CC BY
127
УДК 338.48/620.97
ПЕРСПЕКТИВЫ КОММЕРЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ
© М.Ю. Толстой1, В.Ю. Конюхов2, А.С. Соболев3
12 3
'' Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г Иркутск, ул. Лермонтова, 83. 3Иркутский государственный университет, 664003, Россия, г. Иркутск, ул. Карла Маркса, 1.
Рассматриваются ключевые моменты реализации проекта создания предприятия по переработке отходов канализационных стоков на территории МУП «Производственное управление водопроводно-канализационного хозяйства» города Иркутска, обоснованного и рассчитанного с помощью системы Project Expert. Проект предусматривает производство и реализацию электрической энергии, получаемой путём когенерации биогаза. Рассмотрены необходимые инвестиционные ресурсы для проекта, их эффективность и сроки возврата инвесторам. Ил. 1. Табл. 2. Библиогр. 3 назв.
Ключевые слова: инвестиционный проект; финансовые показатели; биогаз; электроэнергия; эффективность инвестиций.
PROSPECTS FOR COMMERCIAL USE OF ALTERNATIVE ENERGY SOURCES M.Yu. Tolstoi, V.Yu. Konyukhov, A.S. Sobolev
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia. Irkutsk State University, 1 Karl Marx St., Irkutsk, 664003, Russia.
The paper discusses the key implementation points of the project of a sewage effluent processing plant on the territory of
1Толстой Михаил Юрьевич, кандидат технических наук, зав. кафедрой теплогазоснабжения, вентиляции и охраны воздушного бассейна, e-mail: tolstoy@istu.edu
Tolstoi Mikhail, Candidate of technical sciences, Head of the Department of Heat and Gas Supply, Ventilation and Air Protection, e-mail: tolstoy@istu.edu
2Конюхов Владимир Юрьевич, кандидат технических наук, профессор кафедры управления промышленными предприятиями, тел.: (3952) 405097, e-mail: c12@istu.edu
Konyukhov Vladimir, Candidate of technical sciences, Professor of the Department of Management of Industrial Enterprises, tel.: (3952) 405097, e-mail: c12@istu.edu
Соболев Александр Сергеевич, аспирант, ст. преподаватель, тел.: 89501307375, e-mail: siblegist@mail.ru Sobolev Alexander, Postgraduate, Senior Lecturer, tel.: 89501307375, e-mail: siblegist@mail.ru
206
ВЕСТНИК ИрГТУ №5 (76) 2013
Irkutsk Municipal Unitary Enterprise "Production Management of Water Supply and Sanitation", which is proved and calculated with the help of Project Expert system. The project involves the production and sale of electric energy generated by means of biogas cogeneration. Investment resources required for project implementation as well as their effectiveness and investor repayment period are considered. 1 figure. 2 tables. 3 sources.
Key words: investment project; financial indicators; biogas; electric power; investment effectiveness.
В связи с ростом современных городов, увеличением масштабов строительства обостряется и проблема экологического состояния окружающей среды. Зачастую процессы очистки среды от продуктов жизнедеятельности города построены на использовании материальных факторов, не отвечающих современным требованиям. Устаревшая, изношенная материально-техническая база, а также постоянно растущие объёмы стоков, влекущие за собой необходимость увеличения площадей, занимаемых очистными сооружениями, требуют серьёзной модернизации. На фоне такой ситуации обычно стараются совершенствовать существующие мощности, минимизируя затраты, но не рассматривают достижения научно-технического прогресса и современные технологии, а именно, возможность использования природных биологических ресурсов, возобновляемых источников энергии для производства электроэнергии, тепла и т.д.
Одним из способов получения электрической энергии при соблюдении условий, необходимых для улучшения экологии, является использование на очистных сооружениях биогаза - газа, получаемого метановым брожением биомассы. После процесса очистки биогаза от углекислого газа получается биометан, являющийся полным аналогом природного газа. Биогаз может использоваться в качестве топлива для производства электроэнергии, тепла или пара, а также в качестве автомобильного топлива.
Рынок биогаза на сегодняшний день наиболее развит в Европе и оценивается в 2 млрд дол., а прогнозы роста - до 20 млрд дол. в ближайшие 8 лет. Среди развивающихся стран лидером по использованию биогазовых установок является Китай, где на постоянной основе работает более 20 млн установок, размещённых на свалках отходов и в системах канализации. Причём такое количество используется для выработки электроэнергии в сугубо бытовых целях. Эксперты полагают, что при условии сохранения темпов роста рынка биогазовых установок Китай станет мировым лидером в этом направлении к 2020 г.
