CC BY
11Научная статья УДК 620.952
doi:10.37614/2949-1215.2022.13.3.005
РАЗВИТИЕ БИОЭНЕРГЕТИКИ В МУРМАНСКОЙ ОБЛАСТИ Никита Игоревич Лазарев
Центр физико-технических проблем энергетики Севера Кольского научного центра Российской академии наук, Апатиты, Россия, n.lazarev@ksc.ru
Аннотация
Рассмотрены особенности и перспективы развития теплоснабжения Мурманской области. Представлен современный способ использования биомассы с помощью технологии торрефикации на существующих котельных. Показаны основные преимущества использования торрефицированного биотоплива. Ключевые слова:
биоэнергетика, биомасса, котельные, торф, торрефикация Благодарности:
работа выполнена в рамках государственного задания Центра физико-технических проблем энергетики Севера Кольского научного центра Российской академии наук (FMEZ-2022-0014). Для цитирования:
Лазарев Н. И. Развитие биоэнергетики в Мурманской области // Труды Кольского научного центра РАН. Серия: Технические науки. 2022. Т. 13, № 3. С. 52-58. doi:10.37614/2949-1215.2022.13.3.005
Original article
DEVELOPMENT OF BIOENERGY IN THE MURMANSK REGION Nikita I. Lazarev
Northern Energetics Research Centre of the Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences, Apatity, Russia, n.lazarev@ksc.ru
Abstract
The features and prospects of the development of heat supply in the Murmansk region are considered. A modern way of using biomass applying the technology of charging for existing boiler houses, is presented. The main advantages of using torrefied biofuels, are shown. Keywords:
bioenergy, biomass, boiler houses, peat, torrefication Acknowledgments :
the work was carried out within the framework of the State Research Program of the Northern Energetics Research Centre of the Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences (FMEZ-2022-0014). For citation:
Lazarev N. I. Development of bioenergy in the Murmansk region // Transactions of the Kola Science Centre of RAS. Series: Engineering Sciences. 2022. Vol. 13, No. 3. P. 52-58. doi:10.37614/2949-1215.2022.13.3.005
Для ускорения экономического развития территорий Арктической зоны Российской Федерации одной из задач государственной политики в области топливно-энергетического комплекса является модернизация объектов локальной генерации с расширением использования возобновляемых источников энергии, сжиженного газа и местного топлива [1].
Согласно концепции развития локального теплоснабжения Архангельской области к 2030 г. планируется сократить долю привозных видов топлива (угля, мазута, дизельного топлива) до 2 %, а долю использования древесных отходов увеличить до 44 % с внедрением технологий производства биотоплива из отходов лесопереработки. Топливный баланс региона должен выглядеть так: 54 % — природный газ, 44 % — биотопливо, 2 % — каменный уголь [2].
В 2035 г. при реализации государственной политики развития топливно-энергетического комплекса арктических регионов планируется завершение замещения на изолированных и труднодоступных территориях неэффективной дизельной генерации электроэнергии генерацией на базе сжиженного природного газа, возобновляемых источников энергии и местного топлива [1].
В Мурманскую область поставки топлива (угля, мазута, дизельного топлива и др.) для источников теплоснабжения производятся на расстояние более 1500 км. Высокая транспортная составляющая
в стоимости топлива и рыночная система ценообразования на него приводят к необходимости предоставлять теплогенерирующим предприятиям субсидии на компенсацию недополученных доходов.
Структура потребления топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) на выработку тепловой энергии показана на рис. 1.
■ мазут
■ уголь
■ электроэнергия
■ дизтопливо
■ дрова
Рис. 1. Структура потребления ТЭР на выработку теплоэнергии, тыс. т. у. т. [3] Fig. 1. Structure of fuel and energy consumption for heat power generation, thousand toe [3]
В Мурманской области преобладают котельные на мазуте и угле [4]. Их большая часть имеет низкий коэффициент полезного действия, некоторым требуется капитальный ремонт. Доля мазута в топливном балансе области составляет более 70 %. Дорогостоящий мазут формирует высокие тарифы на тепло.
Теплоснабжение потребителей труднодоступных территорий Мурманской области осуществляется от дизельных и гибридных электростанций, которые включают дизель-генераторы, ветровые и солнечные установки.
