Геоинформационный инструментарий для анализа энергопотенциала древесных отходов как фактора циркулярной экономики в регионах РФ Текст научной статьи по специальности «Социальная и экономическая география»

УДК 528.9

Геоинформационный инструментарий для анализа энергопотенциала древесных отходов как фактора циркулярной экономики в регионах РФ

Андреенко Татьяна Ивановна [0000-0001-8678-3568] 1,

Рафикова Юлия Юрьевна [0000-0003-3204-9135] 2,

Тетерина Нина Владимировна [0000-0002-3142-7440] 3

Географический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова, Москва, 119991, Россия

ju.rafikova@mail.ru tanyandr00@mail.ru 3Е-та^: ninok.net@gmail.com

Аннотация. В последние годы отходы древесной биомассы стали многообещающим энергетическим ресурсом во многих странах мира. Для России использование этого вида отходов в энергетических целях - это не только возможность обеспечить энергией население, но и решение ряда экологических проблем - снижение риска лесных пожаров и выбросов ТО2. В статье представлена методика геоинформационного анализа возможностей использования ресурсов биоэнергетики с учетом природных, инфраструктурных и социально-экономических факторов. На примере территории пилотного региона - Вологодская область - рассмотрены пространственные факторы и геоинформационный инструментарий в применении к вопросам циркулярной экономики.

Ключевые слова: биоэнергетика, геоинформационные системы, ресурсы, базы геоданных, отходы лесопромышленного комплекса.

1 Введение

Основной целью развития циркулярной экономики (которая в различных источниках называется также экономикой замкнутого цикла, циклической

экономикой) является создание замкнутых технологических циклов с полным использованием поступающего сырья, не вырабатывающих отходов, выходящих за их рамки. Это попытка с помощью экологически совместимых технологий воспроизвести природные циклы, сформировать аналоги экосистем, так как биосфера является закрытой системой, где все элементы взаимосвязаны и обусловливают друг друга, и нет отходов. [1]

В мировой и российской практике объекты биоэнергетики, использующие в качестве топливного ресурса отходы различных видов производств, являются одним из ключевых факторов развития циркулярной экономики, т.к. решают не только вопросы энергообеспечения, но и такие экологические проблемы как загрязнение окружающей среды и нерациональное природопользование.

Для развития биоэнергетической отрасли Россия обладает значительной ресурсной базой. На основе расчетных данных масштабного уровня национальных и региональных оценок [2; 3] можно выделить следующие категории отходов биомассы, которые могут быть перспективны для целей получения энергии:

1) отходы сельского хозяйства (растениеводство (включая полевые и садовые культуры) и животноводства);

2) отходы лесопромышленного комплекса;

3) твердые коммунальные отходы и осадки сточных вод.

При этом размер и величина того или иного ресурса значительно варьируется в зависимости от географического положения региона, климата, геоморфологии, структуры хозяйственной деятельности, развитости экономики. Анализ всех этих параметров сопряжен с поэтапным сбором и рассмотрением большого объёма пространственно-ориентированной информации, эффективную работу с которой целесообразно проводить в геоинформационных системах (ГИС).

Проведенный авторами анализ международного опыта разработки ГИС-инструментария для включения биоэнергетических технологий в подходы циркулярной экономики показал, что на сегодняшний день во всём мире в этой области ведутся активные разработки, создаются как информационные системы о ресурсах отходов биомассы, так и модели, позволяющие определять их перспективы использования в целях производства тепловой, электрической энергии и широкого спектра современных биотоплив. Тем не менее пока еще остаются нерешенными задачи геоинформационного моделирования социально-экономического эффекта от возможного использования отходов биомассы. [4]

Анализируя уже имеющийся в России опыт оценок потенциалов получения энергии из отходов биомассы различных типов [2; 3] можно выделить такие перспективные для России области, как сельское хозяйство и лесоперерабатывающая промышленность. Проблемы утилизации этих видов отходов приводят к таким экологическим конфликтам как ежегодные лесные пожары, пожары, вызванные сжиганием остатков сельскохозяйственного

