Основные положения использования энергии биомассы

 

Введение

 

Среднее годовое потребление  топлива и энергии сельским населением Алтайского края составляет около 37,5 ГДж в расчете на одного человека. Основным источником тепло- и электроснабжения этой группы населения является привозной каменный уголь, его доля составляет порядка 86 %.

Основные проблемы, связанные с энергопотреблением в Алтайском крае:

1. Стоимость привозного угля, сжигаемого в небольших котельных и бытовых печах, в текущих ценах составляет около 1 млрд. руб. Эти средства идут в основном на поддержание рабочих мест в угледобывающих регионах и на железной дороге и не оказывают какого-либо влияние на развитие экономики края.
2. Сложившаяся структура энергообеспечения приводит к интенсивному загрязнению среды обитания пылью, окислами серы и углерода. Тепловые источники сельской энергетики работают практически без очистки дымовых газов, котельные и жилые дома имеют невысокие трубы и поэтому большая часть загрязнений попадает непосредственно на людей.
3. Электроснабжение сельских потребителей тоже не соответствует современным требованиям. Среднее электропотребление по бытовому сектору составляет около 917 кВтч на одного человека в год – это на 13 % меньше среднероссийского показателя. Ситуация с каждым годом не улучшается, техническое состояние сельских распределительных сетей продолжает ухудшаться, качество электроснабжения падает за счет аварийных и ограничительных отключений.
4. Существующий фонд зданий создавался во времена дешевой энергии. Для поддержания в них приемлемых характеристик внутреннего микроклимата требуется большое количество энергии для отопления, которое не может быть обеспечено уже при современных ценах на энергоносители из-за финансовых ограничений. Но цены на энергоносители имеют тенденцию к более быстрому увеличению, чем растут доходы сельских потребителей энергии и если не принять действенные меры непростая социально-экономическая ситуация в сельских населенных пунктах может стать еще более тяжелой.

Основные причины кризисного состояния систем тепло- и электроснабжения в Алтайском крае – это практически полное покрытие потребности за счет привозного угля и низкая эффективность использования энергоресурсов. Экономически обоснованное частичное замещение привозного органического топлива на возобновляемые экологически чистые энергоисточники, использование современных энергосберегающих систем, позволит снизить своеобразный «энергетический налог», который вынужден платить край в связи с большой длительностью отопительного периода. Кроме того, комплексная модернизация систем теплоснабжения позволит направить часть финансовых потоков, идущих в настоящее время на заготовку привозного угля, на создание новых рабочих мест на территории края. Эти факторы наряду со снижением техногенных загрязнений, связанных со сжиганием каменного угля приведут к положительным изменениям в социально-экономической ситуации.

Возобновляемые источники  энергии (за исключением древесины) в настоящее время не используются. Однако развитое сельскохозяйственное производство и, в частности, животноводство, заготовка леса являются источниками значительного количества биомассы, пригодной для получения в местах потребления дешевой, экологически чистого энергии.

 

1 Основные положения использования  энергии биомассы

 

Биомасса, как производная  энергии Солнца в химической форме, является одним из наиболее популярных и универсальных ресурсов на Земле. Биомасса используется для энергетических целей с момента открытия человеком огня. Сегодня топливо из биомассы может использоваться для различных целей - от обогрева жилищ до производства электроэнергии и топлив для автомобилей. На рисунке 1.1 представлены наиболее распространенные виды биомассы для производства энергии и схемы их использования.

Рисунок 1.1 – Схема  производства энергии из биомассы

Рисунок 1.2 – Производство и потребление биомассы в мире в сравнении с общим потреблением энергии.

При рассмотрении энергетического  потенциала к биомассе относят все  формы материалов растительного  происхождения, которые могут быть использованы для получения энергии: древесину, травяные и зерновые культуры, отходы лесного хозяйства и животноводства и т.д. Поскольку биомасса представляет собой твердое топливо, ее можно сравнивать с углем.

