Оценка потенциала пеллетной энергетики России

Ринат КАМАЕВ
Магистрант РГУ нефти
и газа им. И.М. Губкина
e-mail: rinatkamay@yandex.ru

Олег ШАРОВ
Технический директор ООО «Светлобор»
e-mail: shar52@bk.ru

Валерий БЕССЕЛЬ
Профессор РГУ нефти и газа
им. И.М. Губкина, исполнительный вице-президент ООО «НьюТек Сервисез»
e-mail: vbessel@nt-serv.com

Постоянно растущее потребление энергии требует вовлечения в баланс глобального энергопотребления все большего количества всех доступных на сегодняшний момент источников топлива и энергии [1,2]. Ежегодный рост мирового потребления энергии в период с 2011 по 2021 гг. составил не менее 1,3 % в год [3].
Биотопливо – один из альтернативных традиционным энергетическим ресурсам источников энергии. В твердом виде используется в виде биомассы с естественной влажностью (для древесины примерно 50 %) и в рафинированном виде, в частности, в виде пеллет (влажность примерно 10 %) [4]. Сжигание биомассы естественной влажности эффективно в котлах, в частности, производства компаний «Гейзер», «Теплоресурс», «Союз проект» из г. Ковров, имеющих аналоги австрийских производителей. Благодаря хорошо развитой внутренней конкуренции, они достойно представляют российский рынок котлов для сжигания биомассы естественной влажности. Коэффициент полезного действия таких котлов при чистом теплообменнике составляет примерно 86 %, при загрязнении он снижается примерно на 10–15 %, в связи с чем, к их недостаткам можно отнести отсутствие в базовой конфигурации системы самоочистки теплообменника, что приводит к снижению его эффективности в процессе эксплуатации.
Для характеристики пеллет, производимых из биомассы, лучше всего подходят слова Д. И. Менделеева “Сжигать нефть все равно что топить печку ассигнациями”. Великий химик предлагал сначала выделять из нее все полезные составляющие и только потом превращать остатки в удобное топливо. К преимуществам пеллет можно отнести:

1. Низкую влажность – щепа и дрова имеют влажность 50 %, влажность пеллет колеблется в пределах 8–12 %.
2. Экономию при транспортировке – дрова и щепу экономически не выгодно возить на расстояние более 50–100 км, в то время как пеллеты везут автотранспортом на тысячи километров.
3. Если разница в теплотворной способности дубовых и сосновых дров доходит до 50 %, то теплотворная способность пеллет из дуба и сосны отличаются не более, чем на 5 % [5].
4. Высокий КПД при сжигании в котлах. В отличии от угля, в составе древесных пеллет нет серы и фосфора. При отоплении углем требуется держать температуру дымовых газов более 200 ºС, иначе при конденсации газов образуется сернистая и фосфорная кислота, что приводит к разрушению котла. В итоге КПД угольного котла не превышает примерно 82 %. Температура дымовых газов пеллетного котла примерно 100 ºС, соответственно существенно выше КПД примерно 94 %.
5. Возможность автоматизации процесса сжигания топлива. Благодаря стабильным геометрическим размерам пеллет, процесс их сжигания легко автоматизируется и синхронизируется с процессами очистки горелки и теплообменника. Большой внешний склад пеллет позволяет обеспечивает месяцы автономной работы.
6. Пеллеты – единственно экономически выгодный пример зеленой энергетики, который может существовать без дотаций даже в условиях России, где стоимость энергии для конечного потребителя является одной из самых низких в мире в настоящее время [6].

Россия в силу своей огромной территории является одним из мировых лидеров по запасам биотоплива, в том числе таких, как остатки от переработки леса-кругляка в деловую древисину, осушенная солома и зелёная масса ежегодно собираемых зерновых культур и лузги от производства подсолнечного масла. В настоящей статье дана оценка энергетической ценности пеллет, произведённых из вышеперечисленных биологических отходов по данным за 2020 г.

За последние годы в России наметился устойчивый рост заготовки деловой древесины, динамика роста которого в период с 2009 по 2021 гг. показана на рис. 1 [7].

Как следует из диаграммы на рис. 1, в России наблюдается устойчивый рост заготовки кругляка, что объясняется ростом спроса на деловую древесину. В силу того, что с 1 января 2022 г. Правительство РФ ввело запрет на вывоз леса-кругляка из страны, переработка кругляка в деловую древесину отныне осуществляется непосредственно в стране. Это позволяет использовать остатки от переработки древесины, в том числе и для производства энергии.

