Переход к энергоэффективной экономике: проблемы и перспективы

19.04.2021 JeeesAdmin 2019-03 0

В.М. Зайченко[0000-0002-5979-4234]

Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН),
г. Москва, 125412, Россия

E-mail: zaitch@oivtran.ru

Аннотация. В статье рассматриваются возможности перехода экономики России на энергоэффективный путь развития, какосновное направление выхода из кризиса. Показано, что автономная энергетика, основанная на использовании местных топливных ресурсов и отходов полностью соответствует требованиям, предъявляемым к современным инновационным технологиям. Одним из определяющих направлений в обеспечении энергоэффективной экономики является разработка, производство и широкое практической использование отечественных средств автономной энергетики. Особое место в автономных системах энергообеспечения должны играть системы, работающие на местных топливных ресурсах, в качестве которых основными являются древесные отходы, торф, сельскохозяйственные отходы, ТБО. Организация промышленного производства отечественных газопоршневых электростанций и мини-ТЭЦ внесёт существенный вклад в развитие автономной энергетики.

Ключевые слова: энергоэффективная экономика, ВИЭ, автономная энергетика, ТБО, мини-ТЭЦ, вторичные энергоресурсы, переработкка отходов

1. Введение

Энергоэффективное хозяйствование при открытой рыночной экономике является важнейшим фактором повышения конкурентоспособности российских товаров и услуг и жизненного уровня населения. По удельным показателям потребления энергоресурсов мы значительно отстаем от индустриально развитых стран. Сложившаяся ситуация во многом объясняется объективными причинами. Долгое время у нас отсутствовали рыночные механизмы в экономике, стоимость энергоресурсов определялась, исходя из плановых прогнозов развития экономики, при этом имеющиеся в нашей стране крупнейшие в мире запасы топливно-энергетических ресурсов представлялись нам легкодоступными и неисчерпаемыми [1]. Перевод экономики на энергоэффективной путь развития реализуется во всех индустриально развитых странах. В этой области накоплен значительный опыт, в котором, конечно, отражаются некоторые национальные особенности, но всегда обеспечение энергоэффективности связано с развитием энергосбережения – рациональным расходованием топливно-энергетических ресурсов во всех производственных сферах и с использованием новых методов получения энергии, так называемых альтернативных источников, в первую очередь возобновляемых, и местных топливно-энергетических ресурсов.

2. Разработка программ реализации энергосберегающих мероприятий для крупных потребителей энергетических ресурсов

За последние годы в ОИВТ РАН был выполнен целый ряд работ по проведению энергообследования и разработке программ энергосбережения следующих предприятий [2]:

  • Городская клиническая больница №4 (Москва);
  • Городская клиническая больница №81 (Москва);
  • Ракетно-космический завод ГКНПЦ им. М.В. Хруничева (Москва);
  • ОКБ «Салют» ГКНПЦ им. М.В. Хруничева (Москва);
  • ОАО «Москвич» (Москва);
  • п/п «Моспищекомбинат» ОАО «Русский продукт»;
  • п/п «Супермак» ОАО «Русский продукт»;
  • Специальная астрофизическая обсерватория РАН (пос. Н.Архыз, Карачаево-Черкесия);
  • ОАО «МЭЛЗ» (Москва);
  • ОАО «Завод №411 ГА» (Минводы);
  • АООТ «ОКБ Сухого» (Москва);
  • Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН (Москва);
  • Объединенный институт высоких температур РАН (Москва);
  • Сосногорский газоперерабатывающий завод ОАО «Севергазпроом» (Ухта);
  • ФГУП «Центр Келдыша» (Москва);
  • Институт биоорганической химии им. М.М.Шемякина РАН (Москва);
  • Московский завод автотракторного электрооборудования №1 (АО «АТЭ-1»);
  • Магнитогорский металлургический комбинат и т.д.

В рамках разработки и реализации программ энергосбережения были разработаны типовые технические решения по оптимизации различных систем энергопотребления и распределения энергии. Значительный опыт в реализации программ энергосбережения накоплен к настоящему времени и в других организациях, работающих в этой области. Научных, инженерных проблем с разработкой и внедрением программ реализации энергосберегающих мероприятий нет. Есть много примеров успешного внедрения передовых энергосберегающих технологий, позволивших получить значительный материальный эффект, в том числе реализованных ОИВТ РАН [3]. Сюда может быть отнесена реализация программы энергосбережения, в течение ряда последних лет осуществляемая при поддержке РЭК Московского правительства на ФГУП ГКНПЦ им. М.В. Хруничева.

