CC BY
138
= 14 ^^ Энергобезопасность и энергосбережение ЭНЕРГОРЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ И ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ
УДК 519.876
Разработка концепции топливообеспечения распределенной региональной системы теплоснабжения местными возобновляемыми видами топлива
И. Г. Русяк,
доктор технических наук, профессор, ИжГТУ
B. К. Преснухин,
заместитель министра промышленности и энергетики Удмуртской Республики К. В. Кетова,
доктор физико-математических наук, профессор, ИжГТУ
C. А. Королев,
кандидат физико-математических наук, доцент, ИжГТУ Е. В. Трушкова,
аспирант кафедры «Математическое моделирование процессов и технологий», ИжГТУ
Дается анализ состояния системы топливообеспечения на примере Удмуртской Республики и потенциала местных возобновляемых топливно-энергетических ресурсов. Проведен расчет себестоимости производства ТЭР и тепловой энергии на основе местных энергоресурсов. Показана экономическая эффективность перевода теплоисточников на местные виды топлива. Представлен алгоритм решения задачи логистики топливообеспечения региона. Рассчитаны периоды окупаемости реализации программы по переводу системы теплоснабжения региона на местные возобновляемые топливно-энергетические ресурсы при различных источниках и времени инвестирования.
Ключевые слова: топливо, энергия, энергетические ресурсы, энергетический потенциал, возобновляемые источники энергии, тепловая защита, энергосбережение, логистика, экономический анализ.
На протяжении последних двадцати пяти лет экономики ведущих стран мира развиваются за счет внедрения энергоресурсосберегающих технологий с учетом принципов экологической безопасности. Но в связи с истощением мировых запасов нефти, газа и угля возрастают актуальность и необходимость разработки новых альтернативных источников энергии. При этом, если каких-нибудь пять-десять лет назад нетрадиционные источники энергии по стоимости существенно уступали по экономической целесообразности углю и газу, то в настоящее время картина меняется [1]. С одной стороны, разрабатываются новые, более совершенные технологии производства топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) из возобновляемых источников энергии, с другой стороны, происходит повышение цен на традиционные источники энергии. Это, в свою очередь, ведет к устойчивому росту цен на традиционные виды топлива. Такая тенденция наблюдается во всех регионах, в том числе и в Удмуртской Республике (УР).
В статье разработана стратегия развития топливно-энергетической отрасли, ориентированная на местные возобновляемые энергоресурсы, в рамках
которой проведен комплексный анализ системы топ-ливообеспечения региона и сформирована концепция использования альтернативных возобновляемых источников энергии на территории УР.
Структура концепции представлена на рис. 1.
Основными видами топлива, потребляемого в УР, являются газ и уголь, поставляемые из-за пределов республики. Местные виды топлива - торф и дрова -составляют всего 2,5 % в топливном балансе УР [2].
Наибольшее количество теплоисточников (котельных) УР (71,2 %) работает на газе, значительное число котельных работает на угле - 23,5 %, около 3 % теплоисточников работает на электроэнергии, 1,2 % - на дровах и 1,2 % - на других видах топлива.
Исследования показали, что в Удмуртской Республике наиболее перспективными энергетическими ресурсами являются отходы лесозаготовки и деревопереработки (древесные отходы), а также отходы животноводства.
Общая площадь лесов на территории УР составляет почти половину площади всей территории республики. Однако промышленные способы переработки древесных отходов в топливно-энергетиче-
г
Концепция топливообеспечения региональной системы теплоснабжения
Оценка потребителей теплоисточников
Оценка потенциала местных ТЭР
Технологии производства ТЭР из древесных отходов
Технологии производства ТЭР из отходов
Методика расчета себестоимости ТЭР
Методика расчета
себестоимости тепловой энергии
Логистика Экономический Обоснование
топливообеспечения анализ тепловой защиты
Рис. 1. Структура концепции топливообеспечения распределенной региональной системы теплоснабжения местными возобновляемыми видами топлива
ские ресурсы до последнего времени практически не используются. Наиболее перспективным в данном случае является использование древесных отходов в виде щепы, брикетов и пеллетов.
