Отходы зерновых Краснодарского края как местный ресурс тепловой энергии

Полный текст

Введение В агропромышленном секторе Краснодарского края ведущей отраслью является растениеводство, огромные масштабы которого связаны с образованием значительного количества отходов. Утилизация послеуборочных остатков на полях представляет для сельхозпроизводителей давнюю проблему, требующую дополнительных материальных и трудовых затрат. Согласно [1], сохраняется традиционное ежегодное сжигание стерни и пожнивных растительных остатков на полях, особенно в Центральном и Южном федеральных округах РФ, которые являются причиной порядка 30% лесных пожаров и источником выбросов черного углерода. Так же поступают во многих случаях с древесными отходами садов и виноградников, возникающими в результате необходимой технологической операции выращивания плодов и винограда - формирующих и санитарных обрезок деревьев и лозы. Альтернативным способом утилизации растительных отходов является использование их в качестве топлива. Биоэнергетическая отрасль успешно развивается во многих странах мира, и в частности в Европейском Союзе. При этом для производства энергии масштабно используются отходы растениеводства, особенно соломы. Признанным лидером здесь является Дания. На ее территории функционируют более десяти тысяч фермерских котлов на соломе (мощностью 0,1-1,0 МВт) и 55 котельных в системе централизованного теплоснабжения (0,5-12 МВт). Кроме того, 8 теплоэлектроцентралей (ТЭЦ) (2-28 МВт) и 4 электростанции в качестве топлива совместно с соломой используют древесную щепу, твердые коммунальные отходы (ТКО) или ископаемые топлива (уголь, природный газ) [2]. Среди этих объектов - крупнейшая и одна из самых эффективных ТЭЦ на биотопливе (щепа, пеллеты, солома) в мире - Avedøre - общей мощностью 801 МВт электроэнергии и 915 МВт тепла [3]. В Великобритании эксплуатируется более 80 электростанций на биомассе общей мощностью более 4000 МВт [4]. В стране успешно эксплуатируются самые большие в мире ТЭЦ на соломе: Sleaford Renewable Energy Plant мощностью 38 МВт (с 2014 г.), Brigg Renewable Energy Plant и Snetterton Renewable Energy Plant - мощностью 40 МВт (с 2016 г.) и 44 МВт (с 2017 г.) соответственно. Практически во всех странах Европы производится и используется твердое биотопливо из растительных остатков в виде гранул и брикетов: в фермерских котлах малой мощности (~100кВт), в средних котельных в системе централизованного теплоснабжения (0,5-7 МВт) и на крупных теплоэлектростанциях (ТЭС/ТЭЦ). Во всем мире энергетическое использование отходов биомассы рассматривается как оптимальная альтернатива традиционным видам топлива. Это связано с тем, что растительные отходы (такие как древесные и солома) являются CO2-нейтральными, имеют низкое содержание серы, относятся к возобновляемым источникам энергии. Высокая теплотворная способность соломы определяет возможность использования ее для получения тепловой энергии, необходимой предприятиям, в виде горячей воды и воздуха, а также высокотехнологичного пара для производства электроэнергии. Однако для реализации энергетического потенциала соломы необходимо применение специальных топочных устройств, конструкции и технологические регламенты которых способны преодолеть ряд недостатков соломы как топлива, обусловленных ее химическим составом (наличие в соломе высоких концентраций натрия, калия и хлора): 1) низкая температура плавления золы, вызывающая шлакование стенок топки и нарушение процессов горения в топке, неполное сгорание топлива, определяющее значительное содержание оксидов азота и соединений хлора в продуктах сгорания; 2) высокое содержание летучих веществ обуславливает необходимость специальных требований к распределению и смешиванию воздуха, поступающего в зону горения топки, многоступенчатой очистки выхлопов сажи; 3) коррозия стальных элементов установок. Конструктивные и технологические решения современных котлов для сжигания соломы преодолевают все недостатки соломы как теплоносителя, но эти усовершенствования приводят к удорожанию теплогенерирующих устройств. Соломенные котлы пока стоят дороже традиционных жидкотопливных или газовых [5]. Краснодарский край, который характеризуется высоким уровнем агропромышленного производства, сопровождающегося образованием значительных объемов органических отходов, является одним из наиболее перспективных регионов для внедрения технологий биоэнергетики в России. Большая плотность населения и значительный рекреационный потенциал его территорий определяют актуальность задачи эффективной утилизации отходов для решения как экологических, так и энергетических проблем. Прежде всего для определения перспектив развития биоэнергетики необходима оценка ее сырьевой базы - объемов и энергосодержания агробиомассы, которой располагает регион для производства энергии и тепла. Помимо этого, важным и актуальным является соотнесение размеров потенциала биоэнергетики с реальными региональными потребностями населения, а также расчет экологического эффекта от использования данного вида биотоплива вместо традиционных видов топлив. Материалы и методы исследования Использованные в данном исследовании подходы к проведению оценок были ранее изложены в [6] и развиты в работах авторов [7; 8]. Расчеты валового и технического энергетического потенциала биомассы проведены с детализацией отходов от выращивания отдельных видов сельскохозяйственных культур. Это связано с тем, что различные виды отходов отличаются нормами образования и удельным энергосодержанием. Для определения энергии, заключенной в биомассе отходов, используются значения массы отходов и их удельного энергосодержания (низшей теплоты сгорания) в соответствии с видом биомассы. Масса ежегодно образующихся органических отходов растениеводства вида i (Mi) рассчитывалась с использованием статистических данных о годовом урожае Ni и коэффициентов соотношения отходов и полезной части растения Li (для отходов зерновых этот коэффициент был принят равным 1): . (1) На основе определенной таким образом массы отходов энергетический потенциал рассчитывался как произведение массы отходов каждого вида на их удельное энергосодержание (Ki) (для сухой соломы коэффициент составляет 3500): . (2) Тогда суммарный валовой биоэнергетический потенциал рассматриваемой территории, учитывающий все виды органических отходов растениеводства (обозначены индексом i), определяется как . (3) В расчетах были использованы официальные данные Федеральной службы государственной статистики (Росстата), а именно ежегодные данные по валовому сбору урожая зерновых культур. При расчете технического энергетического потенциала отходов, т.е. годового количества тепловой или электрической энергии, которая может быть получена с использованием современных доступных технологий, принимались следующие допущения: для получения тепловой энергии на биомассе отходов используется Мини-ТЭС с прямым сжиганием, для которой коэффициент преобразования энергии равен КПT = 0,80, доля энергии на собственные нужды - СНT = 0,14. При этом учитывались - помимо энергетических - другие направления использования отходов растениеводства, т.е. соломы: животноводство (подстилка для скота), запахивание в почву для повышения плодородия пашни и т.п. Предполагалось, что только 50% валового энергетического потенциала может быть преобразовано в технический тепловой потенциал. Тогда технический потенциал получения тепловой энергии из биомассы отходов зерновых выражается как . (4) Для оценки потенциала замещения при использовании отходов сельского хозяйства в производстве тепловой энергии необходимы данные о потреблении тепловой энергии в регионе. Однако статистические данные на уровне субъектов и муниципалитетов по затратам тепловой энергии на теплообеспечение и горячее водоснабжение зачастую недоступны. В связи с этим в данной работе нами были проведены обобщенные оценки потребления тепловой энергии жилыми зданиями. При этом учитывались затраты тепла в помещениях на компенсацию трансмиссионных потерь, потерь на вентиляцию и горячее водоснабжение и принималось, что трансмиссионные потери составляют 35% от общих тепловых потерь. Для оценки трансмиссионных потерь были использованы данные по удельным трансмиссионным потерям (УТП) для региона исследования (УТП для Краснодара составляют 165-190 кДж/м2·ГСОП) [9]. Для