CC BY
24ЭНЕРГИЯ БИОМАССЫ
ENERGY OF BIOMASS
Статья поступила в редакцию 28.05.2014 Ред. Per. № 2024
The article has entered in publishing office 28.05.2014Ed. Reg. No 2024
УДК 620.95
К ОЦЕНКЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА ОТХОДОВ РАСТЕНИЕВОДСТВА: ЗЕРНОВОЕ ХОЗЯЙСТВО
Т.И. Андреенко, C.B. Киселёва, В.П. Шакун
Географический факультет МГУ имени М. В. Ломоносова 119991Москва, Ленинские горы,д.1 Тел.: (495) 939-42-57, е- mail: [email protected]
Заключение совета рецензентов 04.06.14 Заключение совета экспертов 11.06.14 Принято к публикации 18.06.14
Работа посвящена расчету и анализу энергетического потенциала отходов растениеводства - колосниковых зерновых культур. Расчеты проведены на основе данных Росстата 2006-2013 гг. Оценки сделаны для отдельных зерновых культур по каждому субъекту Российской Федерации. Выполнен анализ принятой методики расчета валового, технического и экономического энергетических потенциалов органических отходов. Показана необходимость учета структуры сельскохозяйственного производства районов при расчете технического и экономического потенциалов незерновой части урожаев. Полученные количественные оценки и картографическое представление позволяют оперативно выделять ведущие регионы по потенциалу, что в совокупности с социально-экономическими и экологическими характеристиками территории формируют основу для принятия проектных решений.
Ключевые слова: энергетические ресурсы, отходы растениеводства, зерновое хозяйство, валовой, технический и экономический потенциалы, солома, тюки, брикеты, пеллеты, теплотворная способность, картографическое представление.
TO THE ASSESSMENT OF POTENTIAL ENERGY CROP WASTES: GRAIN FARMING
T.I. Andreenko, S.V. Kiseleva, V.P. Shakun
Lomonosov Moscow State University, Faculty of Geography 1 Leninskie Gori, Moscow, the Russian Federation, 119991 ph: 8 (495) 939-42-57, e-mail: [email protected]
Referred 04.06.14 Expertise 11.06.14 Accepted 18.06.14
Article is devoted to the calculation and analysis of the crop residues (grate crops) energy potential. Calculations were carried out on the base of Federal State Statistics Service data (2006-2013). Estimates were made for individual crops of each subjed of the Russian Federation. The analysis of adopted methodology for calculating the organic waste gross, technical and economic energy potential was carried out. The need to consider the structure of agricultural production areas in the calculation of tailings yields technical and economic potentials was shown. The quantitative assessment and cartographic representation allow to allocate the leading regions in the potential, which together with socio-economic and environmental characteristics of areas form the basis for making design decisions.
Keywords: energy resources, crop residues, grain farming, gross, technical and economic potentials, straw bales, briquettes, pellets, calorific value, cartographic representation.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 12 (152) 2014
© Scientific Technical Centre «TATA», 2014
Андреенко Татьяна Ивановна
Сведения об авторе: кандидат биологических наук, старший научный сотрудник НИЛ ВИЭ географического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.
Образование: физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова по специальности биофизика.
Область научных интересов: возобновляемые источники энергии, оценка ресурсов ВИЭ, стандартизация в возобновляемой энергетике.
Публикации: более 60 печатных работ, соавтор 4 государственных стандартов.
Шакун Владимир Петрович
Сведения об авторе: инженер научно-исследовательской лаборатории возобновляемых источников энергии географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова; бакалавр физико-математических наук.
Образование: окончил в 2009 г. математический факультет МИГУ.
Область научных интересов: возобновляемые источники энергии; оценка ресурсов ВИЭ; геоинформатика; геоинформационные системы.
Публикации: соавтор 7 научных работ.
Введение
В нашей предыдущей работе [1] были проведены расчеты энергетического потенциала муниципальных отходов (твердых бытовых отходов и осадков сточных вод) регионов и городов Российской Федерации, дающие представление о перспективах его использования для получения энергии. Согласно оценкам, проведенным в работе [2], энергетический потенциал отходов сельскохозяйственного производства, и в частности растениеводства, в России в несколько раз превышает соответствующий потенциал муниципальных отходов. В связи с этим, а также с чрезвычайно динамичной ситуацией в производстве сельскохозяйственной продукции представляется актуальным уточнение оценки энергетического потенциала отходов растениеводства России с дифференциацией по различным регионам.
Важнейшей отраслью растениеводства России является зерновое хозяйство, обеспечивающее основу питания людей и значительную часть кормового рациона сельскохозяйственных животных. Иод зерновые культуры в стране занято более половины пахотных земель, в отдельные годы сбор зерна составлял более 100 млн. тонн (с 1968г по настоящее время валовой сбор зерна в РФ 12 раз превышал 100 млн. тонн). Иоэтому для производства энергии из отходов растениеводства в России представляется целесообразным рассмотреть возможности использования, прежде всего, отходов зерновых культур -соломы.
