Альтернативная энергия из древесины

В январе 2005 г. Конгресс США принял Акт об энергетической политике, предполагавший увеличение производства биоэтанола из кукурузы. Немного позже администрация США приняла план замещения к 2010 г. 20% потребления в стране бензина биоэтанолом. План администрации Джорджа Буша предполагал, что уже к 2017 г. ежегодное производство биоэтанола в США составит 133 млрд литров.

Для стимулирования производства нового топлива была принята программа налоговых субсидий для фермеров, которые начинают выращивать вместо кормовой кукурузы – топливную. В 2006 г. в США количество ферм, выращивающих кукурузу для биоэтанола, выросло на 48%. Эта инициатива была подхвачена в Евросоюзе, Китае, Бразилии и других странах. Запасы зерна к концу 2006 г. упали до 57 дней потребления – самый низкий уровень с 1972 г.

Популярность биотоплива как альтернативы традиционным видам топлива: нефти, углю и электроэнергии – быстро растет. На невосполняемые источники энергии, которыми являются традиционные виды топлива, приходится примерно 92% мирового топливно-энергетического баланса, на возобновляемые – около 3,4%. В мире давно ищут замену традиционному топливу, источником альтернативной энергии может стать древесина.

СЫРЬЕ ПОД НОГАМИ

Кроме готовой продукции, лесная промышленность в огромных объемах производит отходы, которые переработчики древесины в большинстве случаев используют как топливо для котлов. Более высокой технологией использования отходов является изготовление брикетов и топливных гранул. Они выделяют больше тепла, чем опилки и щепа, не требуют больших складских площадей и при хранении не самовоспламеняются.

Теплотворная способность древесных гранул сравнима с углем и составляет 4,3–4,5 кВт/кг. При сжигании 1 т древесных гранул выделяется столько же энергии, сколько при сжигании 1,6 т древесины, 480 м3 газа, 500 л дизельного топлива или 700 л мазута. Древесные гранулы намного экологичнее традиционного топлива. При сжигании брикетов золы образуется в 15–20 раз меньше, чем при сжигании угля.

В качестве сырья для изготовления брикетов можно использовать кору, опилки, щепу и макулатуру. Свойства топлива на основе прессованных древесных отходов определяются теплотворной способностью (калорийность, теплота сгорания), зольность, насыпная плотность (удельный вес), истираемость (массовая доля пыли и опилок), размеры.

Наиболее распространенным видом топлива из древесины являются пеллеты – древесные топливные гранулы (ДТГ). Теплотворная способность гранул составляет 5 кВт/час на один килограмм (4500 ккал/кг) – в 1,5 раза больше, чем у дров и соответствует теплотворной способности угля. Зольность варьируется от 0,5 до 1% от массы (зольность угля превышает 25%). В процессе сушки влажность сырья для изготовления гранул должна снижаться с от 50% до 7–10%.

Диаметр гранул может составлять 6, 8, 10, иногда 12 мм. В Европе наиболее популярны гранулы диаметром 6 мм, в России распространен диаметр 8 мм. В последнее время европейские потребители также переходят на этот диаметр. В каждой стране существуют свои требования, предъявляемые к качеству пеллет. Единый европейский стандарт находится в стадии разработки, в России ГОСТ на топливные гранулы не существует.

Последнее время во всем мире растут объемы выпуска брикетов. Однако их соотношение с гранулами все еще составляет 1:20. Теплоотдача брикетов составляет не менее 4400 ккал/кг. Сейчас на рынке существует три вида брикетов. Топливные шайбы имеют длину 30–35 см, диаметр – 70–72 мм. Малые брикеты имеют длину 150 мм, ширину – 100 мм и высоту – 60 мм. Большие брикеты достигают длины 250 мм при диаметре 60 мм. В больших брикетах существуют отверстия диаметром 18–20 мм – они позволяют создавать тягу внутри брикета, что позволяет применять их в топках с низкой тягой. Брикеты имеют плотность в среднем в 2 раза выше дров (1,2 г/см3), что препятствует гниению и дает возможность хранить их неограниченное время.

Энергетическая ценность брикетов и гранул из отходов производства ДСП близка к аналогичным показателям древесины, зольность составляет от 1 до 4% от массы. Преимущество данного вида топлива заключается в его низкой стоимости при высокой эффективности сжигания (благодаря низкому уровню влажности): низшая теплотворная способность составляет от 3583–4300 ккал/кг.

Себестоимость производства 1 т прессованного древесного топлива из отходов производства ДСП составляет 20–25 евро без учета стоимости сырья, а себестоимость производства 1 т гранул из чистой древесины – 30–45 евро. При выпуске гранул из отходов производства MDF и ДСП сырье сушить не требуется. Производительность оборудования при грануляции примерно на 5% ниже, чем при выпуске гранул из древесины.

Поставки на экспорт гранул на основе отходов производств MDF и ДСП затруднены, поскольку сырье содержит в себе синтетические включения, что противоречит большинству стандартов на биотопливо. Однако при правильном выборе технологии и режимов сжигания вредные выбросы в атмосферу не превышают установленных норм.

Макулатура и использованная картонная упаковка не всегда подлежит вторичной переработке, а кроме того, перевозка на большие расстояния может быть экономически нецелесообразной. Но и из картона можно делать гранулы, так как по энергетической ценности картон близок к древесным гранулам – около 3822–4060 ккал/кг.

