РОЗДІЛ 28. ТЕхнології виробництва твердого палива з біомаси

28.1. Енергетичний потенціал біомаси

Щорічно в Україні споживається близько 200 млн т умовного палива, при цьому видобуток із природних джерел країни становить лише 80 млн т. Важливим потенційним ресурсом за такого балансу власної та імпортованої енергетичної сировини може стати біопаливо.

Частка відновлюваних джерел енергії (ВДЕ) в первинному споживанні енергії в країнах EU - 28 досягла 12,5% в 2010 р. і продовжується тенденція збільшення. Згідно з Директивою ЄС 2009/28/ЄС частка ВДЕ в 2020 р. повинна досягти 20%. Незважаючи на фінансову та економічну кризу зростання виробництва ВДЕ триває з року в рік. Тим не менш, 49% ВДЕ виробляється з деревини і вторинних деревних ресурсів. Якщо обсяг використання біомаси зростає, то відносна частка біомаси в ВДЕ знижується щороку, що пояснюється стрімко зростаючим виробництвом вітрової енергії, виробництвом біогазу та сонячної енергія (наприклад, виробництво біопалива та вітрової енергії подвоїлося за останні 5 років) [88,89].

Євросоюзом поставлені амбітні цілі - до 2020 року скоротити викиди парникових газів на 20%, збільшити частку відновлювальних джерел енергії до 20% і підвищити енергоефективність на 20%. З цією метою для всіх 28 країн ЄС розроблені плани дій з поновлюваних джерел енергії. Наприклад, Швеція повинна до 2020 року збільшити частку відновлюваної енергетики до 49%, Латвія - 40%, а Фінляндія - 38%. До теперішнього часу більшість країн ЄС домоглося значного зростання використання поновлюваних джерел енергії. Наприклад, Швеція вже "перевиконала" план і переступила запланований на 2020 рік рівень. Енергетичний потенціал біомаси в Україні представлено в таблиці 10.1. Джерелом біомаси можуть бути сільськогосподарські відходи, енергетичні культури, деревина та. відходи деревини. Щорічні відходи сільського господарства в Україні (солома, стебло, качани кукурудзи, стебла та лушпиння соняшнику) становлять 49 млн. тонн, з яких на власні потреби сільських господарств використовується не більше 34 млн. тонн. Решта відходів потенційно може бути використана для виробництва енергії (таблиця 28.2.)

Таблиця 28.1.

Енергетичний потенціал біомаси Україні.

Науково-практичній досвід показує, що рослинна біомаса є одним з найбільш перспективних джерел одержання твердого біопалива в Україні. Ціна біопалива не залежить від стрибків цін на викопні види палива і на екологічні податки, що збільшуються. Крім цього при спалюванні твердого біопалива не спричиняється негативного впливу на навколишнє середовище. В Україні с різноманітні джерела біомаси, включаючи сільськогосподарські відходи, цільове вирощування енергетичних культур, деревину та відходи деревини. Щорічні відходи сільського господарства (солома, стебло, качани кукурудзи, стебло та лушпиння соняшника) становлять 49 млн. тон, з яких на власні потреби сільських господарств використовується приблизно 34 млн. тон. Решта потенційно може бути використана для виробництва енергії. Для енергетичних цілей також можна використовувати деревину.

Таблиця 28.2.

Види рідкого біопалива та його використання.

Отримання енергії із біомаси дерев можлива двома напрямками:

• заготівля і використання деревини від рубань у різних групах лісів, а також відходів лісозаготівлі та лісопиляння;

• створення енергетичних плантацій на землях не сільськогосподарського призначення.

Вільні обсяги деревної біомаси, яка може бути використана для енергетичних потреб на підприємствах Державного агентства управління лісовим господарством складають щороку близько 2,5 млн. куб.м. Потенціали лісової біомаси було оцінено для всіх лісових земель України (насадження із зімкнутим наметом), площа яких становить 9,4 млн га, або 15,7 % території України (Рис. 28.1.). Теоретичний і технічний потенціали лісової біомаси складають 312,24 ПДж і 89,08 ПДж відповідно. Енергетичний потенціал за типами лісової біомаси наведено в табл. 10.3. Беручи до уваги віковий розподіл лісів України, слід зауважити, що в найближчі 10 років різко зростатиме частка стиглих насаджень, що призведе до збільшення наявних обсягів лісової біомаси для отримання енергії.

Рис. 28.1. Потенціали лісової біомаси в Україні.