На фоне того, как большинство стран мира обратило своё внимание на развитие альтернативной энергетики, Россия, напротив, продолжает наращивать темпы добычи и экспорта традиционного топлива. В структуре топливно-энергетического баланса страны ведущая роль принадлежит таким энергоресурсам, как газ и нефть (53 и 18,9% совокупного потребления энергии соответственно). Кроме того, около 18% энергобаланса приходится на долю твёрдого топлива (уголь и пр.). Нетопливные источники энергии занимают только 10,4% спроса [3].
Развитию рынка биогаза, а также прочих видов альтернативной энергии в России препятствуют отно-
сительно низкие тарифы на газ и энергию, отсутствие государственной поддержки и современной системы управления отходами, низкая экологическая сознательность населения и предпринимателей, а также влияние на властные структуры крупных корпораций, осваивающих традиционные энергетические ресурсы.
Среди факторов, положительно влияющих на развитие энергетического комплекса на основе использования биогаза, можно выделить:
1. Истощение запасов традиционного топлива -нефти и газа, увеличение стоимости разработки оставшихся месторождений, повышение тарифов на газ и электроэнергию.
2. Отсутствие постоянного энергоснабжения в некоторых населённых пунктах.
3. Высокая стоимость подключения к имеющимся энергетическим коммуникациям в сельской местности, что сдерживает развитие сельского хозяйства, а также малоэтажной частной застройки.
4. Ухудшение экологической обстановки.
Технология производства
Производство биогаза - это самый выгодный и экологичный способ переработки органических отходов (навоз животных, огородная ботва, сорняки, отходы производства этилового спирта (барда) и другая «органика»). Производство и использование биогаза поможет решить следующие основные задачи:
1) позволит предприятию самостоятельно вырабатывать необходимые ресурсы для самообеспечения электроэнергией и теплом, а при соответствующей очистке использовать эти ресурсы также в качестве автомобильного топлива;
2) получать высокоэффективные биоудобрения, что позволит снизить применение химических удобрений и сократить нагрузку на грунтовые воды.
Известно, что органические отходы не могут сразу использоваться в качестве удобрений - они должны перебродить, чтобы минеральные вещества освободились от органических связей. В обычных условиях этот процесс занимает от трёх до пяти лет и сопровождается токсичными выбросами (не говоря уже о неприятном запахе), негативно влияющими на здоровье людей и животных. Биореактор, перерабатывающий органические отходы, позволяет получать биоудобрения сразу, а не ждать результата годами, и при этом не приходится загрязнять окружающую среду.
В настоящее время в мире используется или разрабатывается около 60-ти различных технологий получения биогаза. В основном технология получения биогаза связана с интенсивным разложением органики с помощью коферментов в специальных условиях (соответствующие температурный и кислотный (рН) режимы, давление и другие необходимые условия).
Наиболее распространённый метод - это «мета-
новое сбраживание» в анаэробных (без доступа воздуха) условиях. Процесс сбраживания происходит при разложении органических веществ в результате жизнедеятельности двух основных групп микроорганизмов. Одна группа микроорганизмов, обычно называемая кислотообразующими бактериями, или бродильными микроорганизмами, расщепляет сложные органические соединения (клетчатку, белки, жиры и др.) в более простые, при этом в сбраживаемой среде появляются первичные продукты брожения - летучие жирные кислоты, низшие спирты, водород, окись углерода, уксусная и муравьиная кислоты и др. Эти менее сложные органические вещества являются источником питания для второй, более важной группы бактерий - метанообразующих, которые превращают органические кислоты в требуемый метан, а также углекислый газ и др. От условий, которые создаются для жизнедеятельности метанообразующих бактерий, зависит интенсивность газовыделения.
Бактерии перерабатывают биомассу в метан при температуре от 25 до 70°С. Часть энергии, получаемой в результате утилизации биогаза, направляется на поддержание процесса (в зимнее время до 1520%), в странах с жарким климатом подогревать ме-тантенк нет необходимости.