Зольность гранул из картона выше зольности гранул из древесины, но ниже, чем у угля. При брикетировании макулатура также не требует сушки, а производительность оборудования, по сравнению с производством древесных гранул, ниже на 10–15%. Себестоимость производства 1 т гранул из картона составляет 35–40 евро без учета стоимости сырья (см. таблицу 1).

В Западной Европе широко распространены технологии сжигания древесных отходов на электростанциях. Например, в Италии электростанция мощностью 40 МВт работает только на биотопливе в автоматическом режиме. Потребляемая производительность щепы составляет 240 м3 автоматически регулируется под турбину. Все операции дублируются.

КПД работающих на пеллетах котельных достигает 98%, поэтому дым от топлива практически бесцветен.

При сгорании пеллет выделяется ровно столько СО2, сколько было впитано деревом при его росте. Таким образом, при сжигании пеллет количество выделяемого углекислого газа в атмосферу не превышает объем выбросов, который образовался бы путем естественного разложения древесины. Единственным конкурентом пеллетам может являться природный газ.

Безусловно, отопление газом в 3–4 раза дешевле, чем отопление пеллетами. Однако если принимать в расчет стоимость нового подключения к газопроводу, то пеллеты выигрывают по себестоимости. Одним из основных минусов технологии является относительная дороговизна пеллетных котлов.

Стоимость одного котла мощностью 20 кВт составляет от 150 тыс. руб. Однако низкая стоимость пеллет позволяет уже через 2–3 года вернуть инвестированные деньги (см. таблицу 2). В России запасы сырья для производства биотоплива оцениваются миллиардами кубометров. Сейчас на каждом гектаре рубки леса остается 40–60 м3 отходов лесозаготовки, которые в российской системе замеров не учитываются вообще.

На типичной лесопилке при переработке около 60% древесины составляют доски, 12% уходит в опил, 6% – в концевые обрезки и 22% – в горбыль и обрезки кромок. Таким образом, 40% сырья выпадает из финансового оборота предприятия. Если посчитать отходы рубки (сучья, хвою, пни и проч.), то потери становятся еще больше. Эту биомассу можно перерабатывать и использовать в дальнейшем.

Сейчас активно внедряется технология сжигания коры, опилок, щепы, старой древесины. Мелкофракционные древесные отходы экономически невыгодно перевозить на расстояния более 20–40 км: во-первых, нет технологий погрузки/разгрузки, а во-вторых, транспортные расходы увеличат стоимость сырья на порядок.

По словам Владимира Осипова, начальника отдела сбыта по Восточной Европе концерна Bruks, в Польше древесные отходы используют повсеместно: на каждой электростанции их смешивают с углем. Правительство страны при финансовой поддержке ЕС планирует все электростанции перевести на возобновляемое сырье.

Пока это происходит в отдельных городах. Например, в городе Белосток одна из 10 турбин электростанции работает на подготовленном древесном сырье – низкосортной древесине, перерубленной в щепу и дополнительно размолотой для подачи форсунками.

В США, Канаде, Китае, Бразилии и России сосредоточено 2/3 мирового запаса сырья для изготовления древесных топливных гранул. Учитывая, что для изготовления одной тонны в среднем требуется около 6 м3 опилок, в этих странах можно производить до 13 млн т пеллет в год.

Основной регион потребления пеллет – Европа. В Старом Свете с 1992 г. действует налог на выбросы СО2, который стимулирует потребление биотоплива. В Европе работают более 300 заводов по производству пеллет общей мощностью более 4,5 млн т. В Северной Америке существует около 100 таких производств. Самый крупный на сегодняшний день пеллетный завод в мире – Green Circle, который находится в США и производит около 550 тыс. т древесных гранул.

СЕМИМИЛЬНЫМИ ШАГАМИ

В 2005–2007 гг. в Германии производство пеллет выросло на 400%. По предварительным данным, в 2008 г. выпуск пеллет составил 2,3 млн т. Правительство страны спонсирует каждый установленный котел в размере 3 тыс. евро. Каждый третий устанавливаемый в Германии котел – древесный. В Швеции, где существует несколько десятков производств гранул, рынок ежегодно растет на 27%.

Правительственной программой предусмотрено к 2010 г. увеличить в стране потребление пеллет до 7 млн т в год. Возможно, Швеция станет первой европейской страной, которой удастся через 15 лет полностью перейти на альтернативные виды энергии. Финляндия сегодня получает примерно 19% электроэнергии от сжигания отходов древесины, и деревообрабатывающие предприятия до 60% своих потребностей в энергии обеспечивают самостоятельно.

В Южной Америке в 2007 г. суммарное производство пеллет составило около 100 тыс. т, этот рынок интересен, прежде всего, невысокой себестоимостью производства, а также значительными запасами сырья. Китай к 2020 г. планирует обеспечивать 10% потребления энергии за счет биотоплива. Планируемые объемы производства гранул в стране составляют 50 млн т.

В России технология отопления пеллетами впервые появилась в 2005 г.

Доля биомассы в топливно-энергетическом балансе страны пока составляет менее 0,3%, тогда как в Финляндии она достигает 25%, а в Швеции – 30%. По разным оценкам, в России производится в год до 700 тыс. т пеллет, 95–98% которых идет на экспорт.

В Московской области установлено не более 500 пеллетных теплогенерирующих устройств (включая камины и пеллетные горелки). Помимо этого, пеллеты периодически используются в некоторых котельных, работающих на угле. Общий объем потребления пеллет в области оценивается не более 1 тыс. т в месяц. Правительственной программой предусмотрено увеличение потребления в России биотоплива к 2010 г. – до 1,5%, к 2015 г. – до 2,5%, к 2020 г. – до 4,5%.