Существующий опыт разработки и реализации энергосберегающих программ свидетельствует о том, что около половины потенциальных возможностей энергосбережения в России приходится на системы теплоснабжения, потребляющие около половины энергии. Максимальный экономический эффект по сокращению затрат на энергоресурсы может быть получен при выполнении реконструкции систем теплоснабжения крупных потребителей топливно-энергетических ресурсов.

Большие непроизводительные затраты энергии в системах теплоснабжения крупных потребителей тепловой энергии, в основном, обусловлены следующими причинами:

  • гидравлика тепловых сетей промышленных предприятий полностью разрегулирована. Настройка гидравлики сетей, выполненная при их монтаже, не соответствует фактическим схемам настоящего времени;
  • в связи с изменением структуры и объёмов производства изменились потребные тепловые нагрузки отдельных абонентов сети;
  • появились новые абоненты.

Имеющийся опыт функционирования сетей аналогичной сложности показывает, что автоматическая регулировка сети только на уровне крупных абонентов приводит к существенному снижению расхода тепловой энергии и повышению комфортности рабочих мест.

Это было подтверждено в процессе разработки и эксплуатации автоматизированной системы оптимизации распределения тепловых нагрузок (далее Система) на ФГУП ГКНПЦ им. М.В. Хруничева [4]. Система обеспечивает регулирование параметров теплоснабжения в соответствии с наружной температурой на каждом абоненте, включая снижение отопительной нагрузки в нерабочее время. На дисплее Центрального пульта управления (ЦПУ) информация представляется в виде мнемосхем, графиков, диаграмм и отчетных таблиц. Система автономна, работает полностью в автоматическом режиме, не требует постоянного присутствия персонала. Как показывает анализ, по своим функциональным возможностям и коммерческой эффективности Система, внедренная на ФГУП ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, превосходит многие зарубежные аналоги.

Разработанная система регулирования параметров теплоснабжения обеспечивает высокую финансово-коммерческую эффективность за счет экономии топливно-энергетических ресурсов и высокие доходы в бюджеты всех уровней. Основные узлы системы оптимизации распределения тепловых нагрузок ФГУП ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, которые могут использоваться в качестве типовых при оптимизации систем теплоснабжения разной сложности для потребителей различного назначения, представлены на рис. 1.

Система, внедренная на ФГУП ГКНПЦ им. М.В. Хруничева является прототипом высокоэффективного управления параметрами теплоснабжения на крупных потребителях тепловой энергии, которыми могут стать промышленные предприятия, системы ЖКХ, административные, медицинские, учебные учреждения и т.д.

Использование Системы позволило сократить теплопотребление в различных корпусах предприятия от 6,5 до 17,9%. Средневзвешенное снижение теплопотребления по предприятию составило 12,6%, что привело к соответствующему снижению потребления природного газа в котельной предприятия. Без учета снижения электропотребления сетевыми насосами, сокращения тепловых потерь в сетях, снижения выбросов в атмосферу и т.д., в предположении, что положительным эффектом от внедрения Системы является только экономия природного газа в котельной РКЗ, были выполнены расчеты финансово-коммерческой эффективности внедрения Системы на предприятии.

Экономическая эффективность использования Системы автоматического регулирования параметрами теплоснабжения на ФГУП ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, параметры которой были определены при выполнении проекта и подтверждены в ходе эксплуатации, находится на высоком уровне:

 — чистая прибыль, обеспечиваемая Системой в течение срока ее эксплуатации, составит 383,8 млн. руб., что в 9,2 раза превышает средства, вкладываемые в ее создание;

 — чистый дисконтированный доход (NPV) составляет 182,6 млн. руб., что обеспечивает дисконтированный индекс доходности, равный 5,37;

 — рентабельность вложений в систему (R) составляет 26,8%;

 — внутренняя норма доходности (IRR), равная 28,4%, гораздо выше реальных ставок дисконтирования;

 — дисконтированный срок окупаемости, соответствующий периоду полного возврата вложенных средств, равен 3,7 года – гораздо меньше срока службы Системы (25 лет);

 — доход Федерального бюджета от отчислений в периоды сооружения и эксплуатации Системы – 94,4 млн. руб., доход консолидированного бюджета г. Москвы – 81,0 млн. руб.