Журнал «Окружающая среда и энерговедение» (ОСЭ) №4(2022) производства (на полях, в садах и виноградниках), анаэробное разложение этих остатков в свалках с выбросом такого агрессивного парникового газа как метан. Эти проблемы могут быть решены путем использования этих отходов в энергетических целях с получением тепловой или электрической энергии значительных объемов. Кроме того, это способствует замыканию производственных циклов и экономическому развитию регионов, созданию новых факторов роста экономики для обеспечения занятости и повышения уровня доходов населения.

В России наиболее развит рынок твердого биотоплива из отходов лесоперерабатывающего комплекса (ЛПК). Не только разработаны технологии производства прогрессивного твердого биотоплива, но и налажен значительный объем их производства (технологическая щепа, топливные пеллеты и брикеты, торфяные брикеты и т.д.). Важным экономическим фактором использования именно древесных видов ресурсов также является дешевизна технологий прямого сжигания отходов биомассы наряду с их энергоэффективностью. Экологический эффект такого использования заключается в том, что использование древесных отходов будет приводить к уменьшению анаэробного разложения остатков древесины и выбросам метана в атмосферу, а также будет способствовать уменьшению лесных пожаров и предотвращению тем самым выбросов чёрного углерода и других продуктов горения в окружающую среду.

2 Методика геоинформационного анализа

Предлагаемая авторами методика включает в себя поэтапный анализ пространственных факторов на различных масштабных уровнях с применением инструментария ГИС. Общая последовательность представлена на рис.1. Этап 1. Анализ пространственного распределения ресурсов по административным единицам.

На данном этапе производится расчёт величины потенциалов (валового и технического) тепловой и электрической энергии из отходов. Возможно рассмотрение потенциала энергозамещения традиционных видов топлив (газ, уголь, мазут, дрова и т.п.) энергией из отходов биомассы. Для этого используются данные официальной государственной статистики с детализацией до субъектов РФ и муниципальных образований внутри субъектов. В среде ГИС производится классификация методом естественных интервалов с обязательным анализом диаграммы рассеяниям, составляются тематические карты административных районов по уровню потенциалов, выделяются районы наиболее перспективные с точки зрения энергоресурсов данного типа.

В приведенной работе были использованы методики расчета валового и технического потенциалов отходов биомассы, описанные в работах [3; 5].

Анализ ресурса (карты распределения ресурсов регионального и муниципального масштабов)

Оценка энергобалансов, оценка экологической целесообразности, анализ возможности размещения оборудования

Анализ транспортной доступности, ранжирование предприятий по типам, расчет экономического и экологического эффекта

Рис. 1. Схема методики оценки потенциала развития циркулярной экономики средствами ГИС для биоэнергетических предприятий.

Этап 2. Анализ социально-экономических условий региона.

На этом этапе методами ГИС производится анализ плотности населения (классификация по административным единицам и анализ территориального распределения), уровня энергообеспеченности, оценка удаленности населенных пунктов от линий электропередач (ЛЭП), наличие энергоизолированных населенных пунктов или районов, изношенность энергосистемы (на основе анализа официальной документации и утвержденных планов развития местной энергосистемы). Определяется характер использования энергии из отходов для конкретного региона. В регионах с наличием изолированных энергосистем целесообразно дальнейшее рассмотрение возможностей переработки отходов в энергию в точках их образования. В регионах с развитой транспортной и энергетической инфраструктурой рассматривается возможность транспортировки биотоплива и затраты на неё, проводится анализ потенциальных потребителей, возможностей замещения экологически небезопасных видов топлива и модернизации энергообъектов.

Этап 3. Пространственный анализ потребителей энергии из отходов.

Составление баз геоданных по предприятиям, производящим топливо из отходов, и потребителям (действительным и потенциальным) данного вида топлива. Анализ их удаленности друг от друга и ранжирование по уровню

Журнал «Окружающая среда и энерговедение» (ОСЭ) №4(2022) транспортных затрат и целесообразности перевода на биотопливо из местных отходов.

