Михаил Аким
Древесные и сельскохозяйственные отходы можно использовать для производства пеллет и брикетов, в том числе для отопительных систем. Кадр из видео с канала KRONE International на YouTube
Если рассматривать комплексно все виды воспроизводимых источников энергии, то можно проанализировать, какой синергетический эффект может быть при этом получен в зависимости от региона применения. С другой стороны, обобщая мировой опыт, в том числе опыт Китая, Индии, Бразилии, Соединенных Штатов, и сопоставляя его с российским, по-видимому, можно наметить те пути, которые будут интересны и для России, и, как нам представляется, для стран БРИКС, и прежде всего для Индии. Индия – это страна не только самая большая в мире по населению, но и демонстрирующая в последние годы фантастические темпы роста с максимальным учетом как экономических, так и экологических факторов.
Показательным примером является проблема сжигания на полях соломы и других сельскохозяйственных отходов. Сегодня в Индии это является не столько проблемой энергетики, использования воспроизводимых энергетических ресурсов, но прежде всего это проблема экологии и, более того, здравоохранения. Потому что, когда на полях сжигают солому между двумя урожаями, в ближайших городах людям нечем дышать. Кстати, это возвращает нас к теме интеграции лесов в городах, проблемам, которым сегодня уделяют большое внимание Лесной комитет и Европейская экономическая комиссия ООН и Продовольственная и сельскохозяйственная организация (ФАО) ООН. Поэтому, говоря о биотопливе, мы приходим к проблеме городских лесов и возможности использования этих лесов, с одной стороны, как фактора улучшения атмосферы, а с другой – для получения биотоплива и его использования в городах.
Если превратить солому в твердое топливо, пеллеты или брикеты, то солома становится вполне транспортабельным видом биотоплива. Однако у этого биотоплива есть своя специфика – это прежде всего высокое содержание кремния. Поэтому эти соломенные пеллеты или брикеты должны сжигаться в многотопливных котлах, в которых кипящий слой создается песком, то есть диоксидом кремния. В этих печах образуются два вида золы – так называемая зола «подовая» и «летучая зола». Методы улавливания летучей золы общеизвестны – это прежде всего высококачественные электрофильтры, циклоны и т.д. Такая система является вполне экологичной и позволяет всю солому, образующуюся в Индии, особенно между двумя урожаями, эффективно превратить в энергию.
Совершенствование процесса горения
Когда мы говорим о синергизме при использовании различных видов возобновляемых источников энергии (ВИЭ), то надо еще раз подчеркнуть – основным достоинством твердого биотоплива является возможность его использования для обогрева индивидуальных домов или муниципальных объектов без строительства тепловых коммуникаций, то есть нет необходимости строительства инфраструктуры централизованного теплоснабжения. Надо сразу сказать, что фантастически быстрое распространение в Западной Европе пеллетных отопительных систем было связано с тем, что в этих системах обеспечивается очень высокий коэффициент полезного действия. Это происходит благодаря использованию в них современной компьютерной техники и современных датчиков – лямбда датчиков, получивших огромнейшее распространение при переходе от автомобильных карбюраторных двигателей к двигателям с электронным впрыском.
Благодаря таким системам обеспечивается двух- и трехступенчатое сжигание твердого биотоплива и резко возрастает коэффициент полезного действия (КПД) всей системы. Дополнительное охлаждение отходящих газов ниже точки росы позволяет еще больше увеличить КПД.