Таким чином, Україна повинна бути готова до таких позитивних змін. У цьому випадку слід удосконалити й привести до належного стану наявну законодавчу базу, а також подбати про наявність технологічних потужностей, які б дозволили ефективно використати ці потенціали лісової біомаси. В цілому по Україні потенційні ресурси надлишку соломи та стебел в 3,4 рази перевищують споживання палив опалювальними котельнями у сільській місцевості. Сумарні ресурси біомаси могли б замінити близько 50 % споживання палив опалювальними котельнями України. Відзначається нерівномірність розподілу ресурсів біомаси і споживачів палива по території країни. В 15 областях сумарні ресурси біомаси перевищують сумарне споживання палив найбільш ймовірними споживачами опалювальними котельнями.

Потенціали первинних лісових відходів в Україні

В силу організаційних, технічних і економічних обставин значну частину котелень неможливо буде перевести на використання біомаси, а тому можливий значний надлишок невикористаної біомаси. Існуючі та нові теплові електричні станції, створені на базі існуючих котелень, можуть стати буферними споживачами невикористаних ресурсів біомаси і безпечних відходів. Основними технологіями термічної переробки деревини та біомаси е пряме спалювання (найбільш вивчено і комерційно розвинено), газифікація (знаходиться на демонстраційному рівні розвитку) і піроліз (знаходиться на дослідному рівні розвитку). Якість твердого біопалива формується на етапах вирощування, збереження і переробки біомаси, а ефективність його використання залежить ще й від технічної досконалості теплових генераторів. Найбільшу ефективність можна одержати у разі спалювання твердого біопалива у вигляді гранул (пелет) або брикетів, великогабаритних тюків із трав'янистої чи деревної біомаси. Порівняльну оцінку різних видів твердого палива здійснимо у табл. 28.4. Термін „енергетичні плантації” вживається для визначення плантацій твердих порід деревини, що швидко зростають в початковий період і розмножуються шляхом зрізання й пускання паростків з пеньків. Велика кількість культур була досліджена для потенційної можливості використання їх в якості енергетичних культур, але тільки невелика кількість досягла комерційного рівня і вирощується на великих площах.

Таблица 28.4.