Энергетические свойства соломы и производных продуктов
В процессе уборки урожая зерновая часть куль-
туры отделяется от стеблевой, дальнейший способ заготовки соломы зависит от применяемой технологии. Часть соломы остается в виде стерни в поле и запахивается в почву [3]. Удельный вес отходов весьма значителен: соотношение зерновой части урожая и соломы составляет примерно 1:1,5, поэтому годовые объемы образования соломы близки к общему производству зерновых культур в стране [2]. Некоторые свойства соломы, характеризующие её как топливо, приведены в таблице 1 [4,5].
Как видно из таблицы, солома обладает высокой теплотворной способностью и относительно низкой влажностью, что указывает на возможность её эффективного сжигания. Элементный состав соломы незначительно отличается от соответствующих показателей для древесины. В то же время солома как топливо имеет ряд отрицательных свойств: высокое содержание хлора и щелочных металлов, из которых при высоких температурах происходит образование хлоридов натрия и калия в количествах, способных вызвать коррозию стальных элементов энергетического оборудования. Выход летучих компонентов при сжигании соломы (около 70 %) обусловливает необходимость специальных требований к распределению и смешиванию воздуха, поступающего в зону горения, а также к конструкции топки котла. Кроме того, зола, полученная от сжигания соломы, имеет относительно низкую температуру плавления, что приводит к шлакованию энергетического оборудования. Однако сегодня в прогрессивных топочных устройствах эти негативные свойства соломы преодолеваются конструктивными и технологическими решениями. На практике учитывается тот факт, что содержание хлора и калия в свежеубранной соломе («жёлтой») почти в 4 раза выше, чем в «серой», несколько дней пролежавшей в поле [3].
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 12 (152) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014
Химический состав и некоторые характеристики соломы как топлива Chemical composition and some characteristics of straw as fuel
Таблица 1 Table 1
Показатели Свежая солома («желтая») Солома, хранившаяся на поле, («серая») Древесная щепа (для сравнения) Брикеты из соломы [6] Пеллеты из соломы [5]
Влажность, % 10-20 10-20 40 4,7 11,09
Низшая теплота сгорания, МДж/кг 14,4 15 10,4 18,9 15,42
Содержание летучих веществ, % >70 >70 >70
Зольность, % 4 3 0,6-1,5 5,5 4,38
Элементарный состав, %:
углерод 42 43 50
водород 5 5,2 6
кислород 37 38 43
хлор 0,75 0,2 0,02
калий (щелочной металл) 1,18 0,22 0,13-0,35 [14]
азот 0,35 0,41 0,3
сера 0,16 0,13 0,05 0,01 0,07
Температура плавления золы, °С 800-1000 950-1100 1000-1400
Svç - e -
a. И
Сжигание тюкованной соломы в специальных топках успешно реализуется на практике в целом ряде стран [3], однако такой способ не является оптимальным. Объясняется это низкой насыпной плотностью соломы (30 - 40 кг/м3), что удорожает транспортировку и хранение, усложняет систему подачи соломы в топку котла, и - главное - тюкованная солома имеет малое объемное энергосодержание. Поэтому установки для сжигания тюков дороги, имеют невысокий КПД и неудобны для пользователей вследствие крупных габаритов топлива.
Эти проблемы решаются посредством прессования измельчённой соломы в брикеты и гранулирования с получением топливных гранул - пеллет. Брикеты из соломы обладают теплотворной способностью на единицу объема почти в 10 раз большей, чем исходное сырье, а по другим характеристикам не уступают брикетам из древесных отходов (таблица 1). Процесс гранулирования соломы практически не отличается от аналогичного процесса по производству древесных пеллет. Более того, преимуществом соломы зерновых, как сырья для производства гранул, является её относительно низкая влажность, что позволяет во многих случаях не проводить предварительную сушку перед гранулированием. Гранулы весьма технологичны: они имеют диаметр от 6 до 12
мм, длину до 25 мм и насыпную плотность 600 - 650 кг/м3 (почти как у бурого угля), что позволяет их легко транспортировать на значительные расстояния без опасности разрушения. По теплоте сгорания пеллеты из соломы немного уступают гранулам из древесины. К недостаткам брикетов из соломы можно отнести повышенную зольность: если у древесных зольность от 0,5% до 2%, то у соломенных - от 3% до 10%, - однако это едва ли можно назвать серьёзным недостатком, так как соломенная зола служит хорошим удобрением.
Энергетический выход при использовании пеллет из соломы зерновых культур в качестве твердого биотоплива практически равен выходу от угля. Теплота сгорания пеллет из соломы не намного меньше, чем у каменного и бурого угля, в то время как выброс СО2 при их сгорании меньше в 10-50 раз, а выход золы - в 15-20 раз. Следует также отметить, что зола соломенного топлива экологически чище угольной и может быть использована в качестве удобрения сельскохозяйственных угодий.
Технические решения для преодоления недостатков энергетических продуктов из соломы - низкая температура плавления золы соломенных тюков, брикетов и пеллет, значительный выход летучих компонентов при их сжигании, наличие хлора и ще-
I
ta
з
86
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology №12 (152) 2014
© Scientific Technical Centre «TATA», 2014
iSJJlil
лочных металлов в них - найдены и реализованы. В результате технологии достигли коммерческого уровня и достаточно широко используются в Европейских странах[4, 7, 8].