На рис. 2 представлены данные по снижению потребления природного газа на ФГУП ГКНПЦ им. М.В. Хруничева при реализации энергосберегающих мероприятий в различных энергетических системах предприятия: и оптимизации тепловой сети при переходе на децентрализованное пароснабжение, и оптимизации работы водогрейных котлов. При тиражировании технических решений, разработанных применительно к ФГУП ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, необходимые затраты будут меньше, чем при разработке и первоначальном внедрении, т.е. рентабельность и доходность от реализации энергосберегающих мероприятий увеличится, а срок окупаемости сократится.

3. Технико-экономические аспекты разработки и практического использования новых методов распределенной энергетики

В современных условиях значительную роль в повышении энергоэффективности всех сфер экономической деятельности могут сыграть автономные системы получения энергии, работающие на местных и возобновляемых источниках. Интерес к альтернативным источникам энергии стремительно растет во всем мире. По оценкам аналитиков европейского сообщества доля энергии, полученная от возобновляемых ресурсов, в общем топливно-энергетическом балансе европейских государств за ближайшие тридцать лет превысит 40% и будет увеличиваться в дальнейшем. Таким образом, будет решена проблема энергетической безопасности европейских стран, приостановлено разрушительное воздействие топливно-энергетического комплекса на окружающую среду, созданы необходимые условия для дальнейшего улучшения условий жизни населения. Однако, большинство так называемых новых и возобновляемых источников энергии в настоящее время стоят дороже, чем традиционные, базирующиеся на использовании органических топлив, и требуют дотаций из бюджета. Это необходимо для того, чтобы сделать для покупателя равными цены на энергию, получаемую по новым и традиционным технологиям.

Европейские планы развития альтернативных методов получения энергии составлялись во время устойчивого роста цен на нефтепродукты. В силу последних событий, уверенности в том, что возобновляемые источники энергии, разрабатываемые на базе существующей научной и технологической платформы, в обозримой перспективе станут конкурентоспособными с традиционными топливно-энергетическими ресурсами, становится меньше. Кризис – это всегда концентрация усилий и средств на главных направлениях. Не оглядываясь на существующие западные преференции на использование возобновляемых источников энергии, нам необходимо определить в какой степени использование новых или альтернативных источников энергии может быть выгодным для нашей страны. Безусловно, в этой деятельности мы не должны опираться на дотируемые из бюджета технологии. Отечественная научная школа в состоянии разработать новые альтернативные методы получения энергии, обеспечивающие конкурентоспособность создаваемых технологий по отношению к технологиям, использующим органические ископаемые топлива. Планы западных компаний по развитию альтернативных методов получения энергии, в основном, диктовались следующими причинами. Во-первых, стремлением обеспечить собственную энергетическую безопасность за счёт использования альтернативных методов получения энергии и уменьшения зависимости от поставок энергоресурсов с Ближнего Востока, отношения с которым в течение многих веков оставляют желать лучшего, и из традиционно непонятной для Запада России. Во-вторых, это вполне понятное желание бизнес-структур воспользоваться бюджетными средствами под предлогом необходимости национальной самообеспеченности в энергоресурсах и улучшения экологической ситуации, что и обеспечило успешное лоббирование интересов бизнеса.

Наша страна обладает самыми большими в мире запасами природной биомассы. На территории РФ сосредоточено около четверти имеющихся в мире ресурсов древесины и около 45% мировых запасов торфа. По существующим оценкам ежегодный прирост торфа в нашей стране оценивается в 260…280 млн. тонн, и только 1,1…1,2% от этого количества добывается и используется. Ресурсы торфа в России превышают суммарные запасы нефти и газа и уступают только запасам каменного угля. Именно на этих ресурсах должна строиться политика нашего государства в области возобновляемой энергетики. Принятие дотационных схем при использовании новых и возобновляемых источников энергии в значительной степени оказывает негативное влияние на уровень разработок в этом направлении. Если заранее известно, что разрабатываемые технические решения не должны быть конкурентоспособными по отношению к существующим, то это значительно упрощает задачу. В этом случае нет необходимости поиска новых фундаментальных закономерностей в определении параметров взаимодействия энергии и вещества, необходимых при разработке новых методов и схем получения энергии. Это проще и дешевле, чем пытаться разработать и построить схему на базе ранее неизвестных закономерностей, обеспечивающих получение новых качественных эффектов. С другой стороны, есть мнение, что рост цен на природные ресурсы будет оказывать большее влияние на традиционные технологии, чем на альтернативные.