3 Результаты и их обсуждение

Территория РФ, в целом, в силу климатических и природных особенностей обладает значительным потенциалом использования отходов ЛПК в целях биоэнергетики. Согласно [3] максимальным суммарным валовым энергетическим потенциалом биомассы обладают регионы с максимальной величиной расчетной лесосеки, которая дает определяющий вклад в валовый потенциал (Иркутская область, южная часть Красноярского края, Вологодская область, Архангельская область, Кировская область, Пермский край, Ленинградская область, Республика Коми, Свердловская область) - от 5 400 до 36 700 тыс. т у.т./год, минимальным - субъекты РФ, имеющие климатические условия, не предполагающие возможность ведения сельского хозяйства и заготовку лесоматериалов (Республика Саха (Якутия), Ненецкий АО, Чукотский АО, Магаданская область, Мурманская область) - менее 1 400 тыс. т у.т./год[3]. При этом именно лесной сектор наиболее активно реализует принципы циркулярной экономики. В России в последние десятилетия активно развивалось производство биотоплив второго поколения из отходов ЛПК (пеллет, брикетов и т.п.). На сегодняшний день в РФ функционирует более 250 производителей пеллет, с общей мощностью предприятий 3,9 млн т. До недавнего времени около 90% произведенных пеллет экспортировалось в Евросоюз, 5% - в страны Азии, еще 5% потреблялось на внутреннем рынке. При этом рост производства пеллет в 2016-2022 годах составлял 20% в год. Согласно данным Управления использования лесов Федерального агентства лесного хозяйства динамика заготовки древесины для различных нужд в тот же временной период остаётся стабильной и составляет в среднем около 40 млн м3. Это говорит о стабильности размеров производимых отходов ЛПК и необходимости их переработки, как и возможностей для биоэнергетики. Анализ структуры и объемов использования отходов ЛПК в различных отраслях (производство строительных материалов, целлюлозы, а также производство тепловой энергии) показывает, что во многих регионах РФ наряду с активным производством из отходов полезных продуктов, остаётся достаточно высоким их свободный (нереализованный) ресурс (рис.2). Как правило, свободный ресурс составляет экологическую нагрузку, т.к. складируется в отвалах или сжигается на свалках с сопутствующими выбросами вредных веществ в окружающую среду.

ДФО

■ Свободный ресурс ■ Пеллеты, брикеты ■ ДВП ■ Производство тепла ■ Целлюлоза ■ ДСП

УФО

ПФО

СКФО ЮФО 1

ЦФО ™

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Объём отходов, тыс. м3

Рис. 2. Структура использования отходов ЛПК по федеральным округам РФ.

Составлено авторами по данным АО «Государственный научный центр лесопромышленного комплекса».

Производство твердого древесного биотоплива в регионах РФ согласно данным ГИС ВИЭ России [6] и интерактивной карте предприятий ЛПК «Леспроминформ» [7] концентрируется в отдельных субъектах РФ, которые с одной стороны характеризуются высоким валовым энергетическим потенциалом ЛПК (энергосодержанием расчетной лесосеки), с другой стороны - значительной ролью предприятий ЛПК в экономике этих регионов, а также экологическими факторами. Так, в Якутии, Алтайском крае, Приморском крае, несмотря на достаточно высокий валовый энергопотенциал расчетной лесосеки (от 2 500 до 18 200 тыс. т у.т./год) производство древесного биотоплива не развито в силу специфики промышленности и породного состава лесного фонда (рис. 3). В Нижегородской, Омской, Псковской, Ярославской областях, республике Мордовия производство присутствует, но не превышает 50 тыс.т/год, что связано, вероятно, как с не очень большими масштабами предприятий ЛПК, так и с обеспеченностью предприятий этих регионов другими энергоресурсами. Наибольшими объёмами производства твердого древесного биотоплива (более 100 тыс.т/год) характеризуются Архангельская, Иркутская, Ленинградская области, Красноярский край. Предприятия ЛПК этих регионов занимаются производством древесных пеллет и брикетов не только на нужды регионов, но и являются крупными экспортерами древесного биотоплива за рубеж. Также достаточно высокими темпами производства биотоплива характеризуются Вологодская, Кировская, Тверская области, Пермский и Хабаровский край (от 50