Основными направлениями снижения потребления мазута и дизельного топлива для выработки тепловой и электрической энергии являются: развитие локальных энергосистем с распределенной генерацией на базе местных энергоресурсов (ветровой энергии [5, 6], малых гидроэлектростанций [7]); управление энергоэффективностью с внедрением наилучших доступных технологий [8, 9].
Одним из пунктов комплексного инвестиционного проекта модернизации системы теплоснабжения Мурманской области на 2015-2030 гг. является осуществление перехода на твердое топливо. 27 июля 2016 г. в целях реализации проекта создано ООО «Мурманская биоэнергетическая компания», стратегия которого заключается в развитии малой распределенной биоэнергетики на базе местных видов топлива [10].
У компании есть реализованные проекты в Мурманской области: в Умбе введены в эксплуатацию новые биотопливные котельные (табл. 1). Мултитопливные котельные предусмотрены для сжигания угля марок Б и К, фрезерного торфа, щепы, пеллетов. Новые котельные оснащены современным теплотехническим оборудованием, отвечающим всем основным требованиям энергоэффективности. Объем топливного склада рассчитывается на недельный расход топлива.
Таблица 1
Характеристика котельных населенного пункта Умба Characteristics of boiler houses of the settlement of Umba
Источник тепловой энергии Тепловая мощность нетто, Гкал / ч Перспективная подключенная нагрузка, Гкал / ч Потери в тепловых сетях, Гкал / ч Перспективная подключенная нагрузка с учетом потерь, Гкал / ч Резерв / дефицит, Гкал / ч
Котельная № 1 2,477 1,165 0,361 1,526 0,951
Котельная № 2 4,128 2,153 1,161 3,314 0,814
Котельная № 3 14,923 11,835 2,151 13,986 0,937
Котельная № 4 0,172 0,081 - 0,081 0,091
Преимуществами таких котельных являются экономичность, удобство и высокий коэффициент полезного действия. Тепловая мощность установок в пределах от 0,1 до 20 МВт. Источник тепловой энергии № 3 имеет самую высокую тепловую мощность.
В Мурманской области имеются неиспользуемые торфяные месторождения. Перспективы добычи торфа на территории области обусловлены наличием 620 месторождений общей площадью 379 575 га с оценочными запасами 853,403 млн т торфа [11]. Основная часть из них сосредоточена на 26 месторождениях общей площадью 330 тыс. га и запасами 788 млн т (влажностью 40 %). Изученность запасов торфа на территории области очень слабая. Торф — это возобновляемый природный биоресурс, который образуется в процессе естественного отмирания и неполного распада болотных растений в условиях повышенной влажности и недостатка кислорода. В большинстве стран мира торф признан условно возобновляемым ресурсом. В качестве топлива на котельных в Умбе используется торфяное топливо, сырьевая база на территории Терского района представлена группой торфяных месторождений: Кислое, Кирвенское, Кумнозерские Болота (158), Щучье (161), Гладкое (162) (рис. 2).
Рис. 2. Торфяные месторождения на территории Терского района Fig. 2. Peat deposits on the territory of the Tersky district
Процесс извлечения экологичного топлива усложнен тем, что в естественном виде оно содержит до 90 % воды. Использовать его без предварительной обработки невозможно. Перед отправкой в котельные торф ворошат для дополнительной сушки.
Преимуществом котельных на торфе по сравнению с другими видами топлива является экологичность (табл. 2). В угле и мазуте содержится сера, сгорая, она преобразуется в двуокись азота, затем вступает в реакцию с влагой и превращается в сернистую кислоту, затем наблюдаются кислотные дожди. В торфе серы практически нет.
Таблица 2
Показатели работы котельных на различных видах топлива Performance indicators of boiler houses on various types of fuel
Показатель Торфяное топливо Уголь Мазут Газ
Калорийность, ккал / кг 4100-5000 4000-5800 9600 7600
Выбросы SO2 0,2 11,9 4,69 0
Выбросы NOx 0,45 0,57 0,27 0,38
Выбросы CO2 1,54 2,33 1,3 1,45
Зольность, % 4-8 15-50 До 0,15 -
В Мурманской области планируется строительство новых твердотопливных котельных в Ревде, Ловозере и Высоком, а также модернизация котельных № 1 и 2 в Кандалакше. В качестве топлива будут использоваться торф, щепа, пеллеты, уголь, а также RDF-топливо, получаемое из мусора. Заявка на финансирование строительства твердотопливных котельных, а также на модернизацию котельных предварительно одобрена штабом правительственной комиссии по региональному развитию. В Ёнском и Североморске уже запущены новые твердотопливные котельные.