  • При этом надо иметь в виду, что практически для всех видов альтернативных методов получения энергии уже сегодня есть свои ниши, где они могут быть выгоднее, чем традиционные технологии. В основном это касается энергообеспечения локальных, обособленных потребителей. В этом случае использование автономных возобновляемых источников, как правило, связано с меньшими затратами, чем подключение к централизованной энергосистеме.
  • Сравнение экономических параметров альтернативных и традиционных технологий правомерно для условий стационарного энергоснабжения. При этом сравнении должна быть определена экономическая эффективность использования традиционной либо альтернативной энергетики. Учитывая, что прогнозы стоимости энергоресурсов на период 15–20 лет дело достаточно сложное, и не всегда результаты сделанных ранее прогнозов совпадают с реальными показателями, вопрос о необходимости дотационного механизма для альтернативных методов получения энергии может быть решен только на базе практических разработок. Это вопрос о том, возможно ли сегодня при современном уровне развития науки и техники создание альтернативных методов получения энергии, цена которых не будет выше традиционных технологий. При этом нет единого подхода к методам альтернативной энергетики, т.е. невозможно разработать схему, которая экономически эффективно будет применяться в различных условиях: региональных, климатических, сырьевых и т.д. Автономная, либо распределённая энергетика является по определению региональной, т.е. для каждой группы регионов со схожими климатическими и природными условиями должны разрабатываться свои технологии получения энергии по альтернативным технологиям.
  • Разработка и создание новых методов распределённой региональной энергетики, использование которых является экономически оправданным, является основной задачей лаборатории проблем энергосбережения ОИВТ РАН.

В значительной степени интерес к распределённой либо региональной энергетике связан с изменившимися законами экономического развития [3]. Регионы заинтересованы в налоговых отчислениях. Величина налогов напрямую связана с уровнем производства. Ввод новых производственных мощностей позволяет увеличить финансирование образования, медицины, социальных выплат, благоустройства, строительства дорог и т.д., то есть улучшить показатели, по которым определяется эффективность действий регионального руководства. Если при создании новых производств собственных энергетических мощностей не хватает, то экономический эффект от ввода новых источников энергии будет поступать в регионы, производящие энергию. Это означает недополученную прибыль. Отсюда возникает заинтересованность регионов в развитии местной энергетики с использованием региональных топлив. Экономическая заинтересованность регионов в развитии распределённой энергетики обеспечивает огромный спрос на автономные устройства генерации, для удовлетворения потребностей в которых в стране отсутствуют мощности.

В стране существует значительный дисбаланс между потреблением и производством электроэнергии [5]. Как известно, за подключение новых потребителей к энергосистеме взимается значительная плата. По имеющимся данным, в 2007 году в стране было отказано в подключении потребителей на суммарную мощность 2300 МВт. Отказ в подключении был продиктован исключительно отсутствием резерва мощностей в энергосистеме. В создавшейся ситуации необходимость принятия срочных мер по устранению дефицита энергоресурсов выдвигает на первый план задачу развития распределённой энергетики на базе местных топливно-энергетических ресурсов как наиболее рационального и экономически оправданного надежного метода электро- и теплоснабжения. Естественно, обеспечение всех потребностей в электроэнергии не может быть осуществлено только за счёт малых и автономных энергетических установок. Но сооружение крупных станций требует значительных финансовых ресурсов. В период инвестиционной нестабильности и отсутствия «длинных» денег значительная часть проблем с электроснабжением будет решаться за счёт малых станций. При этом надо понимать, что чрезмерное использование автономных энергоисточников будет таким же отклонением от оптимального направления развития энергетики, как и принятая ранее концепция централизации всех энергопроизводящих мощностей.

4. Автономные отечественные электростанции и мини-ТЭЦ на природном газе

В последнее время резко возрос интерес к автономным энергетическим установкам, использующим газопоршневой двигатель в качестве привода электрогенератора. Такие установки имеют ряд несомненных достоинств: относительно низкие удельные капитальные затраты, короткие сроки монтажа, быстрый запуск, простота обслуживания, высокий КПД при частичных нагрузках, мобильность. Наибольшей экономичностью отличаются установки, оснащенные теплообменными агрегатами для утилизации тепла (мини-ТЭЦ)[6]. Если коэффициент использования топлива электростанций на базе газопоршневого двигателя составляет 32…35%, то для мини-ТЭЦ (установок с когенерацией тепла) – 82…85%.