евро, при этом ожидаемые темпы совокупного роста в период с 2012 по 2017 годы составляют 2,5% [9]. Доля соломы в объеме биомассы для производства энергии составляет по тем же данным 10%. Можно констатировать, что технологии сжигания соломы с целью выработки тепла и электроэнергии достигли коммерческого уровня и достаточно широко используются в европейских странах. Рассмотрим некоторые особенности и масштабы использования соломы зерновых в энергетических целях.
Таблица 2
Структура энергогенерирующих мощностей, работающих на соломе в некоторых европейских странах [4]
Table 2
The structure of the energy generating capacities working on the straw in some European countries
Мировой опыт использования соломы как топлива
На данный момент европейский энергетический рынок биомассы и биогаза оценивается в 3,33 млрд.
Страна Вид энергогенери-рующего оборудования Мощность, МВт/ иные характеристики Количество
Дания Котлы в фермерских хозяйствах 0,1 -1,0 10 000
Котельные централи- 0,5 - 12 55
зованного
теплоснабжения
ТЭЦ 2 - 28 4
Велико ТЭЦ 38 1
британия 40 Строится, ввод в 2016 г.
Испания ТЭЦ 16 1
25 1
15-30 7 перспективные проекты
Австрия Котлы в фермерских хозяйствах 0,1 -1,0 Единичные установки
ТЭЦ 5
Швеция Котлы в фермерских хозяйствах 0,1 -1,0 70
Котельные Солома совместно с 5
централизованного теплоснабжения другим топливом
ТЭЦ 110 - древесная щепа; 45 - на соломе; Строится
Финляндия Котлы в фермерских хозяйствах 0,1 Единичные установки
ТЭЦ 1
Франция Котлы в фермерских хозяйствах 0,1 Единичные установки
ТЭЦ 1
Польша Котлы в фермерских хозяйствах 0,1 100
Котельные 0,5-7 40
централизованного теплоснабжения
ТЭЦ 30 Строится, ввод в 2014 г.
Украина Котлы в фермерских хозяйствах Около 100; общая установленная мощность 70 МВт. Топливо-тюкованная солома
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 12 (152) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014
Среди государств, развивающих данную отрасль биоэнергетики, следует выделить те, в которых эксплуатируются высокотехнологичные системы, и масштаб использования энергетического потенциала соломы достаточно высок. Признанным лидером в этой группе является Дания, где первые котлы, работающие на соломе, начали выпускать и внедрять после первого нефтяного кризиса в 70-х годах прошлого века [4]. Современный уровень энергогенери-рующих мощностей Дании, работающих на этом топливе, отражен в таблице 2. При этом Дания не только масштабно развивает биоэнергетическую отрасль на своей территории, но и является успешным экспортером технологий на мировой рынок (аналогичная экспансия проводится и датской ветроэнергетической отраслью). Так, продажи в ЕС малых (до 300 кВт) котлов датской компании «РаББаШпе^А/8» составили более 120 000 штук. А компания БРС1еапГесЬ в период 2006-2012 гг. обеспечила строительство в Китае 34-х электростанций, работающих на соломе, общей мощностью 1200 МВт.
Великобритания, Испания, Швеция, Австрия также идут по пути преимущественного использования соломы в крупномасштабных энергетических проектах - ТЭЦ и ТЭС большой мощности (таблица 2).
Несколько другой путь использования топлива из соломы сформировался в Польше, в которой аграрной биомассе придаётся особое значение и основное направление использования соломенных гранул и брикетов связано с созданием многочисленных малых установок, в основном в фермерских хозяйствах. Эта особенность отражена в структуре установленных генерирующих биоэнергетических мощностей Польши (таблица 2).Следует отметить, что интерес к использованию соломы в качестве топлива в Польше обозначился еще в 1990-х гг. в связи с сокращением поголовья скота и образования избытка соломы порядка 8 млн. т в год. В последние годы осуществляются масштабные закупки агропеллет и брикетов на Украине и в России.
Третий тип европейских государств, использующих в энергогенерации солому и продукты из нее, -это аграрные страны со слабой обеспеченностью собственными топливными энергоресурсами. Как правило, проекты в области биоэнергетики в этих странах проводятся при поддержке международных финансовых и проектных организаций. В качестве типичного представителя этого ряда можно рассматривать Республику Молдову, импорт энергии в которой составляет 95%, а ежегодно образующийся объем соломы зерновых - порядка миллиона тонн [10].С 2002 г. после масштабной оценки энергетического потенциала отходов сельскохозяйственного производства началось осуществление экспериментального проекта по широкому внедрению теплогенераторов малой мощности, работающих на соломе зерновых. В настоящее время в Республике осуществляет-
ся два международных проекта в области энергетического использования соломы:
Проект установки на объектах социальной сферы 25-ти сёл твёрдотопливных отопительных котлов на биомассе, финансируемый Японским агентством международного сотрудничества [11], стоимостью $ 15 млн.
Проект «Энергия и биомасса» Европейского союза и ПРООН, в соответствии с которым в 130 общественных учреждениях и более 500 домашних хозяйствах сельской местности будут сооружены тепловые котлы, использующие биомассу - солому и другие отходы зерновых, например, стебли кукурузы [10,12].
