Портал по тригенерации, когенерации и мини-ТЭЦ

Предпосылки получения экономических и экологических эффектов  малой энергетики на Мурмане


А.Б. Котомин


Конференция "Темпы и пропорции социально-экономических процессов в регионах Севера. Лузинские чтения - 2007". ИЭП, 12-14 апреля 2007 года в г. Апатиты Мурманской области.


В современном мире уже давно и интенсивно развивается использование энергии биомассы. Получение топлива или энергии из биомассы возможно путем термохимической (сжигание, пиролиз, газификация, гидролиз) и биологической переработки. При этом используются растительное сырье, а также различные органические отходы, включая отходы деревопереработки и растениеводства, канализационные стоки и городской мусор, отходы животноводства и птицеводства. При биологической переработке биомассы с помощью анаэробных бактерий конечными продуктами являются биогаз с большим содержанием метана и высококачественные экологически чистые удобрения. Это направление имеет значение не только с точки зрения производства энергии, но и с позиций экологии, так как решает проблему утилизации вредных отходов /1/.

Ресурсы биомассы в том или ином виде есть почти во всех регионах мира, и почти в каждом из них может быть налажена ее переработка в энергию и топливо. По оценке ряда экспертов, с помощью современных технологий за счет биомассы можно обеспечить 6-10% общей потребности в энергии промышленно развитых стран.

Биомасса является классическим возобновляемым источником энергии. Ежегодно на Земле при помощи фотосинтеза образуется около 120 млрд. тонн сухого органического вещества, что энергетически эквивалентно более 40 млрд. тонн нефти. Использование биомассы производится в следующих основных направлениях: прямое сжигание; производство биогаза из сельскохозяйственных и бытовых отходов; производство этанола для использования в качестве моторного топлива.

Прямое сжигание является наиболее древним способом использования энергии биомассы. Даже в настоящее время биомасса, в основном в виде древесного топлива, является основным источником энергии приблизительно для 2 млрд. человек. Для большинства жителей сельских районов "третьего мира" она представляет собой единственно доступный источник энергии. Да и для многих жителей деревень и поселков России этот источник энергии играет важную роль. В целом, биомасса дает седьмую часть мирового объема топлива, а по количеству полученной энергии занимает наряду с природным газом третье место. Из биомассы получают в 4 раза больше энергии, чем дает ядерная энергетика[1].

Важное место в нетрадиционной энергетике занимает переработка биомассы метановым брожением с получением биогаза, содержащего около 70% метана, и, в качестве дополнительного продукта, обеззараженных органических удобрений. Всего в мире в настоящее время известно (используется или разрабатывается) около 60 разновидностей технологий получения биогаза.

Биогаз - это смесь метана и углекислого газа, образующаяся в процессе анаэробного сбраживания в биологических реакторах — метантенках. Энергия, получаемая при сжигании биогаза, может достигать от 60 до 90% той, которой обладает исходный материал. Другим достоинством процесса анаэробной переработки биомассы является то, что в его отходах практически не содержится болезнетворных микроорганизмов, различных паразитов, их яиц и личинок.

Получение биогаза экономически оправдано при переработке постоянного потока отходов. Получение биогаза, возможное в установках самых разных масштабов, особенно эффективно на агропромышленных комплексах, где существует возможность полного экологического цикла. Биогаз используют для освещения, отопления, приготовления пищи, для приведения в действие механизмов, транспорта, электрогенераторов.

Подсчитано, что годовая потребность в биогазе для обогрева жилого дома составляет около 45 м3 на 1 м2 жилой площади, суточное потребление при подогреве воды для 100 голов крупного рогатого скота — 5-6 м3. Потребление биогаза при сушке сена (1 т) влажностью 40% равно 100 м3, 1 т зерна — 15 м3, для получения 1 кВт*ч электроэнергии — 0,7-0,8 м3 /2/[2].

В советский период экономического развития России наличие дешевого топлива — нефти и природного газа — обеспечивало широкий доступ к столь же дешевому теплу и электроэнергии. Для большинства промышленных и сельскохозяйственных потребителей не было смысла вкладывать деньги в более экономичные энергосистемы. Очевидным решением была покупка вырабатываемой централизовано дешевой энергии — как электрической, так и тепловой. Но те факторы, которые прежде делали невыгодными вложения в местные источники энергоснабжения, теперь превратились в стимулы для использования локальной генерации из-за резкого роста стоимости покупной энергии.