Журнал «Окружающая среда и энерговедение» (ОСЭ) №4(2022) до 100 тыс.т/год), где потребление энергии из данного вида биотоплива идёт преимущественно на собственные нужды. Следует также отметить, что в отдельных регионах

Несмотря на достаточно быстрые темпы развития биоэнергетики из отходов ЛПК, согласно экспертным оценкам, предприятия, производящие топливо из древесных отходов в Северо-западном округе РФ загружены лишь на 45,7%, а в центральном округе РФ - на 41,0%. [8]. Это говорит о необходимости более детального анализа потребительских ниш на региональном уровне.

Map: Julia Rafikova ■ Source: www.gisre.ru * Created with Datawrapper

Рис. 3. Картограмма субъектов РФ по уровню производства твердых древесных биотоплив (производство древесных топливных гранул и топливных брикетов суммарно). Составлено авторами по данным ГИС ВИЭ России [6] и интерактивной карте предприятий ЛПК «Леспроминформ» [7]

Нами была рассмотрена территория Вологодской области, с точки зрения влияния инфраструктурных факторов на возможности использования ресурсов биоэнергетики из отходов ЛПК. В исследуемом регионе заготовка древесины является основным видом лесопользования, в котором задействованы как крупные лесозаготовительные предприятия, лесопромышленные компании, так и сельскохозяйственные, бюджетные организации и местное население. В области ежегодно заготавливается до 10,5 млн.м3 древесины в год. Столь активное лесопользование с годами приводит к смене породного состава

древесины, ухудшению её качества и продуктивности лесов. Увеличивается количество отходов от переработки древесины. С 1997 года в области действуют региональные программы развития деревообработки, лесопользования и лесного хозяйства, наряду с программами по развитию биоэнергетики. Согласно наиболее актуальной из них [9] к 2023 году все котельные области должны быть переведены на экологически безопасные виды топлива, такие как газ и биотопливо из местных отходов ЛПК. Производство древесных гранул и брикетов в исследуемом регионе с 2004 года выросло с 0 до 300 тыс. т/год

Нами были составлены базы геоданных по предприятиям ЛПК, производящим древесные отходы (включая предприятия производящие из отходов биотопливо и не производящие) в Вологодской области и предприятиям, которые могут быть потенциальными потребителями данного вида биотоплива (котельные, которые на сегодняшний день функционируют на дровах) для оценки их возможностей перехода на топливо из отходов ЛПК (рис.4).

а) б)

Рис. 4. Фрагменты баз геоданных по производителям древесного биотоплива из отходов ЛПК (а) и котельным, работающим на дровах по состоянию на декабрь 2022 г. (б). При использовании инструментария ПО ОвШ котельные на дровах были ранжированы по следующим категориям:

1. Котельные, находящиеся в зоне 50 км от предприятий ЛПК, производящих древесное топливо из отходов.

2. Котельные, находящиеся в зоне 50 км от предприятий ЛПК, НЕ производящих древесное топливо из отходов.

3. Котельные, расположенные вне 50-километровых зон предприятий ЛПК. Так, в Харовском районе закупки дров для котельных в декабре 2022 г.

