CC BY
170
78
УДК 574.9
И.Р. Рагулина
ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БИОМАССЫ ЛЕСОВ И БОЛОТ В КАЛИНИНГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ
Биотопливо в виде биомассы лесов и болот рассматривается как дополнительный источник получения тепловой энергии. Древесную биомассу и торф предлагается использовать как альтернативный источник энергии в Калининградской области.
The biofuel by the way biomasses of forests and swamps is considered as a additional source of obtaining of a thermal energy. The biomass it is offered to utillize as an alternate energy source in the Kaliningrad area.
Калининградская область имеет хорошие возможности для развития биоэнергетики с целью снижения выбросов парниковых газов в атмосферу за счет использования в качестве сырья отходов древесины и торфа. Запасы торфа исчисляются в области 2,5 — 5,0 млрд м3 [1], а при правильной эксплуатации лесов неистощимы и запасы древесины.
Древесные продукты и отходы разлагаются в естественном кругообороте и не представляют опасности для здоровья людей. Как биотопливо они обладают следующими преимуществами: в их составе практически нет серы; малая зольность — 1 — 2%; возможность сжигать влажные отходы (до 55 — 60% влаги); уменьшается эмиссия двуокиси углерода, так как сжигаются отходы, которые при горении фактически выделяют такое же количество двуокиси углерода, как и при гниении; низкая коррозионная агрессивность дымовых газов; возможность конденсировать влагу дымовых газов и высвободить скрытую теплоту парообразования; низкая, по сравнению с ископаемым топливом, цена.
При переработке древесины на целлюлозно-бумажных и деревообрабатывающих предприятиях остается большое количество отходов, которые вполне возможно использовать для получения тепловой энергии, сократив тем самым потребление газа, мазута и угля в качестве топлива.
Биомасса лесов
Лесистость Калининградской области — 18,5%, но в отдельных районах она колеблется от 5,5 до 40,5%. Наименее лесистые районы: Неманский — 5,5%, Зеленоградский — 8,7% и Озерский — 10,3%, а наиболее покрыты лесами: Полесский — 40,5%, Нестеровский — 26,8%, Славский
— 22,3% районы. Общая площадь лесов в регионе составляет 242 тыс. га, запас насаждений — 48,6 млн м3. Ежегодный прирост древесины на 1 га
— 3,8 м3. Средний запас насаждений на 1 га покрытой лесом площади — 201 м3. Ежегодно лесхозы высаживают около 700 га древесных пород растений [2]. Всего спелого леса на корню насчитывается около 5 млн м3. На территории лесного фонда области в рамках рубок главного пользова-
Вестник РГУ им. И. Канта. 2006. Вып. 1. Естественные науки. С. 78 — 84.
ния, рубок ухода за лесом и прочих вырубается около 450 тыс. м3 ликвидной древесины. В результате этих рубок образуется огромное количество древесных отходов — 100—140 тыс. м3, которые по лесохозяйственным соображениям чаще всего сжигаются на лесосеках или гниют. Сжигание такого количества древесных отходов эквивалентно 95 — 133 тыс. Гкал тепловой энергии, а с учетом КПД котельных (75%) — 70— 100 тыс. Гкал (10,5 тыс. т мазута или 14,3 тыс. т условного топлива) и кроме того обеспечило бы топливом 9 котельных мощностью 2 МВт.
Большое количество древесных отходов в сфере лесного хозяйства и на предприятиях Калининградской области создает хорошие предпосылки для использования древесной биомассы в качестве топлива. Однако большинство традиционных видов древесного топлива (дрова, щепа) имеет низкую теплотворную способность, что накладывает экономические ограничения на дальность транспортировки, вызванные повышенными удельными затратами. В связи с этим очевидна необходимость использовать биотопливо вблизи от мест его образования.
При оценке эколого-экономического потенциала использования древесных отходов и торфа в условиях рыночной экономики необходимо учитывать следующие факторы.