Особенно остро вопрос о постоянном росте тарифов на тепло- и электроэнергию стоит перед производителями продукции животноводства и птицеводства в северных районах России, где продолжительность холодного периода составляет до восьми  и более месяцев в году при весьма низких среднегодовых температурах. Сельхозпроизводители  не могут повышать цены на свою продукцию теми же темпами, что и энергетики, отсюда их постоянно растущая задолженность перед энергосбытовыми организациями. В условиях «чубайсизации» российской электроэнергетики это уже приводило к временным отключениям сельхозпредприятий от сети и к таким негативным последствиям как, например,  массовый падеж куриного поголовья и миллионные убытки на птицефабриках Мурманской области.

С другой стороны, холодный климат является причиной отсутствия в природной среде необходимых бактерий, обеспечивающих естественную переработку отходов животноводства и птицеводства (например, куриного помета) в удобрения. В результате возникают проблемы с хранением «вечных» отходов в отстойниках, реализуемых в естественных складках местности, или же с их сушкой и складированием, на что необходимо затрачивать дополнительные энергоресурсы. Так на поддержание в исправном состоянии дамбы отстойника отходов птицефабрики «Снежная» ежегодно требуется до 200 тыс. руб., причем это не гарантирует от аварийных сбросов фекальных масс в реку Кола в случае пиковых паводков. Такие сбросы имели место в 2001 и 2003 годах.

Однако, как уже было сказано, те же отходы животноводства при правильной организации дела могут быть ценным сырьем для получения качественных удобрений, а также биогаза, который можно использовать для получения электроэнергии, тепла и топлива для сельскохозяйственной техники.

Направления использования биогаза различны— от непосредственного сжигания в тепловых установках различной производительности до совместной выработки тепловой и электрической энергии или подпитки биогазом сетей природного газа. При этом биогаз может быть получен  как из отходов агропромышленного комплекса, так и на коммунальных очистных сооружениях или полигонах твердых бытовых отходов /3/[3].

В мире накоплен большой положительный опыт производства реакторных установок для получения биогаза и разработки технологий его использования в хозяйственных целях.

Такой опыт имеется и в Ковдорском районе Мурманской области. Ковдорский агропромышленный комплекс «Лейпи» в кооперации с фирмой «Биоудобрение» (г. Кандалакша) построил установку из двух биореакторов емкостью 50 м3 каждый для производства биогаза на основе анаэробного метанового сбраживания отходов животноводства в мезофильном режиме. Полученный биогаз используется для выработки электроэнергии, тепла и горячей воды /4/. При этом освобождается навозохранилище, рассчитанное на 17 тыс. тонн органики в год и производится высококачественное, безвредное органическое удобрение, как для нужд хозяйства, так и на продажу, что позволило уменьшить срок окупаемости установки. Биогазовая установка (рис. 1.) требует предварительного нагрева до 35оС и производит от 45 до 65 м3 газа в день. Исходным сырьем является смесь коровяка (30%) с птичьим пометом (70%), которую разводят водой и выдерживают 20 дней. Полученный в результате метан проходит очистку водой и поступает в горелку газового котла. При этом происходит подогрев самой установки, отапливается коровник, готовится горячая вода и производится электроэнергия для освещения. В планах хозяйства добавить резервную биореакторную емкость на 50 м3 и довести производительность до 70 м3в день. Затем планируется поставить аналогичную установку из трех емкостей на участок, где располагается автотранспорт и ремонтная база, и где постоянно необходимы значительные объемы горячей воды для мытья молоковозов и доильных агрегатов.



Рис. 1. Принципиальная схема установки по производству биогаза: 1 - ферма; 2 - навозоприемник; 3 - насос; 4 - метантенк; 5 - газгольдер; 6 - теплообменник; 7 - котел; 8 - хранилище удобрения


Те же технологии могут использоваться на городских очистных сооружениях и полигонах твердых отходов. Метантенки имеются на всех подобных объектах, необходимо только организовать использование аккумулируемого метана.

Однако в России, в отличие от развитых европейских стран, есть проблемы с нормативно-правовым обеспечением использования биогаза в малой энергетике. Поскольку биогаз рассматривается как побочный продукт, устройства для его сжигания часто недостаточно проработаны в проектах. Определение стандарта или технических условий на использование биогаза позволило бы упростить решение вопросов по его утилизации. К сожалению, существующие ныне стандарты, строительные нормы и правила распространяются только на природный и сжиженный углеводородный газ. Таким образом, разработка российской нормативно-правовой базы малой энергетики на биогазе является насущной необходимостью, а ее отсутствие тормозит перспективное направление привлечения в экономику значительного ресурса НВИЭ.