согласно [10] достигали 12 400 м3 древесины смешанных пород. При этом котельные находятся в зоне транспортной доступности крупного производителя древесных гранул ООО «Харовсклеспром», успешно обеспечивающего себя

Журнал «Окружающая среда и энерговедение» (ОСЭ) №4(2022) энергией из отходов лесопереработки и активно работавшего последние годы на экспорт древесных гранул в страны Европы. Такие котельные можно отнести к наиболее перспективным для модернизации и переводу на биотопливо из отходов, поскольку они обеспечены транспортной инфраструктурой и, следовательно, могут быть минимизированы транспортные расходы на доставку биотоплива. Кроме того, учитывая почти двукратную разницу в теплотворной способности дров и древесных пеллет и брикетов, может быть минимизирован расход топлива и экономические затраты, связанные с его объёмами.

К другой группе потребителей можно отнести котельные Вытегорского района, достаточно удаленного от мест производств древесного биотоплива, но, тем не менее, с развитой транспортной инфраструктурой и наличием местных крупных деревообрабатывающих предприятий, производящих отходы. В этом районе строительство производств топлива из отходов и модернизация котельных могут быть более экономически затратными, но при этом решать экологические проблемы региона - такие как сохранение охраняемых природных территорий Прионежья, улучшение уровня жизни местного населения и, как следствие, развития экотуризма.

Согласно оценкам Департамента лесного комплекса Вологодской области [11] (рис. 5), одним из самых дорогостоящих процессов производства твердого древесного биотоплива являются затраты на сырьё, которые в районах производства отходов ЛПК могут быть существенно минимизированы.

Статья затрат Затраты, руб. Доля

Оплата труда, налоги 512,78 16,7

Электроэнергия 461,32 15,1

Газ 148,74 4,8

Амортизация 449.37 14.5

Сырье 653,05 21,2

топливо 102,02 3,3

Ремонт основных средств 388,25 12.6

Нал о гнс зп 125,93 4,1

Прочие 233,61 7,7

Итого 3075,07 100

Рис. 5. Себестоимость производства древесных топливных гранул (пеллет). [11]

Журнал «Окружающая среда и энерговедение» (ОСЭ) №4(2022) 4 Выводы

Проведенный анализ позволил определить геоинформационный инструментарий и методические подходы к региональной оценке перспектив развития циркулярной экономики на предприятиях лесопромышленного комплекса. Апробация разработанных подходов на примере древесных отходов ЛПК Вологодской области определила оптимальный состав баз геоданных и методов работы с ними, позволяющими выделять потенциальных потребителей биотоплива второго поколения с учётом их транспортной доступности, удалённости от предприятий, производящих древесное биотопливо и таких экологических факторов территории как наличие особо охраняемых природных территорий, крупных водных объектов, охраняемых лесов и т.п. Разработанные подходы позволяют выделять районы, в которых целесообразно проведение анализа большего перечня пространственных факторов, влияющих на возможность реализации биоэнергетических проектов, в крупномасштабных исследованиях.

Благодарность.Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 20-010-00981).

Литература

1. Бобылев С.Н., Соловьева С.В. Циркулярная экономика и ее индикаторы для России. Мир новой экономики. 2020;14(2):63-72. DOI: 10.26794/2220-6469-2020-14-2-63-72

2. Справочник по ресурсам возобновляемых источников энергии России и местным видам топлива (показатели по территориям) / Под редакцией Безруких П.П. М. : «ИАЦ Энергия», 2007. - 272 с.

3. Атлас ресурсов возобновляемой энергии на территории России: науч. издание / под ред. Киселёвой С.В. М.: РХТУ им. Д.И.Менделеева, 2015. - 160 с.

4. Рафикова Ю. Ю., Андреенко Т. И. Геоинформационные системы в биоэнергетике // Окружающая среда и энерговедение. — 2022. — № 2 (14). — С. 51-60.

5. Энергетический потенциал органических отходов / Т. И. Андреенко, С. В. Киселева, Ю. Ю. Рафикова, А. А. Тулегенова // Вестник Московского энергетического института. — 2022. — № 4. — С. 59-67.