Оценка остатков от переработки древесины из кругляка в деловой брус квадратного сечения были сделаны исходя из того, что заготовленный кругляк может иметь три формы ствола: цилиндрическую, усечённого конуса и усечённого параболоида вращения – объёмы которых рассчитываются по формулам [8]:

– кругляк в форме цилиндра:

– кругляк в форме усечённого конуса:

– кругляк в форме усечённого параболоида вращения:

Объём деловой древесины в виде бруса квадратного сечения рассчитывается по формуле:

где:
D – диаметр нижней (большего сечения) части ствола заготовленного кругляка, м;
d – диаметр верхней (меньшего сечения) части ствола заготовленного кругляка, м;
L – длина заготовленного кругляка, м.
Таким образом, объём отходов рассчитывается по формуле:

Результаты расчета долей отходов сведены в таблицу 1.

Плотность хвой­ных и мягких лиственных пород составляет примерно 850 кг/м³, а плотность твёрдых лиственных пород около 1000 кг/м³ [9]. По причине отсутствия информации о структуре заготавливаемой в стране древесины, в дальнейших расчетах принята средняя арифметическая плотность древесины примерно 925 кг/м³. Объём заготовленной в 2020 г. древесины был взят из графика на рис. 1. В расчетах первоначальная влажность древесины оценивалась в 65 % [10], пеллеты изготавливаются из древесины влажностью от 8 до 12 % [10], удельная теплота сгорания пеллет из отходов древесины оценивается примерно в 17,17 МДж/кг [5]. Результаты проведённых расчетов сведены в таблицу 2.

Из таблицы 2 следует, что осреднённая энергетическая эффективность пеллет из отходов переработки леса – кругляка в деловой брус – в России по данным за 2020 г. оценивается примерно в 25,6 млн т н. э., что сопоставимо с годовой добычей нефти ПАО «Татнефть» [11].

Еще одним перспективным ресурсом для производства пеллет являются отходы от производства зерновых культур, объём сбора которых в России постоянно растёт. Для проведения оценки энергетической ценности пеллет из отходов производства зерновых культур по диаграмме на рис. 2 были выбраны 5 культур, которые занимают наибольшие посевные площади: пшеница (озимая и яровая) – 36,9 %, ячмень (озимый и яровой) – 10,7 %, подсолнечник – 10,6 %, кукуруза на зерно – 3,6 %, овёс – 3,1 % [12].

В 2020 г. в России собрано более 133 млн т зерновых культур [13]. Для оценки энергетической ценности остатков биомассы от собранных зерновых культур были приняты следующие допущения: соотношение массы соломы для таких культур как пшеница, ячмень и овёс – от 0,75 до 1,4 от массы колоса. Соотношение зеленой массы стебля и листьев кукурузы – от 1,2 до 2,5 к массе кукурузного початка. Соотношение массы стебля подсолнечника – от 2,5 до 3,1 от массы семечек подсолнуха [14]. С учетом того, что 1 кг пеллет из соломы при сжигании выделяет примерно 14,5 МДж/кг [5] энергии, были сделаны расчеты, результаты которых представлены в таблице 3.

Как следует из таблицы 3, осреднённая энергетическая эффективность пеллет из отходов производства зерновых культур в России по данным за 2020 г. оценивается примерно в 63,1 млн т н. э., что больше, чем уровень добычи нефти ПАО «Сургутнефтегаз» [11].
В 2020 г. в России было произведено 13,3 млн т подсолнечника [13]. С учетом того, что 1 кг пеллет из отходов от производства подсолнечного масла при сжигании выделяет примерно 18,1 МДж/кг [5], были сделаны расчёты, результаты которых сведены в таблицу 4.

Обобщённые данные по энергетической ценности биологических остатков от производства деловой древесины, зерна и подсолнечного масла в России в 2020 г. сведены в таблицу 5.
Проведённая оценка энергетической ценности показывает, что пеллетная энергетика в России обладает огромным потенциалом развития – только в 2020 г. энергия, которая могла быть получена при сжигании пеллет из отходов производства деловой древесины, зерна и подсолнечного масла, составляла бы более 90 млн т н. э., что выше годового производства нефти ПАО «ЛУКОЙЛ» в том же году примерно на 22 % [11].

Стоимость тепловой энергии, получаемой при сжигании различных источников топлива (руб./кВт·ч), в России за 2021 г. показана на диаграмме на рис. 3. Стоимость пеллетного отопления рассчитана при стоимости древесных пеллет примерно 6 руб./кг и пеллет из лузги примерно 3 руб./кг [15].