Для сравнение рассмотрим положение с нормативно-правовым обеспечением и меры стимулирования развития малой энергетики в мире. Например, в Швейцарии, чтобы не строить пиковых электростанций, с фермерами, имеющими тракторы, заключается договор. По нему фермер в часы пика потребления электрической энергии подключает к валу отбора мощности трактора электрогенератор, который работает на сеть. Сети покупают эту энергию, и примерно за два часа такой работы фермер окупает всю свою суточную потребность в электрической энергии. В Соединенных Штатах электрическую энергию можно продавать в сеть. Причем сети покупают 1 кВт/час за 8 центов, а продают потребителям за 3 цента.

В Белоруссии принят закон, по которому электрические сети обязаны покупать электроэнергию от альтернативной энергетики по цене в 2 раза больше, чем они сами ее продают.

В Германии покупателям альтернативных источников энергии (солнечные модули, солнечные водонагреватели, ветрогенераторы и т.п.) выплачивается одноразовая компенсация. Эта компенсация не зависит от того, где изготовлена эта система: в Германии или за рубежом.

В Европе появляются источники финансирования новых проектов по экологически чистой энергетике. Именно такой "экологический" налог в размере от 10 до 30% стоимости нефти введен в Швеции, Финляндии, Нидерландах и странах ЕЭС.

Европейский союз объявил, что к 2020 году доля возобновляемой энергии составит 20% от общего производства электроэнергии.

Толчком для решения проблемы энергосбережения в большинстве западных стран послужил энергетический кризис 1973 года. Решение проблем оказалось возможным за счет научной и технической разработки и освоения энергосберегающих технологий во всех развитых странах мира и реализации государственной политики энергосбережения в 24 странах.

Бурный рост альтернативной энергетики привел к тому, что в Дании, по сути, развился целый сектор мелких, независимых энергопроизводителей, использующих ветроэнергетику, установки на биогазе, малые установки совместной генерации тепла и электричества. Большинство установок, использующих возобновляемые источники энергии (ВИЭ), принадлежит фермерам и кооперативам, а не большим или малым энергогенерирующим компаниям. Так произошло потому, что развитие этого направления энергетики было инициировано в Дании снизу.

Власти организовали финансовую поддержку демонстрационных и научно-исследовательских центров в этой области за счет грантов и прямых субсидий. Была создана специальная финансовая схема оплаты электроэнергии, произведенной на таких установках. Она заключалась в том, что оператор сети был обязан подключать ВИЭ-установки и оплачивать полученную электроэнергию по законодательно установленным минимальным тарифам. Фактически гарантированный сбыт стимулировал вложения в развитие альтернативной энергетики /5/.

Особенно эффективным является создание гибридных схем с совместным использованием когенерационных установок на биогазе и ветрогенерирующих установок (ВЭУ). В этом случае в период эффективной работы ВЭУ часть биогаза может накапливаться для последующего использования в период спада ветрогенерации. Следует заметить, что Дания является страной, с самой большой долей когенерации в энергетике страны (более 50%).

Когенерация представляет собой высокоэффективное использование первичного источника энергии - биогаза, для получения двух форм полезной энергии — тепловой и электрической. Главное преимущество когенератора перед обычными теплоэлектростанциями состоит в том, что преобразование энергии здесь происходит с большей эффективностью, поскольку используется то тепло, которое обычно теряется. При этом снижается потребность в покупной энергии. Применение когенератора сокращает расходы на энергообеспечение приблизительно на 100 USD на кВт установленной электрической мощности когенератора в том случае, когда когенератор работает в базовом режиме генерации энергии (при 100% нагрузке круглогодично). Такое возможно, когда когенератор питает нагрузку в непрерывном цикле работы или, если он работает параллельно с сетью. Последнее решение является выгодным также для электро- и тепловых сетей. Электрическая сеть будет заинтересована в подключения когенераторов к своим сетям, так как при этом она приобретает дополнительную генерирующую мощность без капитальных вложений на строительство электростанции. В таком случае энергосистема закупает дешевую электроэнергию для её последовательной реализации по более выгодному тарифу. Тепловые сети получают возможность снизить производство тепла и закупают дешевое тепло для его реализации близлежащим потребителям посредством существующих тепловых сетей.