В понятие «Взвешенные частицы» (particulate matter, PM) входят и твердые частицы, включая пыль, и жидкие капельки, всевозможные органические соединения. Мелкие частицы размером менее 10 и 2,5 микрон – РМ10 и PM2,5 являются объектом мониторинга загрязнения атмосферного воздуха и оказывают негативное воздействие на здоровье. Чтобы выделить именно нагревающее атмосферу воздействие, физически правильно выделять свето-абсорбирующий углерод (light-absorbing carbon), который представляет собой сумму черного углерода и коричневого углерода (brown carbon, BrC). Говоря о технологиях сжигания, нельзя не упомянуть черный углерод. Черный углерод (ЧУ) является продуктом неполного сгорания угля, дизельного топлива, биотоплива и биомассы. Он является самым сильным свето-абсорбирующим компонентом взвешенных частиц. Его определяют как «твердые частицы, в основном состоящие из чистого углерода, абсорбирующие солнечную радиацию во всех длинах волн». Черный углерод является основным компонентом сажи, которая состоит из частиц углерода с примесями, и также содержит органический углерод. Черный углерод выбрасывается непосредственно в атмосферу в виде мелких частиц (размером менее 2,5 микрона); по оценкам, его выбросы в 2005 году составили приблизительно 10% от всех прямых выбросов взвешенных частиц размером менее 2,5 микрона (PM2,5). На долю России, согласно оценкам, приходится около 7% мировой эмиссии черного углерода. Основными источниками этих выбросов в России являются лесные пожары, а также потребление энергии в жилищном секторе, на транспорте и в промышленности. В российской Арктике к крупнейшим источникам выбросов черного углерода относятся мобильные и стационарные дизельные двигатели, причем существуют значительные возможности сокращения этих выбросов, в том числе с использованием биотоплива.
Черный углерод оказывает отрицательное влияние на здоровье людей и экосистемы. Кратковременное и долговременное воздействие взвешенных частиц PM 2,5 приводит к возникновению респираторных и кардиоваскулярных заболеваний, а также к преждевременной смерти. Взвешенные частицы PM 2,5, содержащие черный углерод, также вызывают снижение урожайности и наносят ущерб материалам зданий. Частицы черного углерода попадают в организм человека через легкие в процессе дыхания, через желудочно-кишечный тракт с водой и пищей, а также через кожу и слизистые оболочки. В исследовании Российской академии наук выявлена положительная связь взвешенных частиц PM 2,5 с ростом смертности от ишемической болезни сердца и цереброваскулярных заболеваний.
Черный углерод оказывает три вида воздействия на климат: прямой эффект, снижение отражающей способности снега (альбедо) и загрязнение облаков. Прямой эффект заключается в том, что, поглощая солнечную радиацию во всех длинах волн, черный углерод способствует прогреву атмосферы. Черный углерод, загрязняющий снег и лед, затемняет поверхность, снижает отражающую способность и таким образом увеличивает поглощение и таяние. Кроме того, черный углерод взаимодействует с облаками, что сказывается на их стабильности, количестве осадков и отражающей способности.
Под коричневым углеродом понимают аэрозоли с диаметром частиц менее 10 микрон (PM 10), которые абсорбируют ультрафиолетовое и видимое солнечное излучение.
На глобальную окружающую среду оказывает огромное влияние быстрое потепление в Арктике, одной из основных причин которого считают черный и коричневый углерод. Атмосферный коричневый углерод (BrC) является одним из наименее изученных и неопределенных факторов потепления из-за недостатка наблюдений. Китайские ученые показали, что коричневый углерод в основном возникает в результате сжигания биомассы в средних и высоких широтах Северного полушария и может быть сильным фактором потепления в Арктическом регионе, особенно летом. Поскольку изменение климата, по прогнозам, в свою очередь, приводит к увеличению частоты, интенсивности и распространения лесных пожаров, ожидается, что и в будущем коричневый углерод в Арктике продолжит играть все более важную роль в глобальном потеплении. Поэтому практики и технологии сжигания биомассы, предотвращающие появление черного и коричневого углерода, крайне важны для предотвращения климатического кризиса.
|
|
Выжигание полей между урожаями в Индии стало проблемой и экологии, и энергетики. Фото Reuters |
Можно привести, казалось бы, далекий пример – использование древесного угля в одной из африканских стран – в Кении. Миллионы кенийских домохозяйств нуждаются в доступных источниках энергии для приготовления пищи. Сжиженный нефтяной газ и электричество, хотя и теоретически доступны, непомерно дороги для большинства кенийцев. Также, как правило, не хватает денег на покупку солнечных панелей или экономичных дровяных печей. Таким образом, по крайней мере в течение переходного периода нет альтернативы контролируемому и устойчивому производству дров, твердого биотоплива и древесного угля. Учитывая специально изданную ФАО ООН несколько лет назад монографию о проблемах неэффективного производства и использования древесного угля в Африке, там в 2017 году вообще запретили производство и торговлю древесным углем нелицензированным организациям. При этом, однако, не учли, что данным топливом население пользовалось из поколения в поколение. В результате торговля запрещенным топливом продолжилась, но в очередной раз возросла коррупционная емкость системы. Не имея альтернативных источников дохода, люди всегда найдут способы обойти запреты – практика показала, что существует большой разрыв между устремлением и реальностью.