В тот же ряд можно поставить Украину, где накоплен значительный опыт энергетической утилизации соломы. В сельской местности эксплуатируются около 100 котлов/теплогенераторов на тюках соломы. Примерно 45 из них - котлы украинской компании «Южгеплоэнергомонтаж», 10 -датских фирм Faust и Passat Energi, другие - теплогенераторы украинской компании «Бриг». На Украине активно развивается производство гранул и брикетов из соломы: 21,7 тыс. т гранул и 2 тыс. т брикетов произведено в 2012 году. Осенью того же года была запущена первая очередь завода «Вин-Пеллета» (Винницкая область) производительностью 75 тыс. тонн гранул из соломы в год с тем, чтобы в 2014 г. выйти на проектную мощность 150 тыс. т/год. Этой же фирмой планируется продолжить строительство таких заводов в разных регионах страны и довести их количество до 20-ти общей годовой мощностью 2,5-3 млн. т гранул из соломы [4].
Используемая методика и результаты оценки биоэнергетического потенциала соломы для регионов России
В основу расчета были положены методические подходы, изложенные в работах [2, 13-15], согласно которым энергетический потенциал отходов растениеводства определяется по валовому сбору урожая конкретной культуры, а также по ее агротехническим и теплофизическим свойствам. В результате количество отходов i-ой культуры определяется по формуле Piвал = Pi * Кютх, где Piвал - вес отходов i-ой культуры, рассчитанный как произведение величины урожайности культуры Pi и коэффициента Кютх, равного отношению массы отходов и полезной части растения. А валовой энергетический потенциал отходов сельскохозяйственной культуры рассчитывается как произведение массы отходов производства данной культуры, выращенной в хозяйствах всех категорий за год, и теплотворной способности этих отходов Оютх: Швал =Piвал*Qiотх= Pi * Кiотх*Qiотх.
Авторами данной статьи был рассчитан энергетический потенциал отходов растениеводства зерновых и зернобобовых культур Российской Федерации. При
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 12 (152) 2014
© Scientific Technical Centre «TATA», 2014
этом впервые были проведены расчеты для отдельных культур: пшеницы озимой и яровой, ржи озимой и яровой, тритикале озимой и яровой, ячменя озимого и ярового, овса, риса, гречихи, проса. Оценки сделаны для всех Федеральных округов, а также каждого края/области/автономной республики. При расчетах энергетического потенциала использовались данные о средней за период 2006-2012 гг. урожайно-
сти по данным Федеральной службы государственной статистики (Росстата) [16-17].Коэффициенты Кютх и Оютх определялись по литературным данным [2, 13-15].
На рисунке 1 представлено распределение величины энергопотенциала отходов (соломы) основной продовольственной и экспортной зерновой культуры сельского хозяйства России - пшеницы.
ici
Валовый потенциал пшеницы (тут)
■ 1 200 ■ 2600 (Э)
■ 700 -1 200 (4)
■ 500 - 700 (7)
250100500-
500 (10)
250 (7)
100 (10) 50 (32)
w Ш SW - TQ0 (î) ■ 290 îOO (S) ■ 100-340 <l) В «0-100(1) □ в- » rt>
б
в
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 12 (152) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014
Рис. 1. Распределение валового потенциала отходов пшеницы: а - по территории РФ, б,в, г, д - по территории Центрального, Приволжского, Южного, Сибирского Федеральных округов Fig.1. Distribution of total potential waste of wheat: a - on the territory of the Russian Federation, b, c, d, e - on the territory of the
Central, Volga, Southern, Siberian Federal Districts
Картографическое представление позволяет быстро выделить ведущие регионы, определить районы с заданным значением величины интересующего энергопотенциала. Количественные значения энергетического потенциала отходов пшеницы в цифровом выражении представлены на странице сайта ГИС ВИЭ, развиваемого НИЛ ВИЭ MГУ(http://www.gis-vie.ru).На этом же сайте размещены электронные
карты территориального распределения энергетического потенциала отходов всех рассмотренных в исследовании зерновых культур, выращиваемых в России.
В таблице 3 представлены результаты расчетов энергетических потенциалов соломы озимой и яровой пшеницы для Федеральных округов (Центральный, Южный, Приволжский и Сибирский) и областей - лидеров по урожайности этих культур.
Таблица 3
Среднегодовой валовой сбор озимой и яровой пшеницы и соответствующие энергетические потенциалы отходов этой культуры (средние значения за 2006-2012)
Table 3
Average gross yields of winter and spring wheat and the corresponding energy potentials waste
(averages for 2006-2012)
Округа и области Урожай 2006-2012 Энергетический Округа и области Урожай 2006-2012 Энергетический
(в среднем за потенциал (в среднем за потенциал
год, тыс. т) отходов (тыс. т у. т./год) год, тыс. т) отходов (тыс. т у. т./год)
ЦФО 8478,2 3603,2 ПФО 9134,1 3882,0
Воронежская 1396,7 593,6 Республика Татарстан 1889,9 803,2
Курская 1251,0 531,7 Оренбургская 1350,9 574,1
Липецкая 1044,2 443,8 Саратовская 1348,0 572,9
ЮФО 13544,2 5756,3 СФО 8730,9 3710,6
Краснодарский 5826,1 2476,1 Алтайский 2446,0 1039,5
край край
Ростовская 5042,9 2143,3 Омская 1952,7 829,9
Волгоградская 2168,4 921,6 Новосибирская 1554,7 660,7
Красноярский 1295,5 566,9
край
С точки зрения вклада отходов различных зерновых культур в суммарный энергетический потенциал показательными являются результаты, представленные в таблице 4.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 12 (152) 2014
© Scientific Technical Centre «TATA», 2014
Таблица 4
Среднегодовой сбор и энергетический валовой потенциал отходов зерновых культур, выращиваемых в РФ
Table 4
The average annual fee and gross energy potential of waste grain crops grown in Russia
Вид культуры Среднегодовой сбор 2006 - 2012 гг, тыс. т Среднегодовой энергетический нотен-циал отходов (соломы) тыс. ту. т.