На российском рынке сегодня представлены, в основном, агрегаты известных иностранных компаний (Jenbacher, Caterpillar, Deuts, Tedom и др.). При всех достоинствах импортные агрегаты обладают двумя существенными недостатками: высокой удельной стоимостью и проблемами с сервисным обслуживанием и ремонтом.

Основная часть производителей в сфере малого и среднего бизнеса в России использует электрические и тепловые мощности в диапазоне 100…1000 кВт. Для создания мини-ТЭЦ в этом диапазоне мощностей наиболее приемлемым является использование отечественных дизельных двигателей, в частности Ярославского моторного завода, мощностью 60, 100, 200 и 315 кВт, конвертируемых в газопоршневые агрегаты. Выпуск мини-ТЭЦ этого ряда мощностей освоен в настоящее время группой компаний «Малые газопоршневые станции» (ГК «МГС», Москва) на базе технической документации НАТИ, собственных разработок и исследований Объединенного института высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН). Отработка конструкций и режимных параметров отечественных мини-ТЭЦ осуществляется на специализированном стенде, созданном в ОИВТ РАН. В настоящее время стенд такого назначения является единственным в стране.

Фотография стенда ОИВТ РАН представлена на рис. 3.

Стенд предназначен для исследования режимов работы газопоршневых электростанций и мини-ТЭЦ, отработки систем подачи газового топлива, систем автоматики двигателя и электростанции, систем тепловой автоматики, для испытаний теплообменников, снятия режимных характеристик агрегатов при моделировании электрической и тепловой нагрузок потенциального потребителя. На стенде были отработаны конструкции газопоршневых мини-ТЭЦ на базе дизелей производства Ярославского моторного завода электрической мощностью 100, 200 и 315 кВт. Полученные в ходе испытаний данные были использованы для разработки технической документации, необходимой для передачи мини-ТЭЦ в серийное производство.

Фотография мини-ТЭЦ электрической мощностью 315 кВт в контейнерном исполнении в ходе стендовых испытаний представлена на рис. 4.

Стоимость установленного кВт отечественных мини-ТЭЦ составляет $520…540, это примерно в 2–2,5 раза меньше стоимости установленного кВт электростанций и мини-ТЭЦ импортных производителей. Мини-ТЭЦ изготавливаются как в виде отдельных агрегатов для стационарной установки в имеющихся помещениях, так и в блочно-модульном исполнении – в передвижных контейнерах, устанавливаемых на открытых площадках.

  • В качестве примера, подтверждающего экономическую выгодность сооружения отечественных мини-ТЭЦ на базе двигателей Ярославского завода, можно привести разработанный ОИВТ РАН проект сооружения станции мощностью 315 кВт для энергоснабжения нижней научной площадки и жилого поселка Специальной астрофизической обсерватории Российской академии наук (САО РАН) в поселке Нижний Архыз (Карачаево-Черкесская Республика). Анализ финансово-коммерческой эффективности проекта показал, что при сооружении данной станции обеспечиваются следующие показатели:
  • чистый дисконтированный доход составит около 70 млн. руб. и более чем в 5 раз превысит требуемый объем инвестиций в строительство;
  • внутренняя норма доходности составит не менее 40% и многократно превысит максимальные расчетные значения ставок дисконтирования;
  • индекс доходности для инвестиций в целом будет иметь значения около 6, т.е. значительно превысит единицу;
  • себестоимость производства электроэнергии не превысит 50 коп/кВтч, что в несколько раз меньше тарифа на покупную электроэнергию;
  • бюджетная эффективность за расчетный период эксплуатации станции определяется расчетной суммой отчислений в бюджет, равной 280 млн. руб.

Сооружение автономных энергоисточников на природном газе экономически целесообразно при дефиците электрической энергии не только в отдаленных регионах, но и в больших городах также.