Рисунок 1.3 – Параметры  некоторых источников энергии

 

Теплотворная способность  сухой биомассы составляет около 14 МДж/кг. Аналогичное значение для каменного угля составляет 30 МДж/кг (Рисунок 1.4). В момент образования (сбора урожая) биомасса содержит большое количество воды. В противоположность этому, влажность каменного угля находится в диапазоне от 2 до 12%. Поэтому плотность энергии в биомассе на этапе возникновения ниже, чем у каменного угля.

С другой стороны, биомасса имеет преимущества с точки зрения химического состава. Зольность  биомассы значительно ниже, чем угля. Кроме того, в золе биомассы обычно не содержатся тяжелые металлы и другие загрязнители, поэтому она может вноситься в почву в качестве удобрения.

Рисунок 1.4 – Сравнение  каменного угля и отходов зернового  производства

 

 Обычно биомассу  ошибочно причисляют к низкосортным  видам топлива, поэтому во многих странах ее использование даже не отражается в статистических отчетах. Однако она обеспечивает большую гибкость снабжения энергоносителями ввиду большого количества видов топлива, которые могут быть из нее получены. Энергия биомассы может использоваться для производства тепловой и электрической энергии посредством сжигания в современных устройствах - от миниатюрных домашних котлов до многомегаваттных электростанций, использующих газовые турбины. Системы, использующие биомассу в энергетических целях, обеспечивают экономическое развитие без увеличения парникового эффекта, поскольку биомасса является нейтральной по отношению к выбросам СО₂ в атмосферу в случае, если ее производство и использование осуществляется разумным образом. Использование биомассы в больших коммерческих системах основано на устойчивых, аккумулированных ресурсах и отходах и может улучшить управление природными ресурсами в целом.

 

2 Внедрение генератора электрической энергии на биомассе на примере зернового предприятия Алтайского края

 

Исследование проводилось  на базе среднестатистического зернового  предприятия Алтайского края, основной деятельностью которого является выращивание  злаковых культур с последующей  их очисткой и продажей. Основные производственные характеристики рассматриваемого предприятия приведены в таблице 2.1.

 

Таблица 2.1 – Основные характеристики предприятия

Показатели	Значение
1	2
Площадь пахотных угодий, га	5 000
Урожайность (масса очищенного продукта), т / га	1,6
Производство зерна, т	8 000
Масса отходов при очистке зерна, т	3 880

 

Рыночная стоимость  зерна в настоящий момент составляет около 10 тыс. рублей за тонну. Доходы от продажи зерна d определяются по формуле 2.1, и составляют 80 млн. рублей в год.

 

 (2.1)

 

где s – площадь пахотных угодий фермы, га;

a – масса очищенного  продукта с 1 га пашни, т / га;

q – рыночная стоимость  зерна, млн. руб / т.

Основные экономические  показатели деятельности предприятия  представлены на рисунке 2.1.

 

 

Зерновое предприятие
Расходы		Доходы
На утилизацию отходов 1,9 млн. руб.		От продажи зерна 80 млн. руб.
На электроэнергию  4,5 млн. руб.

 

Рисунок 2.1 – Доходы и расходы рассматриваемого предприятия

 

Расходы предприятия  на электрическую энергию Сn определяются по формуле 2.2. При годовом потреблении электрической энергии равном  1 000 тыс. кВт ч, и её стоимости 4,5 руб / кВт ч, рассматриваемое предприятие тратит 4,5 млн. рублей на приобретение электрической энергии.

 

 _(2.2)

 

где Cn_m – месячный расход электрической энергии на нужды предприятия, кВт ч;

e  –  стоимость электрической энергии, руб / кВт ч.

Расход электрической  энергии на разные нужды рассматриваемого предприятия представлен на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 – Распределение электрической энергии на предприятии

 

Основной объем электрической  энергии расходуется на нужды  отопления и производственных линий, и составляет 40 % и 30 % от общего расхода, соответственно.