1. Наличие ресурсов древесной биомассы для покрытия существующей и перспективной потребности в тепловой энергии.
2. Существующий и перспективный уровень цен на ископаемое топливо и наличие возможности его замены на альтернативное сырье.
3. Местная стоимость топлива, зависящая от расстояния вывозки, технологии заготовки сырья и т. д.
4. Экологические ограничения при производстве топлива.
Использование древесной биомассы в котельных Правдинска и Калининграда, районной больницы в Полесске, работавших до переоборудования на угле и мазуте, привело к экономии расходования топлива до 5 тыс. т условного топлива в год.
Переход на биотопливо способствует значительному снижению выбросов загрязняющих веществ в атмосферу — 19175,1 т в год. В первую очередь это относится к диоксиду углерода: его количество в атмосфере уменьшилось на 19020 т/г. На 97,2 т/г снижены выбросы диоксида серы и на 10,3 т/г диоксида азота. Замена ископаемых видов топлива позволила уменьшить выбросы твердых частиц на 47,6 т/г. Общее количество выбросов от котельных Правдинска, Калининграда и По-лесска с переходом на древесное топливо снизилось на 18600 т/г. При этом производство тепла (МВт • ч/ г) при переводе установок с угля и мазута на биотопливо практически не уменьшилось.
В г. Правдинске 10 угольных котельных заменили двумя водогрейными агрегатами, один из которых (мощностью 1,7 МВт) работает на древесных отходах. При этом использование возобновляемого топлива заменяет примерно 3150 т угля ежегодно. Потребление древесины, необходимое для работы биокотельной, составляет около 14 тыс. м3 (неплотных) в год (используются щепа, кора, опилки; содержание золы около 1%). Реконструкция котельной позволила обеспечить стабильное теплоснабжение потребителей тепловой энергией и уменьшить выбросы пар-
79
80
никовых газов в атмосферу: углекислого газа — на 14760 т/г, окислов серы — на 55 т/ г, окислов азота на 8 т/г, а сажи и золы — на 31 т/ г [3].
В Калининграде биокотельная ООО «Стройкомплектлес» мощностью 2 МВт (1,5 Гкал/ч) в качестве сырья использует древесные отходы целлюлозно-бумажного и деревоперерабатывающего производства. Основной вид топлива — опилки и щепа, теплотворная способность которых 2440 ккал/кг, или 10,21 МДж/кг, зольность — 0,6%. Расход топлива за год в среднем составляет 4200 м3 (неплотных) (2380 т). За период работы с 1999 по 2004 г. (по данным Центра энергосбережения г. Калининграда) котельная на древесных отходах выработала 21942 Гкал. Это количество энергии эквивалентно сжиганию 3,2 тыс. т условного топлива, или 4,5 тыс. т угля, или 2,3 тыс. т мазута, или 2,7 тыс. м3 газа.
Для выработки 21,9 тыс. Гкал экономически выгодно использовать биотопливо, так как оно почти в 3 раза дешевле мазута и в 2 — 2,5 раза — угля (см. рис.).
МЛН. РУБ.
10 п 9,152
8 -6 -4 -
2
0
6,717
2,648
3,141
МАЗУТ
ГАЗ
УГОЛЬ БИОТОПЛИВО
Рис. Сравнительный анализ затрат по различным видам топлива на выработку 21942 Гкал тепла
По сведениям Калининградского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды за период наблюдений с 1998 по 2004 г. фоновые концентрации загрязняющих веществ ООО «Стройкомплектлес» составили в зависимости от скорости ветра (от 0—2 м/ с до 3 — 8 м/ с): пыли — 0,37—0,46 мг/м3; диоксида серы — 0,02 мг/м3, диоксида азота — 0,07—0,11 мг/м3, оксида углерода — 3,1—4,6 мг/м3 (табл. 1).