В рамках реализации программы энергосберегающих мероприятий, разработанной лабораторией проблем энергосбережения ОИВТ РАН для ФГУП ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, были исследованы возможности снижения затрат на электропотребление путем создания на заводе собственных энергоисточников, позволяющих на первом этапе частично, а затем полностью заменить централизованное электроснабжение автономными энергоисточниками. Электропотребление котельной ФГУП ГКНПЦ им. М.В. Хруничева составляет около 20% от общего объема электроэнергии, потребляемой предприятием. При рассмотрении  возможности перевода котельной завода на собственное обеспечение электрической энергией необходимо было учитывать неравномерность сезонных и суточных графиков тепловых нагрузок. В силу этих причин схема собственной ТЭС разрабатывалась с учетом того, что при снижении электропотребления в котельной вырабатываемая электроэнергия могла бы быть использована для питания других потребителей. Мощность сооружаемой ТЭС была определена в размере 4 МВт с учетом перевода на нее постоянной составляющей загрузки котельной по вырабатываемой тепловой энергии. Такой постоянной круглогодичной нагрузкой является нагрузка системы горячего водоснабжения, равная 3,6 Гкал/ч (4,2 МВт). Проект был выполнен для установки оборудования американской фирмы CATERPILLAR.

Рабочий проект учитывает возможность увеличения мощности собственного энергоисточника до 16–20 МВт, что позволит полностью обеспечить потребности предприятия в электроэнергии.

Для варианта, признанного приоритетным, получены следующие значения основных экономических критериев.

Простые показатели для инвестиционных затрат:

  • чистый доход за расчетный период                     —             1004,2 млн. руб.
  • срок окупаемости капитальных вложений         —             6,3 года
  • рентабельность капитальных вложений             —             16,0%
  • сумма отчислений в бюджеты всех рангов               1667,4 млн. руб.
  • Технико-экономические параметры проекта удовлетворяют всем основным требованиям финансово-коммерческой эффективности:
  • чистый дисконтированный доход является положительной величиной;
  • внутренняя норма доходности существенно превышает максимальные расчетные значения ставки дисконтирования;
  • индекс доходности значительно больше единицы;
  • дисконтированный срок окупаемости гораздо меньше срока службы основного оборудования, составляющего 30 лет.
  • Себестоимость отпускаемой электроэнергии после расчета за кредиты, приведенная к исходным ценам (на 01.07.2007 г.), составляет 0,56 руб./кВтч – более чем в два раза ниже расчетного тарифа в исходных ценах (без НДС). Для тепловой энергии это соотношение составляет около 1,5 при себестоимости, приведенной к исходным ценам 469,7 руб./Гкал. Это и обеспечивает быструю окупаемость инвестиций.
  • Реализация проекта обеспечит значительную бюджетную эффективность. Общая сумма отчислений в бюджеты всех уровней за расчетный период в прогнозных ценах составит 1667,4 млн. руб., в том числе в консолидированный бюджет г. Москвы – 667,2 млн. руб. Такие значительные суммы поступлений в бюджеты должны стимулировать бюджетную поддержку реализации проекта.

5. Автономные энергокомплексы на местных топливно-энергетических ресурсах

Одной из возможных технологией производства электроэнергии и тепла при переработке отходов является технология получения на первой стадии энергетического газа, а на второй – сжигание данного газа в мини-ТЭЦ на базе газопоршневого двигателя с одновременным производством электрической и тепловой энергии. К настоящему времени известны две технологии получения энергетического газа при термической переработке биомассы: газификация и пиролиз[7]. При пиролизе (нагреве перерабатываемого материала без доступа окислителя) возможно получение энергетического газа с теплотворной способностью до 5000 ккал/м3, побочными продуктами пиролиза является твердая и жидкая фаза реакции. Теплосодержание получаемой газообразной фазы не превышает 25% от энергии, запасенной в перерабатываемой биомассе. Оставшаяся энергия распределяется между жидкой и твёрдой фазами. С экологической точки зрения жидкая фаза пиролиза небезопасна, ее переработка, либо утилизация связана со значительными трудностями. В силу этих причин процессы пиролиза на практике не применяются. При газификации осуществляется безотходная переработка исходного сырья, но теплотворная способность получаемого энергетического газа не выше 1100 ккал/м3. Получаемый при газификации газ примерно на 50–60% состоит из водорода и окиси углерода, остальное составляет азот. Использование газа с низкой теплотворной способностью в современных энергетических агрегатах, рассчитанных на высокие тепловые нагрузки, неэффективно. Для энергетического использования продуктов переработки биомассы необходимо осуществление процесса получения энергетического газа экологически безопасными методами, при этом получаемый газ должен иметь достаточный уровень теплосодержания, обеспечивающий возможность его использования в современном энергетическом оборудовании.

Принципиальная схема процесса переработки биомассы по технологии ОИВТ РАН представлена на рис. 5.