На территории УР, в общей сложности, имеется более 350 предприятий животноводства. Из отходов этих предприятий возможно получение биогаза и экологически чистого удобрения. Биогаз экономически выгодно производить лишь на крупных животноводческих предприятиях, находящихся вблизи район-
ных центров. На средних и мелких предприятиях животноводства в отдаленных населенных пунктах производство биогаза экономически не выгодно в связи с высокой его себестоимостью. Здесь переработка животноводческих отходов должна входить в стандартный набор природоохранных мероприятий.
На рис. 2 представлены распределения энергетического потенциала древесных отходов и отходов животноводства по территории УР.
Рис. 2. Цветограммыэнергетического потенциаладревесных отходов и отходов животноводства по районам УР
На рис. 3 представлено сравнение потенциала местных ТЭР и потребности в них для различных районов УР. Географическое расположение ресурсов в республике таково, что практически нет района, который бы не смог обеспечить себя местными видами топлива.
т у.т/год
60000 50000 40000 30000 20000 10000 0
энергетическим потенциал древесных отходов энергетический потенциал отходов животноводства энергетическим потенциал древесных отходов
п
-4 ^-В-
1гШг лгВ п 1 и 1 1 1 и 1 11 п
.О <У лг сГсг о и с и с и о о и .ос и «с .и с.о.о ¿Г •У
Ъ Д-' Т -V <СГ ? .С.Сл с? Л- ? £ "
Рис. 3. Сравнение потенциала местных энергоносителей и потребности в энергоресурсах для различньхс районов УР
В [2] рассмотрены технологии производства ТЭР из местных энергоресурсов: производство топливной щепы, гранул и брикетов из древесных отходов и биогаза из отходов животноводства, а также разработаны методики расчета себестоимости производства этих видов ТЭР в зависимости от объема производства. На рис. 4 представлено сравнение стоимости различных видов топлива, штриховкой указаны изменения стоимости ТЭР в зависимости от изменения объема производства. В настоящее время самым дешевым видом топлива в УР является топливная щепа. Пеллеты и брикеты по стоимости не превышают стоимость угля.
Рис. 4. Сравнение стоимости различных видов ТЭР
На основе прогноза роста цен (тарифов) на продукцию естественных монополий и услуги ЖКХ [3] была произведена прогнозная оценка динамики стоимости различных видов топлива до 2020 года включительно. Прогнозируется значительный рост стоимости угля и природного газа, стоимость же местных видов топлива подвержена росту в меньшей степени (рис. 5).
руб./т у. т.
12000
10000 — 8000 — 6000 4000 2000
2008
2015
2020
Рис. 5. Тенденция изменения стоимости различных видов топлива
Для анализа эффективности перевода теплоисточников на местные виды топлива была разработана методика и проведен расчет себестоимости производства тепловой энергии для котельных различной мощности. Себестоимость тепловой энергии на альтернативных видах топлива рассчитывалась с учетом затрат на переоборудование котельных, затрат на транспортировку и хранение топлива. Расчетная себестоимость в зависимости от нагрузки котельных представлена на графиках (рис. 6).
Исследования показали, что себестоимость тепловой энергии минимальна при использовании щепы. Себестоимость тепловой энергии при использовании в качестве топлива брикетов сравнима с себестоимостью тепловой энергии котельных, работающих на угле.
руб./т у. т.
2000
1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400
ш Уголь
—□— Газ
— Биогаз
—0— Пеллеты
Брикеты
Щепа
0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2
Гкал/ч
Рис. 6. Себестоимость тепловой энергии, вырабатываемой котельными, использующими различные виды топлива, в зависимости от нагрузки
На основании прогноза роста цен на энергоносители и с учетом инфляционных ожиданий можно спрогнозировать изменение себестоимости тепловой энергии (рис. 7).
0
год
руб./т у.
500040003000 2000
-О- Уголь
—•— Газ
» Биогаз
Пеллеты
— Брикеты
Щепа
1000
2009 2011 2013 2015 2017 2019 2021 2023 2025
Рис. 7. Прогноз изменения себестоимости производства тепловой энергии на котельных мощностью 0,8 Гкал/ч, использующих различны/е видыI топлива
Проведенный анализ показал, что самым дешевым видом топлива в среднесрочной перспективе остается древесная щепа. При этом использование альтернативных видов топлива с каждым годом становится все более рентабельным по сравнению с углем и природным газом.
