котором получают высокотемпературный поток горящего газа, не уступающий по своим характеристикам топочным газам горелок на жидком нефтяном топливе. Устройство встраивается в котельный агрегат вместо горелки жидкого топлива и обеспечивает теплообменники котла топочными газами. При этом практически не снижается тепловая производительность котла и КПД использования топлива. Сформированная газовая смесь из воздуха и газообразного горючего, получаемого в устройстве из сжигаемой биомассы, окончательно дожигается в камере сгорания котельного устройства. Это позволяет подать на теплообменники котла газовый факел температурой 12 0000 С. Установка камер сжигания осуществляется в короткие сроки, а автоматическая работа облегчает эксплуатацию оборудования. Влажность сжигаемого топлива не должна превышать 35%, а для торфа и бурого угля – 25%. При более высокой влажности топливо необходимо предварительно высушить.

Надо отметить, что сегодня на рынке представлены котельные агрегаты, позволяющие сжигать растительную биомассу в виде крупных кусков (Wartasila), специальных прессованных гранул – пилет (Hoval) или стружки (оборудование Siemens). Однако перевод котельной на биомассу по таким технологиям требует комплектной поставки импортного оборудования, что затрудняет широкое применение данных технологий в России.

Отечественная разработка в сравнении с западными аналогами демонстрирует более экономичные характеристики уже на инвестиционном этапе. Так, тепловая котельная Wartasila мощностью 12 МВт стоит 3,2 млн. евро, а переделка двух мазутных котлов ДКВР-6 той же производительности по новой отечественной технологии обойдется примерно в 270 тыс. евро. Кроме того, новое решение позволяет переоборудовать существующие мазутные котельные под использование биомассы без потери производительности и КПД котлов.

Предположительная цена биоэнергетической установки будет определяться исходя из окупаемости инвестиций у потребителя за счет снижения затрат на потребляемую теплоэнергию, вырабатываемую из биомассы, по сравнению с вариантом использования в качестве сырья мазута в течение 0,5 года. Согласно расчетам годовой экономический эффект у потребителя от использования новой установки мощностью 6 МВт и биомассы в качестве сырья взамен мазута для выработки тепловой энергии составит около 25 млн. руб.

При разработке технологии и устройства для получения электрической энергии планируется создание технологии каталитического пиролиза биомассы и устройства для его реализации, позволяющего вырабатывать высококалорийный синтез-газ для дальнейшего его использования в промышленном производстве электроэнергии газопоршневыми, турбинными или паровыми установками. На пиролизном газогенераторном устройстве будет получаться синтез-газ калорийностью не менее 3 500 ккал/нм3, который не будет содержать вредных для энергетических машин поршневого или турбинного типа смолистых соединений и твердых примесей.

Для получения химической энергии предусматривается разработка составов биомассы и каталитических добавок, позволяющих получать синтез-газ в промышленных количествах, необходимых для проведения основных химических синтезов. При этом синтез-газ не будет содержать серы и других вредных для промышленных катализаторов примесей.

Анализ полученных результатов исследований по разработке уникальных отечественных технологий выработки энергоресурсов позволяет предложить реальный путь снижения сырьевого характера российской экономики, ускорения развития действующих и новых перерабатывающих производств и, как следствие, роста валового внутреннего продукта страны.