оценки градусо-суток за отопительный период (ГСОП) каждого региона были использованы данные ресурса РП5[4] и длительность отопительного периода по данным администраций или министерств энергетики регионов. Для оценки площади ограждающих поверхностей в жилищном фонде регионов были использованы данные о численности сельского и городского населения, нормах жилой площади в городе, на селе и доле жилой площади, обеспеченной отоплением и горячим водоснабжением[5]. При расчете энергии различных видов топлива, выраженной в тоннах условного топлива по угольному эквиваленту, использовались коэффициенты, представленные в работе [10]. Результаты и их обсуждение Возрастающее потребление энергии в промышленности, отсутствие достаточных энергетических мощностей в сельском хозяйстве и потребность в экологически чистой энергии в рекреационной сфере обуславливают необходимость использования возобновляемых источников энергии в Краснодарском крае. По данным экспертов «РИА Рейтинг», Краснодарский край является одним из наиболее энергодефицитных регионов, Российской Федерации. В рейтинге субъектов РФ по уровню энергодостаточности в 2017 г. Краснодарский край совместно с Республикой Адыгея вошел в тройку самых энергодефицитных регионов страны. Краснодарский край - крупнейший регион России по производству зерна. В 2021 г. сбор урожая зерновых в крае составил более 15,5 млн т (в 2020 году - 12,5 млн т). При этом урожай озимой пшеницы - основной культуры, выращиваемой на Кубани, оказался максимально высоким (10,6 млн т) за всю историю региона[6]. Территориальное распределение энергопотенциала зерновых отходов в Краснодарском крае представлено на рис. 1. Видно, что в соответствии с агроклиматическими условиями и типом почв наибольшим энергетическим потенциалом соломы обладают районы, расположенные на севере и в центральной части края (рис. 1а). Около половины районов Краснодарского края имеют урожаи зерновых более 4 млн центнеров в год, что соответствует энергосодержанию отходов (соломы) свыше 170 тыс. т у.т./год для каждого из этих районов (табл. 1). Из них 7 районов собирают более 5 млн центнеров в год и 2 района - более 6 млн, что обеспечивает валовой энергопотенциал отходов более 213 и 298 тыс. т у.т./год соответственно. Результаты расчетов, представленные в табл. 1, показывают, что отношение технического энергетического потенциала соломы (по тепловой энергии), получаемой ежегодно в Краснодарском крае, с учетом расходования ее и на другие хозяйственные нужды, к теплу, потребляемому населением края, составляет в среднем около 57 %. В 21 муниципальном районе Краснодарского края это отношение больше 100 %, что обеспечивает возможность полного покрытия потребности в теплоснабжении и горячем водообеспечении населения этих районов. а б Рис. 1. Пространственное распределение энергопотенциала из отходов зерновых для Краснодарского края: а - валовой энергопотенциал; б - отношение технического потенциала тепловой энергии из соломы к потреблению тепловой энергии населением [КМА1] а b Figure 1. Spatial distribution of energy potential from cereals waste for the Krasnodar region: a - gross energy potential; b - the ratio of the technical potential of thermal energy from straw to the consumption of thermal energy by the population. Таблица 1. Теплоэнергопотенциал отходов соломы и его соотношение с потребностями тепла населения муниципальных образований Краснодарского края (по данным 2019 г.) № Муниципальные районы (рейтинг районов по величине потенциала производства тепла из соломы) Сбор соломы, тыс. т/год Валовой энергопотенциал соломы, тыс. т у.т./год Технический потенциал тепловой энергии соломы, млн Гкал/год Затраты тепла населением, млн Гкал/год Доля тепла из соломы от затрат тепла в жилых помещениях 1 Каневской 689 293 0,70 0,42 1,67 2 Кущёвский 688 292 0,70 0,27 2,61 3 Новопокровский 573 243 0,59 0,17 3,36 4 Тихорецкий 571 243 0,58 0,52 1,13 Окончание табл. 1 № Муниципальные районы (рейтинг районов по величине потенциала производства тепла из соломы) Сбор соломы, тыс. т/год Валовой энергопотенциал соломы, тыс. т у.