Таблица 1
Выбросы загрязняющих веществ биокотельной ООО «Стройкомплектлес»
Загрязняющее вещество Максимальный разовый выброс, г/ с Валовый выброс, т/ г
Диоксид азота 0,128 1,189
Оксид азота 0,021 0,193
Оксид углерода 4,068 47,630
Взвешенные вещества 0,028 0,328
По данным регионального центра энергосбережения, на данный момент (2005 г.) в Калининградской области работает 16 небольших (мощностью до 2 МВт) котельных на древесных отходах и 3 котельных на торфе, а также строится котельная общей мощностью 18 МВт (ООО «Лесобалт», г. Калининград).
Биомасса болот
Торф — частично возобновляемая биомасса с обычным ежегодным приростом слоя от 0,4 до 1,5 мм [8]. В условиях избыточного увлажнения — там, где грунтовые воды залегают близко к поверхности, а атмосферные осадки не имеют свободного стока, — годичный прирост торфа в Калининградской области некоторыми авторами оценивается в 2 — 3 см/год [4], что, по-видимому, завышено.
Исходя из того, что торф — частично возобновляемая биомасса, возможно его неистощительное использование в пределах величин прироста. В связи с этим необходимо соизмерить имеющиеся ресурсы торфа, их прирост с возможным объемом использования.
В области широко представлены как заболоченные земли, так и торфяные болота. Общая площадь болот в Калининградской области — более 1 тыс. км2 (около 7% территории). Они распространены неравномерно, большая часть болот приходится на Славский и Полесский районы. С учетом степени увлажнения и обеспечения растений минеральным питанием болота условно разделяют на низинные, верховые и переходные [4].
Низинные торфяные болота образуются, как правило, по берегам рек, озер или заливов, что является следствием зарастания озер и других водоемов. Эти болота распространены в долинах рек Преголи и Немана, а также по берегам заливов.
Верховые болота типичны для водоразделов рек Шешупе, Инструч и некоторых других приподнятых участков рельефа. В Славском и Полесском районах к востоку от Полесского канала находятся самые большие моховые болота: Большое и Малое Моховое, Холмистое, Гро-мовское. В Правдинском районе, в лесу располагается Заповедное моховое болото. Многие из верховых болот благодаря разнообразию своих биологических ресурсов являются особо охраняемыми территориями — государственными природными заказниками [5].
Торф низинных болот содержит до 60% углерода и отличается большей теплотворной способностью 5,0—5,5 тыс. ккал/кг (20 — 23 МДж/ кг) по сравнению с залежами переходного и верхового типов
— 2,8 — 3,0 тыс. ккал/кг (11 — 12,5 МДж/ кг), но большей зольностью (от 5 до 12%). Однако у торфов переходных и верховых болот зольность меньше — 4 — 5% и ниже 4%.
Торфяной фонд области насчитывает 288 месторождений общей площадью 64978 га и общими промышленными запасами 1915014 тыс. м3, или 311019 тыс. т (при 40%-ной влажности). Имеется еще 239 месторождений (53410 га), площадь каждого из них — менее 20 га, поэтому в балансе запасов они обычно не учитываются. Мощность торфа в торфяниках в среднем 3—5 м [6]. Однако на многих болотах имеются и
81
82
глубокие участки — до 6 — 9 м, а в отдельных местах залежи торфа достигают 12 м, часто с отложениями сапропеля. Большинство торфяных залежей в области нормальнозольные (зольность менее 12%) и имеют средние степени разложения 25 — 30%, что отвечает требованиям топливных торфов.
На территории гослесфонда имеются торфяные месторождения общей площадью 11039,4 га, в том числе по лесхозам: в Багратионовском — 179 га; Железнодорожном — 94,4 га; Краснознаменском — 1867 га; Нестеровском — 1242 га, Полесском — 5221 га, Приморском — 66 га, Славском — 2025 га, Черняховском — 345 га.
