Топливный выбор

После посещения самой большой теплоэлектростанции в Европе (источником энергии которой является древесная щепа) в рамках форума Института Адама Смита в Вене, Эдуард Аким сделал доклад «Твердое биотопливо и природный газ – конкуренты или союзники?». Ведь одна из основных причин быстрого развития производства пеллет в мире – это производство «зеленой энергии» путем сжигания тех самых пеллет с каменным углем. К сожалению, отметил он, в России Министерство энергетики не только не способствует развитию «зеленой энергии», а всячески этому препятствует.

Последние события

В декабре 2014 г. в Лиме открылась Международная конференция по предотвращению глобального изменения климата в пост-Киотский период. В соответствии с Киотским протоколом углекислый газ, образованный в результате сжигания древесины, рассматривается как нейтральный, поскольку это тот газ, который деревья поглотили из атмо-сферы в период роста. Это одно из преимуществ Киотского протокола, однако он заканчивает свое действие. Более того, этот протокол не был признан в США и в Китае. Это создавало определенные сложности, и сейчас переговоры по мерам предотвращения глобального изменения климата в пост-Киотский период будут очень сложными и длительными. 

Также осенью 2014 года Москва столкнулась с загрязнениями атмосферы, с запахом гари в городе, связанными со сжиганием порубочных остатков в Подмосковье. Если для Европы потепление климата оценивается в 1 0С, то для Подмосковья, по данным Российской академии наук, – в 2,5 0С. Это стало причиной высыхания хвои и появления короеда, в связи с чем возникла необходимость в прореживании лесов и сжигании остатков. В результате этих действий гарь пошла на Москву. 

По официальным данным, 70% территории России, на которой проживает 20% населения страны, лишены централизованного энергообеспечения. Уровень газификации населенных пунктов составляет 63% (70% в городских и 47% в сельских населенных пунктах). («Малая энергетика», 2014, №1-2, стр. 9).

Надо сказать, что на этом фоне за последнее 10-летие были достигнуты очень большие успехи в области газификации древесины. Все современные методы сжигания древесины как раз подразумевают, что изначально она газифицируется, а затем сжигается в этой же топке. 

Говоря о разработках по био-рефайнингу, необходимо сказать, что в 2007-2008 годах на ОАО «Светогорск» реализован ряд инновационных технологий, обеспечивших решение экологических проблем и увеличение использования избыточного активного ила, как биотоплива, на 150-200 т/сутки. 

Благодаря развитию инновационных технологий, в том числе применению ИТ, за последние десятилетия резко повысилась эффективность сжигания древесины и были созданы новые виды биотоплива и системы их сжигания (использования). 

В 2010-2014 гг. совместно с ОАО «Группа «Илим» выполнен проект «Лиственница», в результате которого в жидкое биотопливо «черный щелок» включен и арабиногалактан.
Можно выделить основные направления био-рефайнинга:

•  конструкционные материалы на основе древесины; 
• товарная целлюлоза, бумага, картон, целлюлозные композиты; 
• волокна, пленки, пластмассы на основе химической переработки целлюлозы; 
• пищевые волокна, микрокристаллическая целлюлоза; 
• биотопливо – этанол и дизельное топливо (через синтез-газ), пеллеты, микроводоросли; 
• мономеры и полимеры на основе продуктов переработки древесины; 
• лекарственные препараты и БАДы на основе компонентов древесины; 
• угольные волокна (из гидратцеллюлозных волокон или осажденного лигнина). 

Помимо прочего, уже созданы эффективные системы автономного теплообеспечения как для коттеджей, так и для муниципальных котельных, а также сопряженные с ними электрогенераторы.

Мы очень часто слышим об электромобилях, солнечных генераторах. В табл. 1 приведены данные по удельной доле каждого воспроизводимого источника энергии в общем мировом потреблении энергии. По ним видно, что суммарно все виды такой энергии дают меньшую долю, чем биотопливо. Поэтому во всем мире биоэнергетика рассматривается как интенсивно развивающаяся отрасль, США, к примеру, целый ряд своих комбинатов перепрофилируют на выпуск биотоплива. Более того, США совместно с Канадой на сегодняшний день закрывают 2/3 потребностей Западной Европы в пеллетах. Третий по значимости импортер для Западной Европы – это Россия. В России мощности по производству пеллет достигают 1,5-2 млн т, при этом 95% идет на экспорт. 