Разрабатываемая технология переработки биомассы состоит в следующем. Проводится пиролиз биомассы с образованием газообразных, жидких и твердых продуктов реакции. На схеме реакционное пространство, в котором осуществляется  пиролиз биомассы, условно показано цифрой 1. Жидкая фаза пиролиза состоит из набора высокомолекулярных соединений СnHm и пирогенетической воды. При температурах пиролиза Т1 + 400–900 °С жидкие продукты реакции находятся в паровой фазе. Газообразные продукты реакции пиролиза, состоящие из конденсируемой и неконденсируемой части при температурах порядка 1000 °С (на схеме реакционное пространство 2, температура Т2) продуваются через твердую углеродную фазу, образующуюся при пиролизе, осуществляемом на первой стадии процесса. При этом пирогенетическая вода, находящаяся в паровой фазе, взаимодействует с углеродом с образованием водорода и окиси углерода по реакции С + Н2О = СО + Н2. Высокомолекулярные соединения, входящие в состав конденсируемой фазы, пиролизуются при прохождении через засыпку высокотемпературного углерода с образованием водорода и окиси углерода (СnHm= С + Н2). Таким образом, осуществляется конверсия жидких и твердых продуктов реакции в водород и окись углерода, что обеспечивает безотходную переработку биомассы с получением высококалорийных энергетических газов.

Газообразные продукты реакции направлялись в конденсатор B. Несконденсированные продукты реакции поступают в измерительный объем С. Отбор проб для хроматографического анализа осуществляется в точке D. Эксперименты проводились при различных значениях температур Т1 и Т2. Зависимость объема получаемых в процессе газообразных продуктов реакции от температуры в зоне реакции 1 при нескольких значениях температур в зоне реакции 2 (зоне крекинга высокомолекулярных соединений и реакции водяных паров с углеродным остатком пиролиза), равных 850, 950 и 1000 °С, представлена на рис. 6. Для сравнения, на этом же рисунке представлена зависимость объема газообразных продуктов реакции, получаемых при традиционной технологии пиролиза, т.е. без разложения получаемых газообразных продуктов реакции на углеродном остатке (Т2 = Т1).

Как видно из рисунка, объем газовой фазы, образующийся в разрабатываемой технологии термической переработки биомассы, в значительной степени определяется температурой в зоне крекинга высокомолекулярных соединений и взаимодействия водяных паров с углеродным остатком пиролиза (на рис. 5 зона 2). С ростом температуры в верхней части реактора объем образующихся газов увеличивается. Одновременно происходит уменьшение количества жидкой фракции, собираемой в конденсаторе. Как показали эксперименты, при температуре Т2 = 1000 °С при переработке древесных отходов и торфа жидкая фракция полностью исчезает.

Таким образом, при фильтрации через угольный остаток газов и паров, образующихся в процессе термической деструкции торфа, происходит не только разложение высокомолекулярных органических соединений, которые при обычном пиролизе конденсируются в виде смол, но и взаимодействие пирогенетической воды с угольным остатком, приводящее к образованию водорода и окиси углерода. В пределе при определенном содержании воды в перерабатываемой биомассе возможна полная переработка угольного остатка в водород и окись углерода.

В табл. 1 показан состав газообразных продуктов реакции, получаемых по разрабатываемой технологии, при переработке торфяных пеллет в зависимости от температуры в зоне крекинга.

Основным достоинством разрабатываемой технологии является высокая степень конверсии энергии перерабатываемой биомассы в энергетический газ. В существующих технологиях пиролиза эта величина не превышает 0,18, в технологии ОИВТ РАН – 0,78. Количество выделяющихся газов – около 1,4 нм3 на кг исходного продукта, а теплотворная способность получаемого газа – около 3000 ккал/нм3. По составу получаемая газовая смесь состоит из окиси углерода и водорода.

Технология позволяет осуществить эффективную безотходную переработку местных топливно-энергетических ресурсов, в первую очередь древесных и сельскохозяйственных отходов, торфа с получением высококалорийного энергетического газа, который непосредственно может быть эффективно использован для производства электрической и тепловой энергии, в том числе в мини-ТЭЦ.