т./год Технический потенциал тепловой энергии соломы, млн Гкал/год Затраты тепла населением, млн Гкал/год Доля тепла из соломы от затрат тепла в жилых помещениях 5 Новокубанский 570 242 0,58 0,38 1,54 6 Ейский 551 234 0,56 0,61 0,93 7 Павловский 550 234 0,56 0,27 2,09 8 Красноармейский 542 230 0,55 0,43 1,29 9 Выселковский 527 224 0,54 0,24 2,25 10 Славянский 479 204 0,49 0,59 0,83 11 Курганинский 474 202 0,49 0,46 1,06 12 Тимашёвский 431 183 0,44 0,48 0,91 13 Кореновский 422 179 0,43 0,38 1,13 14 Крыловский 412 175 0,42 0,15 2,90 15 Ленинградский 408 173 0,42 0,26 1,61 16 Белоглинский 407 173 0,42 0,13 3,33 17 Гулькевичский 402 171 0,41 0,44 0,94 18 Отрадненский 400 170 0,41 0,26 1,56 19 Калининский 398 169 0,41 0,21 1,94 20 Усть-Лабинский 387 165 0,40 0,47 0,85 21 Кавказский 383 163 0,39 0,55 0,71 22 Брюховецкий 380 162 0,39 0,21 1,89 23 Приморско-Ахтарский 380 162 0,39 0,27 1,46 24 Щербиновский 366 156 0,37 0,15 2,58 25 Лабинский 336 143 0,34 0,44 0,79 26 Тбилисский 326 139 0,33 0,20 1,67 27 Староминский 297 126 0,30 0,17 1,82 28 Динской 287 122 0,29 0,17 0,49 29 Успенский 187 80 0,19 0,16 1,17 30 Мостовский 176 75 0,18 0,31 0,58 31 Северский 172 73 0,18 0,54 0,33 32 Абинский 156 66 0,16 0,44 0,36 33 Крымский 139 59 0,14 0,59 0,24 34 Белореченский 107 46 0,11 0,48 0,23 35 Темрюкский 93 40 0,10 0,55 0,17 Table 1. Heat and energy potential of straw waste and its correlation with the heat needs of the population of the Krasnodar region municipalities (according to 2019 data) № Municipal areas (ranking of districts by the largest potential for heat production from straw) Amount of straw collection, thousand tons/year Gross energy potential of straw, thousand tons of fuel equivalent/year Thermal energy technical potential from straw, million Gcal/year Heat consumption by the population, million Gcal/year Share of heat from straw in heat consumption i n residential houses 1 Kanevskaya 689 293 0.70 0.42 1.67 2 Kushchevsky 688 292 0.70 0.27 2.61 3 Novopokrovsky 573 243 0.59 0.17 3.36 4 Tikhoretsky 571 243 0.58 0.52 1.13 5 Novokubansky 570 242 0.58 0.38 1.54 6 Yeisk 551 234 0.56 0.61 0.93 7 Pavlovsky 550 234 0.56 0.27 2.09 8 Krasnoarmeisky 542 230 0.55 0.43 1.29 9 Vyselkovsky 527 224 0.54 0.24 2.25 10 Slavyanskiy 479 204 0.49 0.59 0.83 11 Kurganinsky 474 202 0.49 0.46 1.06 12 Timashevsky 431 183 0.44 0.48 0.91 13 Korenovsky 422 179 0.43 0.38 1.13 14 Krylovsky 412 175 0.42 0.15 2.90 15 Leningradsky 408 173 0.42 0.26 1.61 16 Beloglinsky 407 173 0.42 0.13 3.33 Table 1, ending № Municipal areas (ranking of districts by the largest potential for heat production from straw) Amount of straw collection, thousand tons/year Gross energy potential of straw, thousand tons of fuel equivalent/year Thermal energy technical potential from straw, million Gcal/year Heat consumption by the population, million Gcal/year Share of heat from straw in heat consumption i n residential houses 17 Gulkevichsky 402 171 0.41 0.44 0.94 18 Otradnensky 400 170 0.41 0.26 1.56 19 Kalininsky 398 169 0.41 0.21 1.94 20 Ust-Labinsky 387 165 0.40 0.47 0.85 21 Caucasian 383 163 0.39 0.55 0.71 22 Bryukhovetsky 380 162 0.39 0.21 1.89 23 Primorsko-Akhtarsky 380 162 0.39 0.27 1.46 24 Shcherbinovsky 366 156 0.37 0.15 2.58 25 Labinsky 336 143 0.34 0.44 0.79 26 Tbilisskiy 326 139 0.33 0.20 1.67 27 Starominskiy 297 126 0.30 0.17 1.82 28 Dinskoy 287 122 0.29 0.17 0.49 29 Uspensky 187 80 0.19 0.16 1.17 30 Mostovsky 176 75 0.18 0.31 0.58 31 Seversky 172 73 0.18 0.54 0.33 32 Abinskiy 156 66 0.16 0.44 0.36 33 Krymskiy 139 59 0.14 0.59 0.24 34 Belorechensky 107 46 0.11 0.48 0.23 35 Temryuksky 93 40 0.10 0.55 0.17 Сопоставление карт общего валового энергопотенциала соломы и доли покрытия потребностей в тепловой энергии за счет соломы (см. рис. 1) позволяет заключить, что в Краснодарском крае есть районы с высоким энергопотенциалом отходов зерновых культур, который тем не менее не покрывает потребности населения в тепле (Ейский, Славянский, Тимашевский, Кавказский, Гулькевичский). Это объясняется большой плотностью и численностью населения и, соответственно, высокими потребностями в энергии. Расчеты потенциала замещения традиционных видов топлива топливом из соломы (рис. 