Проблемы развития биоэнергетики

Какие же проблемы развития биоэнергетики? Среди них можно выделить следующие:

• повышение энергоэффективности; 
• кинетика воспроизводства (прирост) и удельная производительность на единицу площади суши (плантации) или воды (микроводоросли); 
• комплексность использования лесных ресурсов и древесины; 
• истощение почв при интенсивном лесопользовании и плантационном лесоразведении. 

Сразу стоит сказать, что в ближайшее время у нас узаконят интенсивное лесопользование, что подразумевает использование диаметра рубки вместо возраста рубки. 

Что касается классификации древесного биотоплива, то дрова – это первое поколение, щепа и древесные гранулы – второе, третье поколение – торрефицированная древесина и пеллеты из нее. 

Торрефицированная древесина (биоуголь) – это термически модифицированная и спрессованная древесина или биомасса. Это биотопливо, которым можно заменить до 50% каменного угля, сжигаемого на электростанциях. Получается в процессе низкотемпературного пиролиза1 – термической модификации при температуре около 250 °С. В результате древесина может измельчаться по хрупкому механизму для последующего сжигания существующими пульверизаторами каменного угля, не требуя каких-либо изменений в оборудовании электростанции. 

Равновесная влажность древесины снижается до 2-5%, делая продукт гидрофобным. Это позволяет складировать его на открытых складах. Теплотворная способность и энергетическая ценность приближаются к показателям обычного каменного угля. Мы относим торрефицированную древесину к третьему поколению, поскольку сейчас построена лишь одна установка в Голландии мощностью 60 тыс. т/год, которая за несколько лет произвела 6 тыс. т. 

Говоря о биоэнергетике, стоит упомянуть ее основные достоинства:

• энергоэффективность; 
• транспортабельность;
• безопасность и устойчивость к терроризму; 
• трансформация в электроэнергию и ко-генерация; 
• трансформация древесины в моторное топливо;
• совместимость с ископаемыми видами топлива; 
• совместимость с другими ВИЭ, существующими энергосистемами и инфраструктурой; 
• возможность использования в автоматизированных автономных отопительных системах малого и среднего размера.

Масштабы производства

В 2012 г. мировое производство бумаги и картона составило около 400 млн т. 

По прогнозам, к 2020 г. мировое производство древесных пеллет превысит 100 млн т. 

В 2012-2014 гг. экспорт древесных пеллет из Северной Америки и России в страны ЕС достиг рекордных значений. 

В чем разгадка? За последнее 10-летие резко выросла эффективность сжигания древесины, в последнее время она достигла 90-95% (см. рис. 1). Если энергоэффективность сжигания на открытых источниках огня составляет около 5%, то в последние годы мы приходим к системам на древесных гранулах – 80% и выше. Повышение эффективности сжигания – это то, что сегодня является принципиально важным для всех систем. 

Почему же пеллеты на сегодняшний день являются очень эффективным топливом? 

Непрерывно расширяющееся использование пеллет (энергогранул) обусловлено их высоким энергосодержанием (в 3-5 раз выше, чем у древесной щепы). Для производства 1 ГВЧ энергии необходимо 385 м³ пеллет или 1200-1800 м³ щепы. 

Производство и применение пеллет базируется на ряде научных принципов, обеспечивающих при совместном использовании очень высокую эффективность (КПД до 95-97%).

Есть три кита, на которых держится их эффективность.

1.    Влажность
В отличие от исходной древесины, имеющей благодаря природной капиллярно-пористой структуре влажность 30-50%, пеллеты имеют влажность 6-8%.

2.    Двухстадийное сжигание 
Сжигание пеллет осуществляется в две стадии – газификация в условиях контролируемого недостатка кислорода (лямда-датчики) и вихревое сжигание газообразных продуктов в смеси со вторичным воздухом.
3.    Возможность охлаждения отходящих газов 
Отсутствие в древесине серы (обуславливающей при сжигании большинства других видов топлива возможность образования сернокислотного тумана) позволяет вести глубокое охлаждение отходящих газов ниже точки росы – до 30-50°С.