Пока же в России реалии таковы, что технология сама по себе, тарифы сами по себе. Необходимо, чтобы внедрение передовых технологий способствовало снижению тарифов, а тарифы в свою очередь стимулировали внедрение новых технологий. Тогда и в России можно перейти от слов об энергоэффективной экономике и инновационном развитии энергетики к делу.

Когенератор  (рис. 2) строится на основе газового двигателя. Стоимость серийных когенераторов зависит от установленной мощности (от 0,38 до 0,42 рублей на кВт.ч). В среднем на 100 кВт электрической мощности потребитель получает 150-160 кВт тепловой мощности в виде горячей воды (90°С - 129°С) для отопления и горячего водоснабжения /6/.

Для снабжения биогазом когенерационной установки с электрической мощностью 500 кВт требуется компост от 2500 коров, 15000 свиней или 300000 куриц.

Когенерация  открывает прямой путь развитию малой энергетики в сельской местности со всеми преимуществами комбинированного способа выработки электро- и теплоэнергии. Со временем собственная электростанция может стать столь же привычной, как сегодня  - сотовый телефон.



Рис. 2. Схема когенерационной установки на биогазе (Лахольм, Швеция)


Таким образом, малая энергетика способна обеспечить целый ряд положительных экономических и экологических эффектов: уменьшение производственных расходов, решение проблемы с хранением и утилизацией отходов сельскохозяйственного производства, экономия традиционных энергоресурсов, независимое электротеплоснабжение, производство экологически чистых удобрений, снижение выброса в атмосферу парниковых газов. Особенно важно развитие малой энергетики для северных регионов с их ранимой природой и удаленностью от центров переработки традиционных ТЭР. Однако для получения положительных эффектов от малой энергетики в условиях России необходимо обеспечить нормативно-правовую базу, техническую и экономическую поддержку этого направления. При этом желательно обойтись без гигантомании, как это имело место в ФЦП «Энергоэффективная экономика».


Литература

1. Источник: http://solar-battery.narod.ru/altenerg2.htm

2. Источник:  http://esco-ecosys.narod.ru/2002-10/art77.htm

3. Источник: http://stroygorhoz.ru

4. По материалам экспедиции  в Ковдорский район. Туинова С.С., «Гея», 2006 г.

5. Источник - pavel-stroev.h1.ru

6. Источник - http://news.elteh.ru/arh/2000/6/03/php


Сноски



[1] В странах Европейского Союза доля энергии биомассы составляет более 50% от общего производства энергии возобновляемых источников. По данным статистики ежегодно в странах ЕЭС производится бытовых и сельскохозяйственных отходов в объеме 100-120 млн. тонн нефтяного эквивалента. Из них 15-20 млн. т уже утилизируются, а еще 50-60 млн. т могут быть утилизированы в отдаленной перспективе. Общие ресурсы биомассы в Европе (в млн. т сухой массы/год) составляют: древесного топлива — 75, древесных отходов — 70, сельскохозяйственных отходов — 250,  городского мусора — 75. Древесина, выращиваемая на плантациях, дает еще  250 млн. т/год. К сожалению, в настоящее время в России нет подобной статистики на государственном уровне.


[2] В Украине только на крупных свиноводческих и птицеводческих предприятиях ежегодно образуется более 3 млн. т органических отходов по сухому веществу, переработка которых позволит получить около 1 млн. т у.т. в виде биогаза, что эквивалентно 8 млрд. кВт*ч. электроэнергии. Кроме того, в Украине имеется около 2 млн. негазифицированных семейных подворий. Опыт стран, не обеспеченных природным газом (например, КНР), показывает, что отдаленные сельские местности целесообразно газифицировать с помощью малых биоустановок, работающих на органических отходах семейных подворий. Так, внедрение 2 млн. установок в Украине позволило бы получить около 2 млрд. м3 биогаза в год, что эквивалентно 13 млрд. кВт*ч энергии, и обеспечило бы семейные усадьбы органическим удобрением в количестве 10 млн. тонн в год.


[3] Например, в рамках региональной программы «Экология Нижней Волги» выполнена научно-исследовательская работа по разработке систем утилизации энергии биогаза, полученного из органических отходов сельского хозяйства, а также реконструкция системы энергоснабжения на коммунальных очистных сооружениях. Разработано несколько безотходных схем утилизации энергии биогаза. (По материалам Волгоградской архитектурно-строительной академии)