Рис. 3. Мультитопливный твердотопливный котел Fig. 3. Multi-fuel solid fuel boiler
Источники биомассы для производства энергии включают в себя все многообразие естественной растительной органики. В качестве топлива можно использовать низкосортную древесину, отходы лесозаготовки и лесопереработки, торф [12]. Биоэнергетические ресурсы Мурманской области относительно невелики. Отходы лесной и деревообрабатывающей промышленности используются в качестве топлива для производства электроэнергии и тепловой энергии в незначительных объемах.
Существует два способа применения биомассы для получения тепла и энергии — традиционный и современный. Традиционное применение биомассы в энергетики — прямое сжигание, а современный способ — использование специально подготовленной биомассы.
Приоритетные направления развития отечественной биоэнергетики в соответствии со Стратегической программой исследований (СПИ) представлены в табл. 3, они также отражены в Тематическом плане (ТП) исследований технологической платформы «Биоэнергетика» [13].
Таблица 3
Приоритетные направления деятельности ТП «Биоэнергетика» Priority areas of activity of TP "Bioenergetics"
Приоритетные технологические направления Отечественные технологии
доступные для внедрения на стадии разработки
Биомасса, ресурсная база и логистика + +
Получение тепловой и электрической энергии из биомассы (в том числе когенерация) +
Моторное биотопливо + +
Биогазовые технологии +
Использование биомассы для производства различных видов твердого биотоплива +
Энергетическая утилизация отходов (сжигание, газификация, пиролиз) +
Торфяная биоэнергетика +
Биомасса обладает рядом свойств, из-за которых она недостаточна эффективна. Основными из них являются низкая насыпная и энергетическая плотность, высокая влажность и гидрофильность. В процессе гранулирования часть из них устраняется, но проблема хранения и транспортировки остается. Традиционные технологии пеллетирования биомассы уже внедрены в производство. Один из вариантов улучшения потребительских характеристик брикетированной биомассы является торрефикация. Торрефицированные, или биоугольные, пеллеты обладают рядом достоинств по сравнению с обычными пеллетами. Торрефикация — это термический процесс преобразования биомассы в углеподобный материал, который имеет лучшие топливные характеристики, чем исходная биомасса. Общая схема процесса торрефикации представлена на рис. 4.
Рис. 4. Общая схема процесса торрефикациии Fig. 4. General scheme of the billing process
В соседнем регионе — Архангельской области — уже вступил в работу первый в стране завод, использующий технологию торрефикации, производительность — 150 тыс. т пеллет в год.
В Мурманской области для сжигания торрефицированных пеллет могут быть использованы котельные, работающие на древесных отходах; оборудование для производства тепловой и электрической энергии для ТЭЦ на биомассе; пеллетные котлы и установки различной степени автоматизации и мощности, коммунальные котельные. Большая эффективность достигается при совместном сжигании торрефицированых пеллетов вместе с углем или нефтепродуктами. Такие решения помогут снизить мазутозависимость.
Использование традиционных углей однородных источников энергии нецелесообразно. Увеличение доли малой распределенной биоэнергетики в регионе уменьшит затраты на энергоресурсы. Основные барьеры для внедрения торрефикации — небольшой научный задел в области биотоплива, недостаточное развитие инфраструктуры, поддерживающей полный цикл биоэнергетических технологий.
Выводы
Биоэнергетика в Мурманской области слабо развита. Здесь преобладают котельные на мазуте и угле. Отказ от транспортировки топлива (угля, мазута и др.) на большие расстояния позволяет повысить надежность энергоснабжения путем задействования местных энергоресурсов.
Развитие биоэнергетики в Мурманской области может осуществляться по следующим направлениям: использование торрефицированных пеллет в качестве топлива для теплоснабжения на существующих котельных, совместное сжигание торрефецированных пеллет с углем или сжигание в пеллетных котлах. Внедрение технологии торрефикации позволит получить пеллеты из биомассы с повышенными теплотехническими характеристиками.