6. Геоинформационная система «Возобновляемые источники энергии России». Режим доступа: https://gisre.ru/. Дата обращения: 12.12.2022

7. Интерактивная он-лайн карта предприятий ЛПК «Леспроминформ». Режим доступа: https://lesprominform.ru/maps Дата обращения: 12.12.2022

8. Рынок пеллет (топливных гранул) в России. Текущая ситуация и прогноз 2022-2026 гг. Аналитический отчёт AltoConsultingGroup, 2022 г., 134 с.

9. "Схема и программа развития электроэнергетики Вологодской области на 2023-2027 годы", Вологда, 2022 г.

10. Официальный сайт Единой Информационной Системы «Закупки» Режим доступа: https://zakupki.gov.ru/epz/main/public/home.html Дата обращения: 12.12.2022

11. Грачев В. В., Марков Р. Б. Перспективы развития биоэнергетики // Экономические и социальные перемены: факты, тенденции, прогноз. 2009. №4. Режим доступа: https://cyberleninka.ruarticle/nperspetoivy-razvitiya-bioenergetiki (дата обращения: 12.12.2022).

Reference

1. Bobylev S.N., Solovieva S.V. Circular economy and its indicators for Russia. The world of the new economy. 2020;14(2):63-72. DOI: 10.26794/2220-6469-2020-14-2-63-72

2. Handbook on Renewable Energy Resources in Russia and Local Fuels (Indicators by Territories) / Edited by Bezrukikh P.P. M.: "IAC Energy", 2007. - 272 p.

3. Atlas of Renewable Energy Resources in Russia: scientific. edition / ed. Kiseleva S.V. Moscow: RKhTU im. D.I.Mendeleeva, 2015. - 160 p.

4. Rafikova Yu. Yu., Andreenko T. I. Geoinformation systems in bioenergy // Environment and energy science. - 2022. - No. 2 (14). — pp. 51-60.

5. Energy potential of organic waste / T. I. Andreenko, S. V. Kiseleva, Yu. Yu. Rafikova, A. A. Tulegenova // Bulletin of the Moscow Power Engineering Institute. - 2022. - No. 4. - S. 59-67.

6. Geoinformation system "Renewable energy sources of Russia". Access mode: https://gisre.ru/. Date of access: 12.12.2022

7. Interactive on-line map of the enterprises of the forestry complex "Lesprominform". Access mode: https://lesprominform.ru/maps Date of access: 12.12.2022

8. Market of pellets (fuel pellets) in Russia. Current situation and forecast 2022-2026 Analytical report Alto Consulting Group, 2022, 134 p.

9. "Scheme and program for the development of the electric power industry of the Vologda Oblast for 2023-2027", Vologda, 2022

10. Official website of the Unified Information System "Procurement" Access mode: https://zakupki.gov.ru/epz/main/public/home.html Date of access: 12/12/2022

11. Grachev V. V., Markov R. B. Prospects for the development of bioenergy // Economic and social changes: facts, trends, forecast. 2009. No. 4. Access mode: https://cyberleninka.ru/ar-ticle/n/perspektivy-razvitiya-bioenergetiki (date of access: 12/12/2022).

Geoinformation tools for the analysis of the energy potential of wood waste as a factor of the circular economy in the regions of the Russian Federation

T.I. Andreenko1, Yu.Yu. Rafikova2, N.V. Teterina3

Faculty of Geography, Lomonosov MSU, Moscow, 119991, Russia

1E-mail: ju.rafikova@mail.ru 2E-mail: tanyandr00@mail.ru 3E-mail: ninok.net@gmail.com

Abstract. In recent years, woody biomass waste has become a promising energy resource in many countries around the world. For Russia, the use of this type of waste for energy purposes is not only an opportunity to provide energy to the population, but also a solution to a number of environmental problems, reducing the risk of forest fires and CO2 emissions. The article presents a methodology for geoinformation analysis of the possibilities of using bioenergy resources, taking into account natural, infrastructural and socio-economic factors. On the example of the territory of the pilot region of the Vologda Oblast, spatial factors and geoin-formation tools are considered as applied to the issues of the circular economy.

Keywords: bioenergy, geoinformation systems, geodatabases, timber industry waste