2) показали, что теплоэнергетический потенциал соломы, ежегодно получаемой как побочный продукт производства зерна в Краснодарском крае, даже с учетом использования 50% ее на другие хозяйственные нужды, способен заменить порядка 7680 тыс. т каменного угля, 4070 тыс. т дизельного топлива, 4300 тыс. т топочного мазута, 5110 тыс. м3 природного газа в год. Необходимость замены возобновляемыми источниками энергии традиционного углеводородного топлива диктуется не только негативным воздействием продуктов его сгорания на окружающую среду, но и потребностью сохранения сырьевой базы для производства самых разнообразных видов продукции. Ресурсосбережение в энергетической отрасли позволяет обеспечить развитие секторов нефте- и газопереработки, нефтегазохимии и производства на этой основе широкого ассортимента химической продукции самого разного назначения [11]. При замене традиционного топлива соломой происходит предотвращение выделения углекислого газа в атмосферу, так как при сжигании растительной биомассы образуется такое же количество CO2, какое было усвоено в ходе ее роста - отходы растительного происхождения считаются нейтральными по отношению к балансу углекислого газа в атмосфере. По расчетам, проведенным согласно [12], в Краснодарском крае при замещении соломой дизельного топлива ежегодно может происходить предотвращение выделения более 12 700 тыс. т СО2; при замене соломой каменного угля - 12 400 тыс. т СО2, топочного мазута - 13 400 тыс. т СО2 в год. Рис. 2. Потенциал замещения традиционных видов топлива биотопливом из соломы для муниципальных образований Краснодарского края [КМА2] Figure 2. Potential for replacing traditional fuels with straw-based biofuels for the municipalities of the Krasnodar region Выводы 1. Для регионов России со значительным развитием отрасли растениеводства актуальным является внедрение методов утилизации отходов с получением полезных продуктов, в том числе энергии. 2. За рубежом, особенно в Европейском Союзе, в первую очередь в связи с той же проблемой утилизации отходов, а также в связи с необходимостью расширения сырьевой базы энергетики, успешно и масштабно используются технологии конверсии отходов сельскохозяйственного производства в тепловую и электрическую энергию. 3. Краснодарский край является ведущим регионом России по сельскохозяйственному производству, в том числе по зерноводству, что обеспечивает ежегодное образование отходов (соломы), энергосодержание которых, по данным 2019 г., составило 5899 тыс т у.т. 4. Потенциальное производство тепловой энергии из отходов зерноводства может покрыть более половины (57 %) потребления тепловой энергии на горячее водоснабжение и отопление в жилом секторе Краснодарского края. 5. Использование отходов производства зерна в Краснодарском крае может привести к экономии значительного объема углеводородного топлива (7680 тыс. т каменного угля, 4070 - дизельного топлива, 4300 - топочного мазута, 5110 тыс. м3 природного газа в год) и предотвращению выбросов СО2 (более 12 700 тыс. т СО2 при замене соломой дизельного топлива, 12 400 - каменного угля; 13 400 - топочного мазута в год).

Об авторах

Татьяна Ивановна Андреенко

МГУ имени М.В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: tanyandr00@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8678-3568

кандидат биологических наук, старший научный сотрудник НИЛ возобновляемых источников энергии географического факультета

Российская Федерация, 119234, г. Москва, Ленинские Горы, д. 1

Софья Валентиновна Киселева

МГУ имени М.В. Ломоносова

Email: k_sophia_v@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5836-8615

кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, заведующая НИЛ возобновляемых источников энергии географического факультета

Российская Федерация, 119234, г. Москва, Ленинские Горы, д. 1

Юлия Юрьевна Рафикова

МГУ имени М.В. Ломоносова

Email: ju.rafikova@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-3204-9135

кандидат географических наук, старший научный сотру НИЛ возобновляемых источников энергии географического факультета

Российская Федерация, 119234, г. Москва, Ленинские Горы, д. 1

Список литературы