Пшеница озимая и яровая 49620,0 21088,5
Рожь озимая и яровая 3010,2 1279,3
Тритикале озимая и яровая 436,1 185,4
Ячмень озимый и яровой 16016,8 6807,2
Овёс 4809,7 2044,1
Просо 516,2 219,4
Гречиха 768,9 326,8
Рис 936,6 398,0
Всего 76114,5 32348,7
Видно, что суммарное энергосодержание соломы злаков, ежегодно выращиваемых в России, в среднем составляет 32348,7 тысяч тонн условного топлива. По данным Росстата [18],в 2011 году в России было произведено и использовано тепловой энергии в количестве, соответствующем 198,2 миллиона тонн условного топлива. Таким образом, энергия, содержащаяся в соломе зерновых, соответствует 16,3% потребностей страны в тепловой энергии. Следует учитывать, однако, что валовой энергетический ресурс (потенциал), приведенный в таблицах 3, 4, - это годовой объём энергии, содержащийся в данном виде энергетического источника при полном её преобразовании в полезную используемую энергию, т.е. при КПД преобразования 100% и отсутствии иных потерь.
Определяя технический энергопотенциал соломы как часть валового потенциала, преобразование которого в полезную энергию возможно при существующем уровне развития технических средств, авторы [2] приравнивают валовой и технический потенциалы соломы. На практике сбор соломы с поля, её погрузка, транспортировка к местам хранения и складирования являются трудоёмкими операциями, определяющими значительные потери этой незерно-
вой части урожая. Например, при широко применяемых технологиях уборки соломы и половы зерновых культур - копённой и валковой - потери незерновой части урожая составляют до 35% [4, 19]. Эти потери должны учитываться при расчёте технического потенциала. Так, авторы работы [15] считают, что для колосниковых зерновых коэффициент потерь можно принять равным 0,1. Но многообразие природных и производственных условий территории России, различные варианты использования незерновой части урожая в хозяйствах определяют и многообразие технологических схем уборки соломы, её перевозки и хранения, а следовательно, и процент потерь этой части урожая [19]. Таким образом, технический потенциал - это часть валового за вычетом потерь при производстве соломы, величина которых специфична для конкретного способа уборки урожая, применяемых технологий и техники, природно-климатических условий и даже сортовых характеристик зернового растения.
Экономический потенциал авторы работы [2] определяют как часть технического потенциала, преобразование которого в полезную используемую энергию экономически целесообразно при данном
iSJJlii
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 12 (152) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014
91
уровне цен на ископаемое топливо, тепловую и электрическую энергию, оборудование, транспортные услуги и т.д. В случае отходов зерновых культур авторы считают возможным приравнять экономический потенциал к 50% валового, считая, что примерно половина образующейся ежегодно соломы является доступной и может быть экономически целесообразно использована. Однако определение доступной доли соломы и других растительных отходов для энергетики является непростой задачей. Объясняется это использованием соломы как в животноводстве (корм, подстилка), растениеводстве (удобрение, мульча), в строительстве, так и в новых перспективных отраслях производства: в целлюлозной промышленности для производства картона и бумаги, в пищевой промышленности для выращивания грибов и т.п.
В работе [4] представлен подробный обзор исследований, выполненных в последние годы, согласно которому в странах Евросоюза на энергетические нужды может быть использовано от 25 до 50 % урожая соломы и отходов кукурузы выращенной на зерно. Интересен опыт Дании, где в среднем из 5,5-6 млн. т образованной соломы около 1,5 млн. т (27%) утилизируется в качестве топлива, 1 млн. т (18%) используется в качестве корма для скота, 0,7 млн. т (13%) идет на подстилку для скота, и свободный остаток составляет порядка 2,3 млн. т (42%) (данные 20042008 гг.). В США для производства биотоплива может использоваться 30-60% общего объёма соломы и отходов кукурузы на зерно.
Количество соломы, необходимое для восстановления плодородия почвы, зависит от системы обработки полей. Так, при современной системе нулевой обработки почвы (No-Till) для восстановления её плодородия требуется меньше соломы по сравнению с другими системами растениеводства, в результате для других нужд хозяйствования высвобождается больший объём растительных отходов. Украинскими специалистами построены имитационные модели деятельности аграрных предприятий различной направленности, позволяющие установить избыток соломы, который может быть использован на теплоэнергетические нужды хозяйства[4]. Так, показано, что аграрное предприятие сахаро-зерно -животноводческого направления может использо-
вать 86% производимой соломы на топливо без ущерба животноводству и плодородию пахотных земель. А для предприятия картофеле-зерноживотноводческого профиля эта доля составляет только 38%.Рассмотренные данные позволяют заключить, что экономический энергопотенциал отходов растениеводства может быть определён только с учётом всей хозяйственной деятельности региона: потребностей животноводства, состояния посевных площадей по содержанию гумуса и необходимости его восстановления, теплоэнергетического баланса населённых пунктов и т. п.