Неотъемлемым элементом повышения эффективности системы теплоснабжения является снижение тепловых потерь за счет тепловой защиты отапливаемых объектов. Рассмотрены два варианта проведения теплосберегающих мероприятий: комплекс малозатратных быстро окупаемых мероприятий и комплекс высокозатратных капитальных мероприятий. В первом случае общая экономия тепловой энергии составила 16 %, во втором случае - 48 %.
При переходе на местные возобновляемые виды ТЭР особую актуальность приобретает задача логистики топливообеспечения региональной распределенной системы теплоснабжения.
В качестве исходной информации, необходимой для решения задачи топливообеспечения региона,
используется информация о местах расположения предприятий лесозаготовки и деревопереработки, информация о населенных пунктах с теплоисточниками, которые планируется перевести с традиционных видов топлива (уголь, мазут, электроэнергия) на альтернативный вид топлива (щепу).
Логистическая схема снабжения теплоисточников щепой состоит из 4-х уровней (рис. 8). На предприятиях деревопереработки и лесозаготовки образуются древесные отходы, которые свозятся на пункты накопления отходов (ПНО), где проходят первичную механическую переработку. Переработанные здесь древесные отходы направляются в пункты подготовки топлива (ППТ), где осуществляются сортировка, тепловая обработка и упаковка щепы. На последнем этапе щепа транспортируется до потребителей, в качестве которых выступают теплоисточники УР. На всех уровнях логистической схемы присутствуют склады для хранения сырья.
Поскольку потребность в топливно-энергетических ресурсах в течение отопительного периода изменяется, то рассматриваемая логистическая задача является динамической.
Алгоритм решения динамической задачи логистики топливообеспечения состоит из пяти этапов, на каждом из которых осуществляется решение определенных задач: маршрутизации, кластеризации, оптимального распределения ресурсов на районном и региональном уровнях, управления запасами на складах теплоисточников и пунктов подготовки ТЭР.
С целью реализации программы перевода системы теплоснабжения на местные возобновляемые источники энергии был разработан подробный план реализации, содержащий перечень взаимоувязанных мероприятий с указанием сроков исполнения и объемов необходимых финансовых ресурсов по каждому мероприятию. Суммарные затраты на реализацию мероприятий представлены в табл. 1.
0
Рис. 8. Схема региональной системыI топливообеспечения
Щ5Ш5Я2М®;
Таблица 1
Список мероприятий и затраты на их реализацию
Затраты на реализацию, тыс. руб.
№ п/п Мероприятие Кол-во Без учета тепловой защиты объектов теплоснабжения С учетом комплекса малозатратных мероприятий С учетом комплекса высокозатратных мероприятий
1 Строительство ППТ с учетом затрат на строительство ПНО 24 203 117 203 117 203 117
2 Реконструкция котельных, переводимых на щепу 297 1 246 288 1 121 246 850 922
3 Строительство пеллетных заводов 3 74 787 74 787 74 787
4 Реконструкция котельных, переводимых на пеллеты 177 809 567 719 247 529 379
6 Создание биогазовых комплексов 8 1 801 630 1 801 630 1 801 630
7 Проведение газопровода, км 47,5 47 500 47 500 47 500
8 Тепловая защита объектов теплоснабжения Все объекты 0 82 664 2 584 805
Итого - 4 182 889 4 050 191 6 092 140
Таким образом, общие затраты на реализацию всех мероприятий программы составляют 4 183 млн. рублей.
Разработаны календарные планы реализации программных мероприятий при различных
сроках инвестирования. В табл. 2 представлены годовые объемы затрат на реализацию мероприятий при 5-, 7- и 10-летнем периодах инвестирования в случае 9-процентного уровня инфляции.
Таблица 2
План реализации мероприятий программы
Год инвестирования Годовой объем затрат на реализацию мероприятий при различных периодах инвестирования с учетом инфляции (9 %), тыс. руб.