Изложенные выше принципы реализованы при сооружении демонстрационного автономного энергокомплекса, в состав которого входит реактор для получения высококалорийного энергетического газа и мини-ТЭЦ для совместного производства электрической и тепловой энергии. Установка представлена на рис. 7. В данном реакторе для получения высококалорийного газа из древесных отходов и торфа процессы пиролиза биомассы и взаимодействия жидкой фазы и пирогенетической воды с твердой фазой процесса объединены в одном аппарате.

6. Заключение

К настоящему времени в области энергосбережения для различных видов потребителей имеется определенный задел, в создании которого имеется вклад также и лаборатории проблем энергосбережения ОИВТ РАН. Тиражирование разработанных технических решений позволит быстро и надежно получить значительный экономический эффект. Разработанные энергосберегающие мероприятия для многих систем могут использоваться в качестве типовых по своим технико-экономическим показателям и, как это было показано для системы оптимизации тепловых нагрузок РКЗ им М.В. Хруничева, результаты их внедрения превосходят зарубежные аналоги.

Одним из определяющих направлений в обеспечении энергоэффективной экономики является разработка, производство и широкое практической использование отечественных средств автономной энергетики. Особое место в автономных системах энергообеспечения должны играть системы, работающие на местных топливных ресурсах, в качестве которых основными являются древесные отходы, торф, сельскохозяйственные отходы, ТБО. Организация промышленного производства отечественных газопоршневых электростанций и мини-ТЭЦ внесёт существенный вклад в развитие автономной энергетики.

Основным направлением выхода из кризиса является перевод промышленности на инновационные рельсы. Это значит, на организацию производства товаров и услуг на базе наукоёмких технологий. Автономная энергетика, основанная на использовании местных топливных ресурсов и отходов, в том числе на базе разработок лаборатории проблем энергосбережения ОИВТ РАН как раз и является практической реализацией научных исследований фундаментального плана, что полностью соответствует требованиям, предъявляемым к современным инновационным технологиям.

Литература

  1. Бушуев В.В. Энергетика России (избранные статьи, доклады, презентации). В 3 томах. Т. 3: Мировая энергетика и Россия. Москва: ИЦ «Энергия», 2014. 415 с.
  2. Зайченко В.М. Основные мероприятия, необходимые для перехода к энергоэффективной экономике [Электронный ресурс] // https://jiht.ru/staff/page_units/lab2-2/Зайченко.doc. 2010.
  3. Антропов А.П., Батенин В.М., Зайченко В.М. Новые технологии распределенной энергетики // Теплофизика высоких температур. 2015. Т. 53, № 1. С. 111.
  4. Оптимизация распределения нагрузок в тепловой сети [Электронный ресурс] // https://owen.ru/project/optimizaciya_raspredeleniya_nagruzok_v_teplovoj_seti.
  5. Федеральная служба государственной статистики. Топливно-энергетические балансы [Электронный ресурс] // https://www.gks.ru. 2016.
  6. Наумов Л.А. МИНИ-ТЭЦ – очередной бум или объективная потребность отечественной энергетики // АВОК. 2005. № 7.
  7. Зайченко В.М., Крысанова К.О., Лавренов В.А. Метод и устройство пиролитической переработки отходов целлюлозно-бумажного производства в высококачественный синтез-газ // Экология и промышленность России. 2018. Т. 22, № 11. С. 4–9.

Reference

  1. Bushuev V.V. Energy of Russia (selected articles, reports, presentations). In 3 volumes. T. 3: World Energy and Russia. Moscow: PC Energia, 2014.415 p.
  2. Zaichenko V.M. The main activities required for the transition to an energy-efficient economy [Electronic resource] // https://jiht.ru/staff/page_units/lab2-2/Zaichenko.doc. 2010.p. 387.
  3. Antropov A.P., Batenin V.M., Zaichenko V.M. New technologies of distributed energy // Thermophysics of high temperatures. 2015. V. 53, No. 1. p. 111.
  4. Optimization of load distribution in the heat network [Electronic resource] // https://owen.ru/project/optimizaciya_raspredeleniya_nagruzok_v_teplovoj_seti.
  5. Federal State Statistics Service. Fuel and energy balances [Electronic resource] // https://www.gks.ru. 2016.
  6. Naumov L.A. MINI-TPP — another boom or objective need for domestic energy // ABOK. 2005. No. 7.
  7. Zaichenko V.M., Krysanova K.O., Lavrenov V.A. Method and device for pyrolytic processing of pulp and paper production waste into high-quality synthesis gas // Ecology and Industry of Russia. 2018.Vol. 22, No. 11. p. 4–9.