Список источников
1. Стратегия развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2035 года // Официальный интернет-портал правовой информации. URL: http://publication.pravo.gov.ru/Document/View/0001202010260033 (дата обращения: 28.09.2022).
2. Архангельск взял курс на биотопливо, а Алтай — на солнце и ветер // Альтернативная энергия: сайт. URL: https://altenergiya.ru/bio/arxangelsk-kurs-na-biotoplivo.html#h2_2 (дата обращения: 07.10.2022).
3. Кузнецов Н. М. Управление энергоэффективностью в регионах Арктической зоны Российской Федерации. Апатиты: Кольский научный центр Российской академии наук, 2020. 92 с. doi:10.37614/978.5.91137.434.1. EDN: GVUSWV.
4. Разработка комплексного инвестиционного проекта модернизации системы теплоснабжения Мурманской области. Р3Т2. Маркетинговое исследование поставок энергетического сырья в системе теплоснабжения Мурманской области / ФБГУ «РЭА» Минэнерго России. М., 2015. 142 с.
5. Минин В. А. Оценка перспектив использования энергии ветра для теплоснабжения потребителей Севера // Теплоэнергетика. 2009. № 11. С. 34-40. EDN: KZAYKP.
6. Бежан А. В., Минин В. А. Оценка эффективности системы теплоснабжения на основе котельной и ветроустановки в условиях Севера // Теплоэнергетика. 2017. № 3. С. 51-59. doi: 10.1134/S0040363616100015. EDN: XSMWYF.
7. Коновалова О. Е., Кузнецов Н. М. Возобновляемые источники энергии в Мурманской области // Промышленная энергетика. 2018. № 9. С. 51-56. EDN: YOGUDJ.
8. Клюкин А. М., Кузнецов Н. М., Трибуналов С. Н. Повышение эффективности использования энергоресурсов в Мурманской области // Труды Кольского научного центра РАН. 2016. № 5-13 (39). С. 107-118. EDN: XHSIET.
9. Кузнецов Н. М., Победоносцева В. В. Эффективность внедрения наилучших доступных энергосберегающих технологий в Мурманской области // Фундаментальные исследования. 2017. № 6. С. 143-148. doi:10.17513/fr.41564. EDN: ZBMZQP.
10. Развитие малой распределённой энергетики с использованием местных видов топлива (торф,
древесина). URL: https://murmanexpo.ru/img/all/37_3_razvitie_maloy_raspredelennoy_energetiki_
s_ispolzovaniem_mestnyh_vidov_topliva_torf_drevesina_.pdf (дата обращения: 20.08.2022).
11. Евзеров В. Я. Неиспользованные сырьевые ресурсы Мурманской области // Вестник Кольского научного центра РАН. 2018. № 2 (10). С. 38-52. doi:10.25702/KSC.2307-5228.2018.10.2.38-52. EDN: YSHOTB.
12. Кузнецов Н. М. Древесные отходы — дополнительный источник энергии на Северо-Западе России // Горный журнал. 2004. № S. С. 119-120. EDN: WFNRTD.
13. Дорожная карта развития биоэнергетики технологической платформы «Биоэнергетика» на период 2019-2030 // Технологическая платформа «Биоэнергетика». URL: http://tp-bioenergy.ru/upload/ file/dorozhnaya_karta_tp_bioehnergetika.pdf (дата обращения: 20.02.2022).
References
1. Strategija razvitija Arkticheskoj zony Rossijskoj Federacii i obespechenija nacional'noj bezopasnosti na period do 2035 goda. (In Russ.). Available at: http://publication.pravo.gov.ru/Document/View/ 0001202010260033 (accessed 28.09.2022).
2. Arhangel'sk vzjal kurs na biotoplivo, a Altaj — na solnce i veter. (In Russ.). Available at: https://altenergiya.ru/bio/arxangelsk-kurs-na-biotoplivo.html#h2_2 (accessed 07.10.2022).
3. Kuznecov N. M. Upravlenie jenergojeffektivnostju v regionah Arkticheskoj zony Rossijskoj Federacii [Energy efficiency management in the regions of the Arctic zone of the Russian Federation]. Apatity, Kol'skij nauchnyj centr Rossijskoj akademii nauk, 2020, 92 p. (In Russ.). doi:10.37614/978.5.91137.434.1. EDN: GVUSWV.