Производство в России древесных пеллет и брикетов 

Достоверные данные по производству есть только за 2012 г., согласно им производство пеллет в РФ выросло на 50% и достигло 1,5 млн т, из которых на экспорт идет 96% (ЕС, Республика Корея). Наряду с пеллетами растет и производство брикетов (на 20%), оно достигло 300 тыс. т, хотя в 2013 г. производство наверняка составляло уже порядка 400-500 тыс. т, из которых на внутренний рынок идет 40%. 

Мое мнение: основная причина, по которой пеллеты так медленно находят применение у нас, – это коррупция. В обеспечении котельных каменным углем и мазутом существует своя отлаженная коррумпированная система. Поэтому основная проблема – развитие внутреннего рынка пеллет для муниципальных и индивидуальных котельных.

Однако ситуация меняется, в соответствии с комплексной программой развития биотехнологий в Российской Федерации(утвержденной В. В. Путиным 24.04.2012 г) производство твердого биотоплива составит: 

2010 г. – 3 млн т; 
2015 г. – 6 млн т; 
2020 г. – 18 млн т.

Но стоит уточнить, что те 1,5-2 млн, которые производятся на сегодняшний день, были сделаны без каких-либо дотаций или налоговых преференций со стороны государства. 

На сегодняшний день ни по картону, ни по бумаге РФ не имеет такой доли на мировых рынках, как имеет по пеллетам. Импорт пеллет в ЕС представлен в на рис. 2.

Последние достижения в мире

Компания Metsa Fibre построила установку по получению газа из древесины на заводе по производству хвойной товарной целлюлозы мощностью 600 тыс. т/г в г. Йоутсенос целью прекращения использования природного газа для нагревания известьрегенерационной печи. Газификационная установка была запущена в 2012 г. и преследует следующие цели:

• 100%-ный уход от сжигания природного газа в известьрегенерационной печи с переходом на газ от газификации древесины;
• утилизация биомассы от целлюлозного производства;
• утилизация избыточных тепловых ресурсов для высушивания.

Общая стоимость инвестиций составила 20 млн евро. 

Заключение

Задачей Российской «Лесной технологической платформы» как части Платформы «БиоТех 2030» является создание и реализация инновационной модели развития лесного комплекса России, ее научное и кадровое обеспечение. 

Один из ее приоритетов – био-рефайнинг древесины – производство наукоемкой продукции с высокой добавленной стоимостью на базе комплексной глубокой переработки лесных ресурсов непосредственно в регионе произрастания.

Лесной комплекс России должен «перешагнуть» через стадии, которые поэтапно проходил в последние десятилетия лесной комплекс передовых лесопромышленных стран. 

К прорывным технологиям лесного сектора относятся информационные, нано- и биотехнологии. Информационные и компьютерные технологии используются при создании геоинформационных систем (ГИС). Эти системы необходимы для выявления и уточнения фактических запасов древесины и разработки оптимальной стратегии ее заготовки. Геоинформационные системы обеспечивают оперативный учет заготовки и транспортировки леса, противопожарный контроль, контроль цепочек поставок, контроль затопления водохранилищ при строительстве новых гидроэлектростанций. 

Развитие компьютерных технологий в строительстве привело к появлению понятия «умный дом». 

Совместное использование компьютерных технологий и биотоплива второго поколения (пеллет) в индивидуальных автоматизированных отопительных системах позволило перейти к «зеленому строительству» домов. Обогрев таких домов программируется по дням недели и времени суток и отличается высоким КПД сжигания древесины. Сочетание деревянного домостроения, компьютерных технологий и древесных пеллет обеспечит сверхаддитивный эффект2, улучшит экологию и экономику лесного сектора. 

^* Почетный член Консультативного комитета по устойчивости лесного сектора Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН, директор Института био-рефайнинга древесины, заведующий кафедрой СПб ГТУ РП  

¹ Пиролиз (от др.-греч. πῦρ — огонь, жар и λύσις — разложение, распад) — термическое разложение органических и многих неорганических соединений. 

² Сверхаддитивный эффект является одним из важнейших показателей эффективности высокоразвитого коллектива. Он представляет собой способность коллектива как целого добиваться результатов в работе гораздо более высоких, чем это может сделать такая же по численности группа людей, работающих независимо друг от друга, не объединенных системой описанных отношений.