Попит на такі культури призвів до їх клонування з більш придатними характеристиками та показниками, такими як стійкість до морозів, засухи, шкідників та енергетичної цінності. Вибір конкретної енергетичної культури для вирощування залежить від ряду факторів, таких як тип Грунтів, доступ до води, вид ландшафту, транспортні розв'язки, місцезнаходження потенційного споживача (котельна чи електростанція), конкуренція з іншими культурами й соціальна думка з приводу цього питання. При вирощуванні енергетичних культур необхідно вибрати культуру, що найбільш підходить до даного типу ґрунту і кліматичних умов. Крім цього, слід визначити, чи вирощування вибраної культури, збір врожаю, його зберігання, переробка та транспортування економічно доцільні в наявних ринкових умовах. Насамкінець треба ще й вибрати систему культивації у відповідності з прийнятою в сьогоднішній сільськогосподарській практи Найбільш сприятливі швидкоростучі енергетичні культури для отримання твердих біопалив – це верба та тополя. У Швеції та Данії вони збираються і використовуються в місцевих системах опалення на заводах для комбінованого виробництва теплової та електроенергії. На сьогодні існує немало станцій комбінованого спалювання вугілля з додаванням біопалива (солома, тріска), використання яких зменшує споживання викопних палив, та шкідливі викиди в атмосферу. Звичайно, використання біомаси, як спеціально вирощеної, так і вилученої з відходів виробництва та з комунальних звалищ – це великий клопіт. Загалом собівартість такої „зеленої” енергії вища, ніж у „чорної”, з вугілля. Це з урахуванням подрібнення, висушування і відповідного зберігання. Отримання прибутків від екологічних вигод є одним з інструментів, щоб створити більше місця для енергетичних культур та використання біомаси. Технічні бар'єри для рідкого біопалива набагато менші, ніж для твердого, оскільки рідкі палива – традиційні й давно відомі культури. Але з іншого боку потенціал твердого біопалива набагато більш У країнах ЄС використання енергетичних культур особливо популярне. У Данії верба вирощується тільки на 500 га сільськогосподарських земель, у той час як у Швеції плантації верби складають до 20 тис. га. Коли вербу використовують як сільськогосподарську культуру, завжди є можливість зупинити її вирощування чи замінити її іншою, більш придатною. В енерголісництвах використовують вербу Salix, яка зазвичай густа й виростає до 5-6 м заввишки та має велику кількість паростків. Насадження верби залишається продуктивним протягом 25-30 років і у цей період урожай може збиратися через кожні 3-4 роки. Після кожного збирання, нові паростки зі зрізаних стебел утворюють новий гай. Продукцію швидкозростаючих плантацій продають у вигляді дерев'яних трісок, що застосовують для опалення або виробництва електроенергії. Нині в Швеції збирають 2500 га кожен рік і поставляють вербові тріски на 25 різних когенераційних станцій. Після збору трісок верби з вологістю до 50% їх можна відразу відправляти на спалювання. Найкращий рівень врожайності в Швеції на незрошувальних землях склав 12 т/га, що еквівалентно 5 т нафти. Мета уряду Сполученого Королівства – виробництво 10% всієї електроенергії з відновлювальних джерел до 2010 р., тому виробництво біомаси знаходиться в самому центрі уваги. Енергетичні рослини та відходи деревини повинні забезпечити додаткове виробництво 1,5 ГВт електроенергії, а для цього треба 125 тис. га енергетичних посівів. З 2001 по 2005 р. в Італії було закладено 20 плантацій в різних регіонах країни. Перші насадження були створені для освоєння грунтів. Згодом з'явилася можливість збору врожаю механічним способом. Густина насаджень була 10 000 саджанців на гектар в одинарному й подвійному ряду. У центральній частині Італії тополя виявилася продуктивнішою, аніж верба, оскільки паростки верби є чутливіші до літньої засухи. У північній частині країни краща врожайність була досягнута на вербових плантаціях 19 т/га сухої маси, у той час як урожай тополі склав 17 т/га. На даний час в Україні вже створена певна законодавча база щодо виробництва та споживання енергії, виробленої з відновних джерел. У 2009 році Верховна Рада України ухвалила Закон „Про альтернативні види палива”, який забезпечує всі необхідні законодавчі передумови та економічні стимули для впровадження сучасних технологій використання лісової біомаси для задоволення енергетичних потреб. Одночасно, за дорученням Кабінету Міністрів України, 25 мільйонів гривень (близько 2,5 млн євро) було виділено зі стабілізаційного фонду на закупівлю 10 технологічних комплексів для збирання і переробки відходів лісозаготівель та дерев малого діаметра на паливні пелети, а також їх транспортування до споживача (ТЕС регіонального і місцевого значення). Прийняття таких законів засвідчує, що питання використання лісової біомаси для задоволення енергетичних потреб сьогодні є пріоритетним напрямом національної політики. Кабінет Міністрів України нині намагається створити низку законодавчих і економічних передумов з метою розвитку використання біомаси для енергетичних цілей. Разом із тим, економічні реалії і, зокрема, вплив світової фінансової кризи не створюють приятливих умов для збільшення масштабів використання вторинних лісових відходів як біопалива. В Україні на сьогодні відсутні великі деревообробні підприємства, де могли б накопичуватися значні обсяги відходів деревопереробки, тоді як витрати на логістику при співпраці з численними середніми і малими підприємствами занадто високі і зменшують потенційну рентабельність виробництва деревного твердого біопалива. Після реформування економіки в Україні працюють лише кілька деревообробних підприємств, здатних обробляти 25 000 кубометрів деревини на рік і більше. Причинами цього є, зокрема, низька лісистість території країни (15,7%) (крім Карпат і Полісся), скорочення імпорту лісу з Росії, високий рівень фрагментації лісів, погіршення стану лісової інфраструктури тощо. Всі наведені фактори відіграють негативну роль при впровадженні сучасних технологій виробництва різноманітних видів біопалива, таких як деревні гранули (пелети), брикети і рідке біопаливо. Зважаючи на це, організація великих деревообробних підприсмете з щорічним обсягом переробки понад 100 тис. кубічних метрів деревини і виробництво сучасних видів біопалива з відходів повинні бути затверджені як стратегічні напрями розвитку деревообробної галузі. Важливою умовою цього виду виробництва має бути створення замкнутого технологічного циклу переробки деревини, починаючи з лісозаготівель і закінчуючи переробкою відходів на гранули (пелети) або інший вид біопалива. Виробничий процес повинен починатися з лісової ділянки і лісової дороги, включаючи всі логістичні та інші етапи, які б гарантували високу економічну ефективність, низькі витрати виробництва і, врешті-решт, високу цінову конкурентоспроможність порівняно з нафтою і газом. Система інформаційних, законодавчих і технологічних заходів у лісовому господарстві та деревообробній промисловості, у тому числі опрацьованих у процесі виконання цього проекту, сприятимуть сталому зростанню частки відновлювальної енергії з лісової біомаси у виробництві промислової продукції.