4. Razrabotka kompleksnogo investicionnogo proekta modernizacii sistemy teplosnabzhenija Murmanskoj oblasti. R3T2. Marketingovoe issledovanie postavok jenergeticheskogo syr'ja v sisteme teplosnabzhenija Murmanskoj oblasti [Marketing research of the supply of energy raw materials in the heat supply system of the Murmansk region]. Moscow, 2015, 142 p. (In Russ.).
5. Minin V. A. Ocenka perspektiv ispol'zovanija jenergii vetra dlja teplosnabzhenija potrebitelej Severa [Assessment of the prospects for the use of wind energy for heat supply to consumers in the North]. Teplojenergetika [Thermal Power Engineering], 2009, no. 11, pp. 34-40. (In Russ.). EDN: KZAYKP.
6. Bezhan A. V., Minin V. A. Ocenka jeffektivnosti sistemy teplosnabzhenija na osnove kotel'noj i vetroustanovki v uslovijah Severa [Evaluation of the efficiency of a heat supply system based on a boiler house and a wind turbine in the conditions of the North]. Teplojenergetika [Thermal Power Engineering], 2017, no. 3, pp. 51-59. (In Russ.). doi:10.1134/S0040363616100015. EDN: XSMWYF.
7. Konovalova O. E., Kuznecov N. M. Vozobnovljaemye istochniki jenergii v Murmanskoj oblasti [Renewable energy sources in the Murmansk region]. Promyshlennaja jenergetika [Industrial Energy], 2018, no. 9, pp. 51-56. (In Russ.). EDN: YOGUDJ.
8. Kljukin A. M., Kuznecov N. M., Tribunalov S. N. Povyshenie jeffektivnosti ispol'zovanija jenergoresursov v Murmanskoj oblasti [Improving the efficiency of energy use in the Murmansk region]. Trudy Kol'skogo nauchnogo centra RAN [Proceedings of the Kola Scientific Center of the Russian Academy of Sciences], 2016, no. 5-13 (39), pp. 107-118. (In Russ.). EDN: XHSIET.
9. Kuznecov N. M., Pobedonosceva V. V. Jeffektivnost' vnedrenija nailuchshih dostupnyh jenergosberegajushhih tehnologij v Murmanskoj oblasti [Efficiency of implementation of the best available energy-saving technologies in the Murmansk region]. Fundamental'nye issledovanija [Fundamental Research], 2017, no. 6, pp. 143-148. (In Russ.). doi:10.17513/fr.41564. EDN: ZBMZQP.
10. Razvitie maloj raspredeljonnoj jenergetiki s ispol'zovaniem mestnyh vidov topliva (torf, drevesina).
(In Russ.). Available at: https://murmanexpo.ru/img/all/37_3_razvitie_maloy_raspredelennoy_
energetiki_s_ispolzovaniem_mestnyh_vidov_topliva_torf_drevesina_.pdf (accessed 20.08.2022).
11. Evzerov V. Ja. Neispol'zovannye syr'evye resursy murmanskoj oblasti [Unused raw materials of the Murmansk region]. Vestnik Kol'skogo nauchnogo centra RAN [Bulletin of the Kola Scientific Center of the Russian Academy of Sciences], 2018, no. 2 (10), pp. 38-52. (In Russ.). doi: 10.25702/KSC.2307-5228.2018.10.2.38-52. EDN: YSHOTB.
12. Kuznecov N. M. Drevesnye othody — dopolnitel'nyj istochnik jenergii na Severo-Zapade Rossii [Wood waste is an additional source of energy in the North-West of Russia]. Gornyj zhurnal [Mining Journal], 2004, no. S, pp. 119-120. (In Russ.). EDN: WFNRTD.
13. Dorozhnaja karta razvitija biojenergetiki tehnologicheskoj platformy "Biojenergetika" na period 2019-2030. (In Russ.). Available at: http://tp-bioenergy.ru/upload/file/dorozhnaya_karta_tp_bioehnergetika.pdf (accessed 20.02.2022).
Информация об авторе
Н. И. Лазарев — инженер.
Information about the author
N. I. Lazarev — Engineer.
Статья поступила в редакцию 15.09.2022; одобрена после рецензирования 20.09.2022; принята к публикации 08.10.2022.
The article was submitted 15.09.2022; approved after reviewing 20.09.2022; accepted for publication 08.10.2022.