В качестве перспективных для использования исследованы месторождения с площадями более 20 га, со средней мощностью торфяной залежи не менее 1,5 м и средней зольностью не более 35%. Добыча торфа в регионе осуществляется в 43 месторождениях (15%) площадью 12313 га (19%) и запасами 104 млн т (34%).
Заготовкой топливного торфа в области занимаются два предприятия — это ОАО «Торфопредприятие Нестеровское», ООО «Торфо». Годовой объем добычи торфа в последние годы составляет 50 — 60 тыс. т, а в период наибольшего подъема отрасли в 1989 г. в области добывалось более 500 тыс. т торфа в год (табл. 2). Одна тонна торфа в 2002 г. стоила примерно 350 рублей, а в 2004 — 2005 гг. — 400 руб.
Таблица 2
Добыча торфа калининградскими предприятиями в 1999—2003 гг.
Показатель 1991 1997 2000 2001 2002 2003
Объем добычи торфа, тыс. т 720 50,0 29,1 36,0 60,0 51,6
Количество разрабатываемых месторождений 6 12 10 8 10
Месторождений торфа, пригодных для разработки в качестве источников биотоплива, в Калининградской области более 50, и они могут обеспечить регион этим сырьем в течение многих десятков лет. В 2000 г. разрабатывались лишь 12 из них — в Черняховском, Полесском, Славском и др. районах [7]. На ближайшую перспективу рекомендованы [6] к эксплуатации 33 месторождения с запасами торфа 57,8 млн т (18%).
Из торфа-сырца выпускают различную продукцию, отвечающую международным стандартам качества и требованиям рынка. Торфо-предприятия области выпускают различные виды торфа-сырца с целью их дальнейшей переработки или непосредственного использования: топливный, фрезерный и кусковой торф. Наряду с кусковым и фрезерным топливный торф пользуется большим спросом на местном рынке и служит великолепной заменой традиционным видам топлива. Калорийность торфобрикетов достигает 4,0 тыс. ккал/кг (16,8 МДж/кг) при зольности 5%, что приближает их к высококачественному силезскому углю — 6,0 тыс. ккал/кг (25,1 МДж/ кг) [1].
Торф активно используется в наших тепличных хозяйствах, которые оснащены специальными отопительными котлами, работающими
на торфе. Этот опыт накоплен в результате функционирования следующих объектов:
— котельная в пос. Свободное Черняховского района (2 котла по 0,35 МВт);
— небольшие котельные торфопредприятия «Нестеровское» в пос. Зеленое Нестеровского района, отапливающие административные здания;
— котельная в центре г. Черняховска (2 котла, 3 МВт), отапливающая теплицы (0,6 га) и жилой микрорайон, ее общий вклад в теплоснабжение города — 25%.
В декабре 2001 г. для отопления и горячего водоснабжения жилого микрорайона г. Черняховска была запущена в эксплуатацию котельная, работающая на фрезерном торфе. Тепловая мощность двух установленных котельных агрегатов 6 МВт, (5,2 Гкал/ч). Температура горения биотоплива в топке автоматически поддерживается на уровне 800—1000 °С, коэффициент полезного действия топки и котла составляет 85%.
Котельная г. Черняховска оснащена новым современным оборудованием с автоматической подачей топлива, расход торфа — 25 тыс. м3 в год, т. е. его хватает на 6 — 7 месяцев отопительного сезона. Используется торф с зольностью 2,53%, влажностью — 40—50%, зависящей от времени года, и, соответственно, с теплотворной способностью 2500—1950 ккал/кг (10,5 — 8,2 МДж/кг). Для улучшения теплотворности в торф добавляют (25 — 30%) древесные опилки, щепу и кору лиственницы. Доставка биотоплива осуществляется автотранспортом с торфоместорождений «Краснополянское» и «Угрюмовское» Черняховского района.