Т=5 лет Т=7 лет Т=10 лет
2010 816 189 592 816 398 982
2011 925 948 656 299 454 756
2012 999 651 685 493 520 158
2013 1 032 516 727 635 522 655
2014 1 240 100 813 211 586 997
2015 993 986 667 214
2016 1 051 540 687 165
2017 459 022
2018 1 147 913
2019 953 193
На рис. 9 представлены графики окупаемости программы реконструкции системы теплоснабжения при различных периодах инвестирования в случае финансирования за счет бюджетных средств.
Рассмотрены различные источники финансирования программы: средства бюджетов всех уровней;
млн. руб.
- период инвестирования 5 лет
- период инвестирования 7 лет
- период инвестирования 10 лет
■ бюджетные средства
■ кредитные средства (10% годовых)
■ бюджетные средства и частный капитал
8000 6000 4000 2000 0
-2000 -4000 -6000
Рис. 9. График окупаемости программы при различных периодах инвестирования за счет бюджетных средств
частный капитал на основе частно-государственного партнерства; заемные средства кредитных организаций. Сравнительные графики окупаемости мероприятий программы при финансировании за счет бюджетных, кредитных и частных средств при периоде инвестирования 10 лет представлены на рис. 10.
Разработан план реализации мероприятий республиканской целевой программы при тепловой защите объектов теплоснабжения как с использованием малозатратных, так и высокозатратных мероприятий. Несмотря на увеличение общего объема инвестиций, тепловая защита позволяет снизить срок окупаемости и повысить суммарный экономический эффект.
млн. руб.
8000 6000 4000 2000 0
-2000 -4000 -6000
Рис. 10. График окупаемости республиканской целевой программы при различных источниках финансирования (период инвестирования 10 лет)
С целью информационной поддержки программы разработана информационно-аналитическая система, которая представляет собой программный комплекс (рис. 11), включающий электронную карту Удмуртской Республики, базу данных по основным объектам системы топливообеспечения и инфраструктуры региона, расчетный блок, включающий экономический анализ реализации отдельных мероприятий программы и всей программы в целом, а также методики расчета себестоимости производства топлива из местных возобновляемых источников энергии и тепловой энергии, полученной на их основе. В системе реализованы математические модели и алгоритмы решения задачи топливо-обеспечения региональной распределенной системы теплоснабжения на основе местных возобновляемых источников энергии. Программный комплекс предусматривает возможность мониторинга параметров системы топливообеспечения региона и анализ ее элементов как в разрезе районов, так и по всей республике в целом.
Рис. 11. Структура информационно-аналитической системы «Топливообеспечение УР»
Выводы
Одним из направлений развития топливообес-печения распределенных систем регионального теплоснабжения в перспективе до 2025 года может стать переработка местных возобновляемых видов топливно-энергетических ресурсов с использованием технологий максимальной автоматизации работы тепло-генерирующего оборудования.
Использование местных видов топлива будет способствовать:
- созданию новых рабочих мест в сельской местности;
- загрузке производственных мощностей в связи с созданием новых технологий переработки ТЭР;
- развитию новых отраслей промышленности, основанных на инновациях;
- диверсификации энергоресурсов;
- значительному сокращению расхода бюджетных средств на покупку энергоресурсов;
- улучшению экологической обстановки.
Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по направлениям «Новые и возобновляемые источники энергии» и «Производство топлив и энергии из органического сырья».
Литература
1. Савельев В. А., Преснухин В. К., Русяк И. Г. Концепция развития топливно-энергетического комплекса Удмуртской Республики на 2003-2010 годы. - Ижевск: ИжГТУ, 2002. - 260 с.
2. Преснухин В. К., Русяк И. Г., Королев С. А. Концепция Республиканской целевой программы «Снабжение населения, объектов социально-бытовой сферы в отдаленных населенных пунктах Удмуртской Республики местными видами топлива, альтернативными природному газу». - Ижевск: ИжГТУ, 2009. - 300 с.
3. Концепция долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации на период до 2020 года, утвержденная распоряжением Правительства РФ от 17 ноября 2008 г. № 1662-р. - 94 с.