Снижение стоимости пеллетного отопления возможна только при постоянном КПД котла около 94 %, что допустимо только в случае наличия системы автоматической очистки теплообменника, причём, не реже одного раза в час. При ручной очистке один раз в сутки КПД котла падает на 5–10 %, при очистке один раз в неделю разница КПД составит 15–20 %, что приводит к росту стоимости отопления [15].
Котел должен иметь систему очистки колосниковой решетки, при этом возможно сжигание не только белых, но и серых промышленных пеллет, которые дешевле белых примерно на 1,5 руб./кг. Пеллеты из лузги дешевле промышленных на 2–3 руб./кг, в зависимости от урожая подсолнечника.
Котел должен обеспечить полный дожиг пеллет, без осаждения смол на стенках камеры сгорания, для чего котел должен иметь высокотемпературную камеру сгорания, показанную на рис. 4, обеспечивающую полный дожиг любых пеллет, как промышленных древесных, так и из соломы или лузги [15].

На рис. 5 показана схема устройства системы очистки горелки и труб, а также противопожарного шлюза, наличие которого является обязательным условием безопасной эксплуатации котла [15].
На рис. 6 приведена схема котла, который обеспечивает достаточно низкую стоимость тепла для конечного потребителя и стоимость обслуживания благодаря автоматизации процесса сжигания пеллет [15].

Если у пеллетного котла нет аналогичных систем, он будет дороже в эксплуатации за счет бо́льшего расхода пеллет и расходов на заработную плату кочегара, либо времени, которое сам потребитель затратит на очистку котла. Разница в цене, сожжённых за сезон пеллет в ручных котлах и котлах, где установлена автоматизированная система очистки, превышает разницу в стоимости данных котлов [15].
Эксплуатацию котлов на пеллетах облегчает наличие внешнего склада, примерная схема расположения которого показана на рис. 7. Данный склад способен хранить несколько т пеллет, которые с точки зрения логистики выгоднее покупать в пакетах по 1000 кг, а не в мешках по 30 кг, что на практике снижает затраты на 0,5 руб./кг. А если использовать «летний завоз», то экономия составит примерно 1 руб./кг, так как в летний период производители пеллет имеют проблемы со сбытом и с наличием складских площадей для хранения готовой продукции [15].

Примерная схема расположения склада промышленной котельной приведена на рис. 8 [15].
Сравнительный анализ наличия автоматизированной системы очистки пеллетных котлов представлена в таблице 6.

Пеллетные котлы «Светлобор» имеют степень автоматизации, как у Австрийских производителей, что дает дополнительное преимущество развитию пеллетеной энергетики в России. Стоит отметить, что российские пеллетные котлы «Roteks» имеют противопожарный шлюз, что также увеличивает степень автоматизации работы котла.
С точки зрения биологических экосистем, сжигание пеллет приводит к выбросам, сопоставимым с естественным природным фоном, в связи с чем экологические последствия от использования пеллетной энергетики минимальны. В газовой смеси, поступающей в атмосферу, практически отсутствует сера (0,1 %), эмиссия углекислого газа ниже в 10–50 раз, чем у любого другого вида традиционного топлива. Что касается твёрдых отходов, то при сжигании пеллет образуется всего лишь 1,5 % пепла от общего объёма используемых гранул [16].
Правительство РФ в последние годы уделяет все бо́льшее внимание развитию восточных регионов страны. Введение пеллетной энергетики для обеспечения комфортного проживания людей, теплоснабжения частных и многоквартирных домов, социально-­значимых объектов, производств муниципального и регионального значения, а также труднодоступных и отдалённых районов сыграло бы огромную роль в развитии регионов Сибирского и Дальневосточного федерального округа согласно [17], п. 6 [18].
Также переход на пеллетное отопление вместо теплоснабжения за счёт сжигания газа и нефти, позволит увеличить поставки углеводородного сырья зарубежным партнёрам, что способствует привлечению дополнительных средств в бюджет страны.

Выводы:

1. Создание российского рынка пеллетного теплоснабжения – комплексная задача, требующая эффективного взаимодействия государства, производителей пеллет и производителей котлов.
2. Сырьё для производства пеллет доступно практически на всей территории России, оценки показывают, что потенциал биомассы для производства пеллет в России огромен. Это делает пеллетную энергетику доступной практически во всех уголках нашей огромной страны.
3. Оценка потенциала пеллетной энергетики в России по данным за 2020 г. показала, что потенциал колоссален и может быть оценён десятками миллионов т нефтяного эквивалента в год.
4. Главный показатель энергетики – стоимость тепла для конечного потребителя, в связи с чем достаточно простое и дешёвое производство как пеллет, так и пеллетных котлов, а также минимальные логистические затраты на доставку пеллет потребителям по дорогам общего пользования всех категорий, позволяет эффективно использовать пеллеты для энергообеспечения широкого спектра потребителей, особенно в удалённых и труднодоступных территориях.
5. Пеллетная энергетика экологически чистая, позволяющая сохранять естественный экологический фон биологических природных экосистем и городской среды.