Цена топлива (в 2004 — 2005 гг.) с учетом НДС и транспортных расходов составляет около 100 руб. за 1 м3 торфа, или 400 руб. за тонну, что значительно ниже стоимости традиционных видов топлива. Себестоимость тепловой энергии (в 2004 — 2005 гг.) в зависимости от влажности торфа — 220 руб. за 1 Гкал, что в 1,6 раза дешевле энергии, полученной при сжигании мазута, и в 2 раза дешевле, чем от сжигания угля.
Максимально допустимая концентрация загрязняющих веществ на границах жилой зоны для биокотельной: зола — 0,538 мг/м3, оксид азота — 0,293 мг/м3, оксид углерода — 2,567 мг/м3, оксид серы — 0,283 мг/м3 (табл. 3).
Таблица 3
Максимально допустимая концентрация загрязняющих веществ на границах жилой зоны для биокотельной
Загрязняющее вещество Максимальный разовый выброс, г/ с Валовый выброс, т/ г
Диоксид азота 2,270 0,8571
Оксид серы 2,192 0,8276
Оксид углерода 19,895 7,51
Взвешенные вещества 4,169 1,5738
Превышение нормативов ПДВ не отмечено ни по одному из названных загрязняющих веществ.
84
В котельной, отапливающей среднюю школу в пос. Свобода Черняховского района, смонтированы два котельных агрегата общей мощностью 0,7 МВт. Затраты на топливо при переходе с угля на торф уменьшились в 5,3 раза. Себестоимость тепловой энергии составляет 198 руб. за 1 Гкал.
В стадии завершения строительства находится муниципальная котельная на торфе мощностью 5 МВт в г. Нестерове, намечено начать ее эксплуатацию в 2006 г. Планируемый ежегодный расход торфа — 13 — 15 тыс. м3. Во многих небольших городах и населенных пунктах области вполне возможно построить небольшие теплофикационные котельные и ТЭЦ (2 — 20 МВт), работающие на торфе и/или древесной щепе. Так, для ТЭЦ мощностью 2,5 МВт электроэнергии и 25 Гкал/ч тепла годовая потребность топливного торфа составляет около 60 тыс. т, а на 30 лет — 1800 тыс. т. Для обеспечения такой ТЭЦ необходимо постоянно иметь в работе фрезерные поля на промышленных залежах 700 — 900 га. При заготовке этого топлива должен быть сохранен полуметровый придонный слой торфа [8].
Завершая обзор возможностей использования биомассы, следует подчеркнуть целесообразность перевода на этот альтернативный источник энергии малых котельных в городах и поселках Калининградской области, расположенных, главным образом, вблизи лесных массивов и торфяных месторождений.
Список литературы
1. Орленок В.В. Использование топливно-энергетических ресурсов Калининградского региона // Экологические проблемы Калининградской области: Сб. науч. тр./ Калинингр. ун-т. Калининград, 1997. С. 54 — 56.
2. Доклад о состоянии и об охране окружающей природной среды Калининградской области в 2003 году. Калининград, 2004.
3. Местные системы энергоснабжения в гармонии с окружающей средой / Пер. с англ.; Под ред. и предисл. Г.Г. Ольховского. М.: ВТИ, 1999.
4. В.М. Литвин, Г.Н. Ельцина, В.П. Дедков. Калининградская область. Природные ресурсы. Калининград: Янтарный сказ, 1999.
5. География Янтарного края России: Учебник по курсу «Региональная география Калининградской области» / Под ред. В.В. Орленка. Калининград: Янтарный сказ, 2004.
6. Географический атлас Калининградской области / Гл. ред. В.В. Орленок. Калининград: Изд-во КГУ; ЦНИТ, 2002.
7. Рагулина И. Р. Эколого-экономическая оценка использования торфа в теплоэнергетике / / Экологические проблемы Калининградской области и Балтийского региона: Сб. науч. тр. Калининград: Изд-во КГУ, 2002. С. 88—94.
8. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России/ Под ред. П.П. Безруких. СПб.: Наука, 2002.
Об авторе
И.Р. Рагулина — ст. препод., БГА.