Для перехода предприятия  на возобновляемую энергию рассмотрен проект с внедрением генератора электрической энергии на биомассе «Биомасса Про+», его технические характеристики представлены в таблице 2.2.

 

Таблица 2.2 –Характеристики  генератора «Биомасса Про+»

Параметр	Значение
1	2
Номинальная мощность, кВт	500
Габаритные размеры, мм	3650 / 1960 / 2250
Вес, кг	4500
Расход биомассы при 100% нагрузки, т / ч	0,5
Эффективность для выработки  электроэнергии, %	50~70
Средний срок работы, лет	10
Стоимость, млн. руб	4.8

 

Сырьем для его использования  являются почти все виды сельскохозяйственных отходов, таких как кукурузные стебли, стебли пшеницы и т.д., а также остатки лесной промышленности. Исключение составляет шелуха риса и рисовая соломы, из-за их более высокой зольности. В результате внедрения предприятие снижает расходы на утилизацию отходов от очистки злаковых и расходы на приобретение электрической энергии на хозяйственные нужды, которые составляют основную долю в составе затрат.

Для постоянной работы генератора годовая норма сырья составляет 4380 тонн, что на 400 тонн превышает имеющуюся массу отходов. Недостаток сырья будет компенсироваться за счет готового продукта.

3 Расчет экономической эффективности от внедрения генератора

 

 

Финансирование проекта  осуществляется за счет собственных  средств и финансирования государства в рамках краевой программы «Повышение энергетической эффективности экономики Алтайского края и сокращение издержек в бюджетном секторе», в соотношении 50/50, т. е. 2,4 млн. руб.

В ее рамках предусмотрено  внедрение энерго- и ресурсосберегающих технологий зонального земледелия и семеноводства и стимулирование механизмов, позволяющих ускорить темпы замены сельскохозяйственной техники и оборудования на инновационные, энерго- и ресурсосберегающие агрегаты нового поколения, а так же оснащение сельхозпроизводителе малыми тепловыми электростанциями, работающими на базе газопоршневых двигателей, использующих в качестве топлива биомассу. Более подробно данная программа приведена в приложении 1.

Экономическая эффективность  использования генератора на биомассе рассчитывается исходя из срока его полезного использования, который составляет 10 лет.

Для расчета эффективности  инвестирования денежных средств в  возобновляемые источники энергии  необходимо сравнить затраты на их использование с затратами на действующее электроснабжение, а также учесть эффект от снижения расходов на утилизацию отходов очистки зерна.

Затраты денежных средств  предприятия при использовании  генератора на биомассе в качестве источника электрической энергии  представлены в таблице 3.1 с детализацией по каждому году на весь период его эксплуатации. В таблице учитывается расходы только собственных средств предприятия, без учета краевого субсидирования по программе повышения энергетической эффективности предприятий сельского хозяйства. А также заложен прогнозный рост уровня заработной платы обслуживающего персонала.

 

Таблица 3.1 – Затраты денежных средств предприятия при использовании генератора на биомассе, млн. руб.

Статья расходов	1 год	2 год	3 год	4 год	5 год	6 год	7 год	8 год	9 год	10 год
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
Приобретение генератора	2,40
Постройка дополнительного  ангара для хранения зерна	1,00
Заработная плата обслуживающего персонала (в том числе социальные отчисления)	0,32	0,34	0,36	0,38	0,39	0,41	0,43	0,46	0,48	0,50
Недополученная выручка  от продажи зерна	4,00	4,00	4,00	4,00	4,00	4,00	4,00	4,00	4,00	4,00
Текущий ремонт генератора	0,12	0,12	0,12	0,12	0,12	0,12	0,12	0,12	0,12	0,12
Накладные расходы	0,44	0,22	0,22	0,22	0,23	0,23	0,23	0,23	0,23	0,23
Итого	10,68	4,68	4,70	4,72	4,74	4,76	4,78	4,80	4,83	4,85