Биогаз, образующийся при метановом сбраживании, представляет собой смесь, состоящую из 50-80% метана, 20-50% углекислого газа, примерно 1% сероводорода, а также включающую незначительное количество некоторых других газов (азота, кислорода, водорода, аммиака, закиси углерода и др.). Заметим, что 1 м3 метана при сгорании выделяет энергию, равную примерно 20-25 МДж [2].
Жидкие и твёрдые отходы поступают в метантенк (анаэробная колонна), где они сбраживаются и перемешиваются таким образом, что на выходе получается биоудобрение и биогаз. Далее биогаз поступает в газгольдеры, очищается и хранится; для дальнейшего использования он поступает в когенерационный блок биогазовой установки, который вырабатывает элек-
троэнергию и тепло. Таким образом, биогазовая установка позволяет создать замкнутое безотходное производство и обеспечивает стабильный доход.
Правильно выбранная когенерационная технология позволит потребителю сэкономить значительную часть расходов на закупку энергии, а в случае продажи электроэнергии в сеть даст возможность заработать дополнительные денежные средства.
Главным топливом для работы когенераторных (когенерационных) установок (КГУ) является природный газ. В последнее время стремительно растёт количество оборудования, которое использует для своей работы биогаз, свалочный газ, газ с водоочистных станций или другое альтернативное топливо, такое как, например, метан.
Когенераторные электростанции вдвойне эффективны в сравнении с электростанциями, производящими только электрическую энергию. Проще говоря, когенераторная установка - это тепловая электростанция. Когенераторная электростанция — это использование первичного источника энергии (газа) для получения двух форм энергии - тепловой и электрической.
Главное преимущество когенераторной электростанции перед обычными станциями состоит в том, что использование энергии топлива здесь происходит с гораздо большей эффективностью. Иными словами, КГУ позволяет использовать тепловую энергию, которая обычно улетучивается в атмосферу вместе с дымовыми газами. При эксплуатации КГУ существенно возрастает общий коэффициент использования топлива и в значительной степени сокращаются расходы на энергообеспечение.
Когенераторная установка - это энергетическая независимость потребителей, надёжная подача энергии и существенное снижение затрат на получение тепловой энергии.
Биогазовая станция строится, как правило, возле очистных сооружений сточных вод, на сельскохозяйственных предприятиях, занимающихся животновод-
Схема использования биогаза
ством, на свалках коммунальных отходов и др. Поскольку биогаз обычно возникает как побочный продукт во время обработки органических отходов, эксплуатация КГУ, работающих на этом виде топлива, с экономической точки зрения является очень выгодной. Новое энергетическое законодательство гарантирует потребителям когенерационной технологии, которые используют возобновляемые источники энергии, долговременные стабильные закупочные цены электричества на экономически привлекательном уровне (рисунок).
Если биогазовая станция располагает распределительной сетью природного газа, то можно использовать двухтопливную КГУ для комбинированной эксплуатации на природном газе и биогазе (переключение топлива). Это прежде всего удобно в случае неравномерной продукции биогаза.
Энергетическая эффективность использования биогаза заключается в следующем. Средняя теплота сгорания биогаза, содержащего около 60% метана, равна 22 МДж/м3. Поскольку горючая часть биогаза состоит из метана, его можно причислить к семейству газов «П» (природные газы). И без того очень низкая скорость распространения пламени в метано-воздушной смеси (примерно 43 см/с), характерная для природного газа, при использовании биогаза снижается ещё больше из-за высокой доли СО2 (эта скорость для смеси воздуха и светильного газа равна 65 см/с, для воздушно-водородной смеси - 265 см/с). Метан имеет также самую высокую - около 645°С, температуру воспламенения по сравнению с другими горючими газами. Во всех сферах применения биогаз ведёт себя аналогично природному газу, но даёт несколько худшие показатели. В стандарте ФРГ DIN 3362 перечислены различные подвергаемые стандартным испытаниям газы, на которые ориентируется промышленность. Так, например, вся аппаратура, рассчитанная на применение любого газа, должна быть приспособлена к работе на перечисленных в стандарте газах или образцовых газовых смесях. Собственно биогаз не входит в этот перечень. Ближе всего он подходит к образцовой газовой смеси 627, состоящей из 82% метана и 18% инертного N2. Нижнее значение числа Воббе, которое служит для сравнения взаимозаменяемости газов, составляет для биогаза с теплотой сгорания 22 МДж/м3 около 24,5 [1].