К чести правительства этой страны, закон этот был отменен, однако проблема защиты лесов не была решена. Если же использовать эту энергию законотворчества в «мирных целях», то можно было бы спланировать инвестиции для создания современных линий производства древесного угля. Крайне важно, чтобы это сопровождалось эффективной охраной ценных природных лесов и деревьев в засушливых и полузасушливых регионах. Данная задача обеспечения экологичным и доступным топливом может решаться достаточно эффективно при сравнительно небольших затратах и аналогичном количестве потребляемой древесины. Кажущаяся нерелевантность решения африканских энергетических проблем может иметь большое значение для международного сообщества: отсутствие средств на инвестиции в экологичные технологии (о чем, в частности, многократно говорилось на СОР 28); наличие (а вернее, отсутствие) доступной энергии в том числе определяет рост потока беженцев, устремляющихся с берегов Африки в поисках «лучшей жизни».
Земля не помойка
Другим примером, когда необходимо комплексно рассматривать проблему, а не отдельные элементы решения, пусть даже важных задач, является грамотное использование твердых бытовых отходов (ТБО).
В России, самой богатой по площади лесов страны мира, присутствует значительная доля древесных отходов и вторичной древесины в ТБО. Древесина присутствует в твердых бытовых отходах как в небольших городах и поселках, так и в мегаполисах. Возможность превращения этих отходов в пеллеты или брикеты – прекрасный пример «каскадного» использования древесины. Но при таком количестве древесины в те же пеллеты и брикеты могут быть безболезненно введены и синтетические полимеры, точнее, отходы изделий из них, находящиеся в твердых бытовых отходах.
Намного более спорным авторам представляется тема превращения находящихся в ТБО синтетических полимеров и изделий из них в жидкое биотопливо в условиях РФ. Это обусловлено прежде всего тем, что современное жидкое топливо производится на заводах, по мощности намного превышающих мощность пеллетных или брикетных установок. В результате в связи со слишком большими различиями в их масштабах, что увеличивает логистическую составляющую, может быть экономически нецелесообразно возить полимерные бытовые отходы на нефтеперерабатывающий комбинат. Ряд зарубежных стран рассматривает возможность и целесообразность таких решений как с точки зрения получения «экологичного» жидкого топлива, сокращения площади свалок, вторичной переработки полимеров. Вопрос целесообразности распространения данных технологий на Россию крайне спорен. С одной стороны, технологии твердого биотоплива, возможно, представляют собой более экономичные альтернативы, с другой стороны, масштаб данных технологий не позволяет решить проблему ТБО в обозримом будущем. Таким образом, если рассматривать переработку ТБО в жидкое биотопливо, то это может потребовать миллиардных (в долларовом измерении) инвестиций, но может помочь решить проблему масштабных свалок. Выборочная интеграция полимерных отходов и вторичной древесины в твердое биотопливо требует инвестиций на порядок меньше, но и утилизируется значительно меньшее количество отходов. Увеличение размерности строительства предприятий по производству твердого биотоплива сталкивается с рядом ограничений. Так, выпуск твердого биотоплива подразумевает наличие соответствующего количества отходов лесопереработки. Как известно, лесопереработка сосредоточена в удаленных лесных регионах, а вопрос утилизации ТБО необходимо решать рядом с крупнейшими мегаполисами.
В целом сложилась ситуация, когда твердое биотопливо, относящееся к лесоперерабатывающей отрасли, живет масштабом значительно меньшим, чем «большая энергетика» – нефтепродукты, уголь, к которым теперь относится и жидкое биотопливо. Отрасль твердого биотоплива в стране представлена сотнями мелких производителей пеллет; при общем производстве около 2 млн т средний размер, как легко подсчитать, измеряется десятками тысяч, если не тысячами тонн в год. Это в основном средние и малые предприятия, имевшие крайне ограниченный инвестиционный ресурс. В новых условиях европейских санкционных ограничений и крайне высокой ставки ЦБ очевидно, что инвестиционного ресурса в отрасли практически нет. Падение котировок облигаций крупнейших игроков подтверждает данный вывод. С другой стороны, нефтегазовый сектор, который может интегрировать производство жидкого биотоплива, как происходит во многих других странах, по-прежнему обладает финансовыми возможностями для инвестирования.