Для России, имеющей огромные ресурсы ископаемого топлива и значительные лесные ресурсы, использование отходов растениеводства может быть рентабельным для районов с развитым зерновым хозяйством и дорогостоящими традиционными энергоносителями (или дорогой их доставкой). Как показали исследования сотрудников Тамбовского технического университета, примером такого региона могут служить восточные районы Ростовской области [5]. В Заветинском районе области в среднем за 2000 - 2006 годы ежегодно оказывались невостребованными и сжигались 28 тыс. тонн соломы озимых зерновых культур (11,9 тыс. т.у.т.). При этом теплообеспечение общественных и жилых зданий района осуществлялось путем использования дорогостоящего антрацита. Показана экономическая и экологическая целесообразность замены антрацита соломенными гранулами, производство которых можно организовать в большинстве регионов России.
Наши данные свидетельствуют о том, что отходы зерновых и зернобобовых культур обладают значительными энергетическими ресурсами даже в неблагоприятные, неурожайные годы (2010,2012 гг.). Рост валового сбора зерна в России в 2000-2013 гг. (рис. 2), позволяет рассматривать производство зерна как стабильную отрасль сельского хозяйства, имеющую тенденцию к развитию. Государственная программа развития сельского хозяйства [21] предполагает довести к 2020 году валовой объём годового урожая зерновых и зернобобовых культур до 115 млн. т.у.т. Суммарный энергетический потенциал отходов производства составит 48,9 млн. т.у.т./год.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology №12 (152) 2014
© Scientific Technical Centre «TATA», 2014
Площадь сева, млн. га Производство зерна, млн. т,
108,18
97,11
-^—Урожайность, ц/га
85,20 86,60
94,21
65,50
70,68
91,33
{
45,83
1,9
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013
Рис. 2. Динамика производства зерновых культур в РФ (2000-2013 гг.) [17,20] Fig. 2.Dynamics of grain crops production in Russia (2000-2013) [17,20]
Кроме увеличения общего объёма производства зерновых культур, стратегическим направлением развития зерновой отрасли является организация планирования в зерно производстве [20]. Такое совершенствование структуры производства зерна может являться и гарантом обеспечения сырьём теплоэнергетического производства, развитие которого, в свою очередь, приведёт к снижению себестоимости зерна [8] и улучшению экологического состояния регионов.
Выводы
Развитие современных технологий привели к тому, что производство энергии (тепловой и электрической) из отходов растениеводства, и в частности соломы, вышло на коммерческий уровень.
Полученные оценки энергетических потенциалов зерновых культур в России свидетельствуют о значительном запасе энергии. В работе представлено территориальное распределение этих ресурсов.
При оценках величин «технический» и «экономический потенциал региона» следует учитывать производственные характеристики и структуру сельского хозяйства района: наличие животноводческих хозяйств как альтернативного потребителя отходов растениеводства, состояние плодородия пашни района и необходимость её восстановления, система обработки почвы и потребности района в энергии (энерго-топливный баланс).
Совершенствование планирования в производстве зерновых, структуры зернового производства и тренд к увеличению производства может обеспечи-
вать гарантированный объем сырья для производства энергии из отходов.
Использование отходов растениеводства для производства тепла и электроэнергии может иметь мультипликативный эффект:
- способствовать улучшению экологической ситуации регионов. Растительные отходы являются более чистым топливом, чем традиционные ископаемые виды. Использование соломы в качестве топлива может предотвратить сжигание её на полях, вызывающее гибель полезной микрофлоры и ухудшение качества почв;
- снижать себестоимость производства зерна; приводить к экономии средств индивидуальных домовладельцев и бюджетных средств районов на закупку топлива для общественных котельных;
- организация производства биотоплива в виде брикетов и гранул из растительных отходов приводит к созданию новых рабочих мест в сельской местности, способствует развитию бизнеса и улучшению уровня жизни сельских тружеников.
Снисок литературы
1. Андреенко Т.И., Киселёва С.В.,Рафикова Ю.Ю., Шакун В.П. К оценке энергетического потенциала органических отходов регионов Рос-сии//Альтернативная энергетика и экология. 2012. № 10. С.104-111.
2. Справочник по ресурсам возобновляемых источников энергии России и местным видам топлива (показатели по территориям). М.: ИАЦ Энергия, 2007. 270 с.
iSJJlii
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 12 (152) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014
93
3. Гелетуха Г.Г., Железная Т.А. Обзор технологий сжигания соломы с целью выработки тепла и электроэнергии // Экотехнологии и ресурсосбережение. 1998. № 6.С. 3-11.