Правильно выбранная когенерационная технология позволит потребителю сэкономить значительную часть расходов на закупку энергии, а в случае продажи электроэнергии в сеть даст возможность заработать дополнительные денежные средства.
В качестве перспективного проекта, реализация которого позволила бы использовать для выработки электрической энергии биогаз, можно рассматривать инвестирование денежных средств в создание предприятия на базе Иркутских очистных сооружений, находящихся в ведении городского МУП «Водоканал».
В качестве выгод от проекта можно рассматривать следующее:
1. Рекультивация освобождённых земель (иловые площадки).
2. Получение сельскохозяйственных удобрений (процесс сжигания биогаза для выработки электроэнергии выделяет побочный продукт - фосфатные удобрения, которые используются в сельском хозяйстве).
3. Возможность использования освободившейся территории, находящейся в черте города, для застройки недвижимостью (при этом район, считавшийся абсолютно непригодным для проживания в связи с определённым качеством воздуха, таковым быть перестаёт).
4. Экономия бюджетных расходов, так как на фоне увеличивающейся массы отходов отпадает необходимость в строительстве технических сооружений (дюкера) через реку Ангара для переноса части иловых отложений на левобережные очистные сооружения.
5. Уменьшение выброса парниковых газов в окружающую среду (метан, углекислый газ), что является весьма привлекательным фактором для иностранных инвесторов и различных международных экологических организаций, интересы которых направлены на снижение «парникового эффекта».
6. Перевод энергозатрат предприятия Иркутский «Водоканал» на замкнутый цикл, что существенно сэкономит расходы бюджета, а также высвободит часть мощностей, производящих электрическую энергию, для других целей.
7. Перспектива обеспечения элетро- и теплоэнер-гией жилых районов, расположенных в непосредственной близости от очистных сооружений (данная перспектива является достаточно призрачной в связи с нежеланием основной энергопоставляющей компании региона потерять доход).
Проект по использованию биогазовой установки потребует проведения следующих этапов:
Инжиниринг проекта включает:
• проведение предварительного анализа готовности к внедрению проекта;
• разработку аналитического отчёта с оценкой возможности внедрения проекта на предприятии;
• проведение испытаний на опытной установке по переработке органических отходов (биомассы) с определением фактического выхода биогаза;
• разработку рекомендаций по внедрению КГУ на объекте МУП «Водоканал» с привязкой к существующему оборудованию и к потребностям предприятия в электрической и тепловой мощностях;
• разработку схемы рационального использования полученной энергии (электричества и тепла) с проработкой возможности её реализации сетям;
• разработка схемы утилизации отходов (фугата) от работы биогазового комплекса.
Внедрение проекта предполагает:
1) оценку возможности привлечения иностранных инвестиций в реализацию проекта (товарный кредит, организация совместного предприятия и др.);
2) подготовку предпроектных документов:
• технико-экономическое обоснование по проекту, предусматривающее выбор технологии и комплектности оборудования с учётом нескольких вариантов расчёта при различных схемах и источниках финансиро-
вания; энергетический и экономический расчёт целесообразности реализации проекта и пр.;
• обоснование инвестиций в строительство;
• бизнес-план по инвестиционному проекту с последующим сопровождением его при прохождении экспертиз в банках, министерствах и ведомствах, а также перед инвесторами;
• проектные документы по другим вопросам реализации проекта.
влекательным вариантом утилизации биогаза, и в этом случае период окупаемости проекта сокращается до 5-6 лет.
Сумма, требующаяся для реализации проекта, составляет 550000 тыс. рублей, из которых 544804 тыс. рублей будут затрачены на приобретение биогазовой установки, её доставку и монтаж, а 5196 тыс. рублей будут использованы в качестве оборотных средств на стартовой фазе проекта (табл. 1, 2).
Таблица 1
Примерный перечень инвестиционных затрат_
Наименование Цена, тыс. руб.
Биогазовая станция ZORG biogas на смешанном сырье 262400
Доставка и монтаж биогазовой установки 213200
Доставка и монтаж когенерационной установки под контролем ZORG* 26026
Когенерационная установка Zorg (на базе двигателя GE Jenbacher, 1489 КВт/ч) 43378
* Обязательное условие фирмы - производителя оборудования.