От биотоплива к теплому туалету
Для России именно перевод муниципальных объектов, прежде всего школ, на твердое биотопливо второго и третьего поколений позволяет практически за 2–3 года решить проблему переводов всех школ страны на нормальную систему канализации и уйти наконец от «удобств во дворе». Для этого достаточно средств, которые выделяются сегодня на поддержку и лесного комплекса, включая производителей пеллет и производителей котлов малой и средней мощности.
Автономные системы канализации могут быть также сделаны на побережье Байкала, где сегодня, за исключением г. Байкальск, все поселки практически не имеют современной фекальной канализации. В данном случае системы автономного отопления и автономной канализации оказываются взаимосвязанными. Это позволяет при небольших затратах решать эти чрезвычайно острые проблемы и малых поселков, и небольших городов в создаваемой вокруг Байкала рекреационной зоне. Таким образом, решение проблемы использования твердого биотоплива позволит помочь решить вопрос социального развития региона при сохранении экологии и защиты водных ресурсов.
Сегодня практически любой сохранившийся проектный институт может сделать типовые проекты школ с автономной системой отопления на пеллетах и автономной канализацией, полностью отвечающей всем санитарным требованиям.
Улавливание и сохранение
В последние годы много пишут и говорят о системах улавливания и хранения углерода (CCUS). Эти системы связывают и с биоэнергетикой – улавливанием и хранением углерода (BECCS) и с прямым улавливанием СО₂ из воздуха. Прогнозируется, что затраты составят от 100 до 300 долл. за тонну с возможностью хранения до 5 Гт угольного эквивалента в год.
По оценкам экспертов, только для Европы стоимость развертывания CCUS, запланированная до 2050 года, может составить 320 млрд евро, а необходимая транспортная инфраструктура может добавить еще 50 млрд евро. Скандинавия, США и Соединенное Королевство лидируют в готовности к CCUS, причем эти страны разрабатывают пилотные проекты и принимают необходимую нормативную базу.
Крупномасштабное развертывание CCUS потребует огромных геологических хранилищ. Межправительственная группа экспертов по изменению климата (IPCC, 2018) определила семь стратегий улавливания углерода, одной из которых является биоуголь (biochar). Когда древесный уголь применяется на сельскохозяйственных полях, он связывает углерод в почве и может повысить урожайность сельскохозяйственных культур. Но никто еще не пытался рассмотреть использование biochar в больших масштабах, хотя это считается вероятным источником ежегодного удаления углекислого газа от 300 до 2 млрд т по цене от 90 до 120 долл. за тонну.
Спасение утопающих – дело рук самих утопающих
Использование пеллет и брикетов является ключевым условием в децентрализованной энергетике России. Россия обладает уникальной возможностью начать интернет-торговлю биотопливом собственного производства – брикетами с доставкой поддонов непосредственно потребителю в ряде регионов европейской части РФ (B2C), «перепрыгнув» европейский путь.
Отечественный рынок, малые и средние потребители, система ко-генерации для энергообеспечения отдаленных территориально-административных образований РФ (ОТАО) – вот рыночная ниша.
Рассчитывать на экспорт российских пеллет в Китай в долгосрочной перспективе не очень реально. Тому есть очень много объяснений, например размер и динамика собственного китайского производства, использующего преимущественно отходы плантационной древесины, структура себестоимости и т.д. Это может стать темой отдельной статьи.
Значительное внимание в области биотоплива исторически уделялось сельскохозяйственному сырью; однако широкий спектр отходов, в том числе твердые бытовые отходы, также могут служить сырьем для производства современного биотоплива из-за их обилия и низкой стоимости. По сравнению с сезонной доступностью сельскохозяйственных отходов как ТБО, так и отходы лесопереработки имеют преимущество круглогодичной доступности, развитой инфраструктуры сбора и потенциальной доступности при отрицательных затратах (так как являются отходами, подлежащими утилизации). Твердое биотопливо должно сочетаться с другими ВИЭ, обеспечивая теплом, канализацией и комфортом самые отдаленные поселки и города огромной страны.