4. Гелетуха Г.Г., Железная Т.А. Перспективы использования отходов сельского хозяйства для производства энергии в Украине. Аналитическая записка БАУ. 2014. №7. 34 с. Размещено на сайте: http://www.uabio.org/img/files/docs/position-paper-uabio-7-ru-draft.pdf
5. Исьёмин Р.Л., КузьминС.Н., МиловановА.В., КоняхинВ.В., ЗоринА.Т., О возможности использования соломы в качестве топлива для коммунальной энергетики. Размещено на сайте: www.biocentr.web.tstu.ru/publikacii/promenergo06.doc
6. Луговцев Е.К. Переработка соломы в топливные брикеты. Размещено на сайте: http ://www.brikk. info/articles/46-kak. html
7. Биотопливо - альтернативный источник получения энергии. Раздел 2. Зарубежные технологии сжигания соломы. МАН Украины. Джанкой 20082009. Размещено на сайте: http://moy-man.at.ua/publ/2008_2009_uchebnyj_god/man/razdel_2 _zarubezhnye_ tekhnologii_ szhiganija_solomy/5-1-0-38
8. Фомин И. Топливо из соломы: прошлое или будущее? Размещено на сай-me:http://soloma.zhuk.tv/news-print-13 5.html.
9. Биоэнергетика Европы. Рост на фоне сокращения стимулов//Нефтегазовая вертикаль. 2013. № 19. С. 17-19.
10. Европейский союз и ПРООН запустили в Молдавии проект по развитию биомассы. РБК-Украина. Размещено на сайте: http://www.abercade.ru/research/industrynews/6280.html
11. Молдова получит $ 15 миллионный грант на установку твердотопливных котлов. Размещено на сайте: http ://pelleta. com.ua/moldova-poluchit-15-millionnyj -grant-na-ustanovk-o23927.html
12. В 2013 году Проект "Энергия и биомасса" покроет всю территорию Молдовы. Размещено на сайте: http://www.allmoldova.com/moldova-news/1249080934.html.
13. Биомасса как источник энергии. М.: Мир, 1985. 368 с.
14. Гелелуха Г.Г., Железная Т.А.. , Жовмир Н.М., Матвеев Ю.Б., Дроздова О.И. Оценка энергетического потенциала в Украине. Часть 1. Отходы сельского хозяйства и древесная биомасса // Промышленная теплотехника. 2010. Т.32, №6. С.58-65.
15. Клюс С.В., Забарный Г.Н. Оценка и прогноз потенциала твёрдого биотоплива Украины // Коллекторное и энергетическое машиностроение. 2011. №2(24). С.8-13.
16. Бюллетень Росстата. Посевные площади, валовые сборы и урожайность сельскохозяйственных культур в Российской Федерации в 2012 году.
Размещено на сайте:
http://www.gks.ru/wps/wcm/connect/rosstat_main/rossta t/ru/statistics/ publications /catalog/doc_1265196018516.
17. Бюллетень Росстата. Посевные площади, валовые сборы и урожайность сельскохозяйственных культур в Российской Федерации в 2013 г.
Размещено на сайте:
http://www.gks.ru/wps/wcm/connect/rosstat_main/rossta t/ru/statistics/publications/catalog/doc_1265196018516
18. Российский статистический ежегодник. Рос-стат 2013 г. (Таблица 13.9. Баланс энергоресурсов за 2011 год. С. 360).
19. Данилова Г.М. Оптимизация процесса уборки незерновой части урожая зерновых культур с использованием методов имитационного моделирования. Автореферат дисс. на соискание учёной степени кандидата технических наук. М.: 1984.
20. Печатная версия доклада П. Скурихина «Зерновой рынок России: тенденции 2013/2014гг». Международная конференция «Российская зерновая неделя: торговля и тенденции». г. Ростов-на-Дону, 2526 сентября 2013 года. Размещено на сайте: http://www.apk-
inform.com/ru/exclusive/topic/1022268#.U34ZG3ZL758
21. Государственная программа развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013-2020гг. Размещено на сайте: http ://mcx. ru/navigation/docfeeder/show/342. htm)
References
1. Andreenko T.Y., Kyseljova S.V.,Rafykova JU.JU., Shakun V.P. K otsenke ehnerghetytcheskogho potentsyala orghanytcheskykh otkhodov reghyonov Rossyy//Aljternatyvnaja ehnerghetyka y ehkologhyja. 2012. № 10. S.104-111.
2. Spravotchnyk po resursam vozobnovljaemyhkh ystotchnykov ehnerghyy Rossyy y mestnyhm vydam toplyva (pokazately po terrytoryjam). M.: YATS Ehnerghyja, 2007. 270 s.
3. Gheletukha GH.GH., Zheleznaja T.A. Obzor tekhnologhyj szhyghanyja solomyh s tseljju vyhrabotky tepla y ehlektroehnerghyy // Ehkotekhnologhyy y resursosberezhenye. 1998. № 6.S. 3 - 11.