Таблица 2
Показатели эффективности проекта_
Показатель Прогнозные значения Характерные значения
Ставка дисконтирования, % 12 Критерий-стоимость кредитных ресурсов
Период окупаемости, мес. 74 Не более срока реализации проекта
Дисконтированный период окупаемости, мес. 101 Не более срока реализации проекта
Чистый приведенный доход, руб. 44 906 384 >0
Индекс прибыльности 1,08 >1
Внутренняя норма рентабельности, % 13,87 >ставки дисконтирования
Реализация проекта потребует значительных инвестиционных затрат. Капитальные затраты включают материалы для строительства горизонтального коллектора, монтаж скважин и коллекторов, а также работы по подготовке полигона для строительства системы сбора и утилизации биогаза. Оборудование по сбору и утилизации биогаза (метантенки, газгольдеры, генераторы, система специальных трубопроводов и запирающих клапанов) планируется приобрести у швейцарской компании «ZORG Biogas». Также может рассматриваться германский производитель оборудования «BIOGAS NORD». В России существует ряд компаний, производящих подобное оборудование, однако, из-за недостаточной надёжности его использование приемлемо только в бытовых целях в небольших фермерских хозяйствах, в частных домах и т.п. Крупные промышленные объёмы в масштабах города перерабатывать на отечественном оборудовании, к сожалению, опасно в связи с взрывоопасностью некоторых газов, задействованных в технологическом процессе. Зарубежные компании-производители продают оборудование только при условии, что они сами осуществят окончательный монтаж и запуск оборудования на месте реализации проектов.
По предварительным расчётам в случае, если проект реализуется только для покрытия энергозатрат предприятия Иркутский «Водоканал», то период окупаемости вложений составит около 9 лет. С другой стороны, транспортировка к потребителю по газовым трубопроводам с дальнейшей продажей в качестве заменителя природного газа является наиболее при-
Прогноз финансовых результатов строился на основании анализа затрат на электрическую энергию предприятия Иркутский «Водоканал» в течение 20092010 гг. За единицу объёма сбыта рассматривался 1 КВт/ч, затраченный предприятием в ходе деятельности. За единицу цены сбыта рассматривалась средняя стоимость 1 КВт/ч. Также при расчёте учтены тенденции увеличения энергозатрат предприятия вследствие увеличения масштабов городской застройки, а также прогнозы повышения стоимости 1 КВт/ч электроэнергии в г. Иркутске.
Выработка электроэнергии на месте переработки биогаза также может рассматриваться в качестве способа, позволяющего коммерциализировать проект. Но в условиях достаточно низких тарифов на электроэнергию данный способ вызывает сомнения.
Ещё одним способом повышения инвестиционной привлекательности данного проекта можно рассматривать рекомендации, обозначенные Киотским протоколом, который обязывает развитые страны и страны с переходной экономикой сократить или стабилизировать выбросы парниковых газов. Действие протокола предусмотрено на период до 2020 г. (продлён 8.12.2012, г. Доха, Катар). Период окупаемости проекта можно снизить до 4-х лет в рамках использования механизмов совместного внедрения, предусмотренных Киотским протоколом, и передачи единиц снижения выбросов парниковых газов по цене 3 дол. США за тонну. По оценкам аналитиков, цена одной тонны парникового газа может составить от 3 до 15 дол. в зависимости от степени его опасности для окружаю-
[$] Социально-экономические и общественные науки
щей среды. Например, метан оказывает парниковый эффект в 21 раз более сильное, чем СО2, и находится в атмосфере 12 лет. Производство биогаза позволяет предотвратить выбросы метана в атмосферу, это лучший краткосрочный способ предотвращения гло-
бального потепления.
Таким образом, предварительные расчёты показывают экономическую целесообразность применения технологий по переработке биогаза в промышленных масштабах.
Библиографический список
1. Баадер В., Доне Е., Бренндерфер М. Биогаз: теория и URL: http://altenergo.radiushost.ru/biogaz.htm практика / пер. с нем. и предисл. М.И. Серебряного. М.: Ко- 3. Пармухина Е. Биогаз. Делаем деньги из отходов произ-лос, 1982. 148 с. водства // Электротехнический рынок. 2010. № 1-2. С. 31-
2. Биогаз. Альтернативная энергетика [Электронный ресурс]. 32.