4. Gheletukha GH.GH., Zheleznaja T.A. Perspektyvyh yspoljzovanyja otkhodov seljskogho khozjajstva dlja proyzvodstva ehnerghyy v Ukrayne. Analytytcheskaja zapyska BAU. 2014. №7. 34 s. Raz-meshtcheno na sajte: http://www.uabio.org/img/files/docs/position-paper-uabio-7-ru-draft.pdf
5. Ysjjomyn R.L., KuzjmynS.N., MylovanovA.V., KonjakhynV.V., ZorynA.T., O vozmozhnosty yspoljzovanyja solomyh v katchestve toplyva dlja kommunaljnoj ehnerghetyky. Razmeshtcheno na sajte: www.biocentr.web.tstu.ru/publikacii/promenergo06.doc
6. Lughovtsev E.K. Pererabotka solomyh v top-lyvnyhe bryketyh. Razmeshtcheno na sajte: http ://www.brikk. info/articles/46-kak. html
7. Byotoplyvo - aljternatyvnyhj ystotchnyk polut-chenyja ehnerghyy. Razdel 2. Zarubezhnyhe tekhnolog-
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology №12 (152) 2014
© Scientific Technical Centre «TATA», 2014
hyy szhyghanyja solomyh. MAN Ukraynyh. Dhzhankoj 2008-2009. Razmeshtcheno na sajte: http://moy-man.at.ua/publ/2008_2009_uchebnyj_god/man/razdel_2 _zarubezhnye_ tekhnologii_ szhiganija_solomy/5-1-0-38
8. Fomyn Y. Toplyvo yz solomyh: proshloe yly budushtchee? Razmeshtcheno na sajte: http ://soloma.zhuk.tv/news-print-135. html.
9. Byoehnerghetyka Evropyh. Rost na fone so-krashtchenyja stymulov//Nefteghazovaja vertykalj. 2013. № 19. S. 17-19.
10. Evropejskyj sojuz y PROON zapustyly v Mol-davyy proekt po razvytyju byomassyh. RBK-Ukrayna. Razmeshtcheno na sajte: http://www.abercade.ru/research/industrynews/6280.html
11. Moldova polutchyt $ 15 myllyonnyhj ghrant na ustanovku tverdotoplyvnyhkh kotlov. Razmeshtcheno na sajte: http://pelleta.com.ua/moldova-poluchit-15-millionnyj-grant-na-ustanovk-o23927.html
12. V 2013 ghodu Proekt "Ehnerghyja y byomassa" £ pokroet vsju terrytoryju Moldovyh. Razmeshtcheno na
sajte: http://www.allmoldova.com/moldova-
news/1249080934.html.
13. Byomassa kak ystotchnyk ehnerghyy. M.: Myr, 1985. 368 s.
14. Ghelelukha GH.GH., Zheleznaja T.A.., Zhovmyr | N.M., Matveev JU.B., Drozdova O.Y. Otsenka ehnerghe-
tytcheskogho potentsyala v Ukrayne. Tchastj 1. Otkhodyh seljskogho khozjajstva y drevesnaja byomassa // Promyh-shlennaja teplotekhnyka. 2010. T.32, №6. S. 58-65.
15. Kljus S.V., Zabarnyhj GH.N. Otsenka y progh-noz potentsyala tvjordogho byotoplyva Ukraynyh // Kol-lektornoe y ehnerghetytcheskoe mashynostroenye. 2011. №2(24). S.8-13.
3 i
Q. tu
16. Bjulletenj Rosstata. Posevnyhe ploshtchady, valovyhe sboryh y urozhajnostj seljskokhozjajstven-nyhkh kuljtur v Rossyjskoj Federatsyy v 2012 ghodu. Razmeshtcheno na sajte: http://www.gks.ru/wps/wcm/connect/rosstat_main/rossta t/ru/statistics/ publications /catalog/doc_1265196018516.
17. Bjulletenj Rosstata. Posevnyhe ploshtchady, valovyhe sboryh y urozhajnostj seljskokhozjajstven-nyhkh kuljtur v Rossyjskoj Federatsyy v 2013 gh. Razmeshtcheno na sajte: http://www.gks.ru/wps/wcm/connect/rosstat_main/rossta t/ru/statistics/publications/catalog/doc_1265196018516
18. Rossyjskyj statystytcheskyj ezheghodnyk. Rosstat 2013 gh. (Tablytsa 13.9. Balans ehnerghoresursov za 2011 ghod. S. 360).
19. Danylova GH.M. Optymyzatsyja protsessa uborky nezernovoj tchasty urozhaja zernovyhkh kuljtur s yspoljzovanyem metodov ymytatsyonnogho modelyro-vanyja. Avtoreferat dyss. na soyskanye utchjonoj stepe-ny kandydata tekhnytcheskykh nauk. M.: 1984.
20. Petchatnaja versyja doklada P. Skurykhyna «Zernovoj ryhnok Rossyy: tendentsyy 2013/2014ghgh». Mezhdunarodnaja konferentsyja «Rossyjskaja zernovaja nedelja: torghovlja y tendentsyy». gh. Rostov-na-Donu, 25-26 sentjabrja 2013 ghoda. Razmeshtcheno na sajte: http://www.apk-
inform.com/ru/exclusive/topic/1022268#.U34ZG3ZL758
21. Ghosudarstvennaja proghramma razvytyja seljskogho khozjajstva y reghulyrovanyja ryhnkov seljskokhozjajstvennoj produktsyy, syhrjja y prodo-vojjstvyja na 2013-2020ghgh. Razmeshtcheno na saate: http://mcx.ru/navigation/docfeeder/show/342.htm)
Транслитерация по ISO 9:1995
ISMil
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 12 (152) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014
95
