CC BY
57
БИОЭНЕРГЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИИ
нане, Мирья Миккила, Виргилио Панапана-ан, Тапио Ранта и Ристо Соукка из Технологического Университета Лаппеенрата.
Библиографический список
1. Anttila, P., Karjalainen, T. & Asikainen, A. 2009. Global potential of modern fuelwood. Working Papers of the Finnish Forest Research Institute 118. http://www.metla.fi/julkaisut/workingpapers/2009/ mwp118.htm
2. IEA. 2006. World energy outlook 2006. 601 p. Available from: http://www.iea.org/textbase/nppdf/ free/2006/weo2006.pdf.
3. Yamamoto, H., Fujino, J. & Yamaji, K. 2001. Evaluation of bioenergy potential with a multiregional global-land-use-and-energy model. Biomass and Bioenergy 21, 185-203.
4. Smeets, E.M.W., Faaij, A.P.C., Lewandowski, I.M. & Turkenburg, W.C. 2007. A bottom-up assessment and review of global bio-energy potentials to 2050. Progress in Energy and Combustion Science 33, 56.
5. Gerasimov, Y. & Karjalainen, T. 2009a. Assessment of Energy Wood Resources in Northwest Russia. Working Papers of the Finnish Forest Research Institute 108. http://www.metla.fi/julkaisut/workingpapers/2009/ mwp108.htm
6. Finnish Forest Research Institute. 2007. Finnish Statistical Yearbook of Forestry 2006, Vammala Kirjapaino Oy. 434 p.
7. Gerasimov, Y. & Karjalainen, T. 2009b. Estimation of supply and delivery cost of energy wood from Northwest Russia. Working Papers of the Finnish Forest Research Institute 123. http://www.metla.fi/ julkaisut/workingpapers/2009/mwp123 .htm
8. MikkilA, M., Heinimn, J., Panapanaan, V, & Linna-nen, L. 2008. Evaluation of Sustainability Schemes for International Bioenergy flows. Submitted to
International Journal of Energy Sector Management in September 2008.
9. HAmAlAinen, A., Panapanaan, V MikkilA, M., Heinimn, J., & Linnanen, L. 2008. Sustainability Criteria for Biomass -Views of Finnish Stakeholders. Proceedings, 16th European Biomass Conference and Exhibition, 2-6 June 2008, Feria, Valencia, Spain.
10. Heinimn, J. & Ranta, T. 2008. International Biofuels Trade in Finland: Trends in 2004-2006 and future views. Conference proceedings, World Bioenergy 2008 Conference, 27 -29 May, Jonknping, Sweden.
11. Sikkema, R., Faaij, A.P.C, Ranta, T., Gerasimov, Y, Asikainen, A., Heinimn, J., & Nabuurs, J. Sustainable bio-energy from boreal forests in Finland and Russia with different forest management regimes. Submitted to Forest Ecology and Management in March 2009.
12. Panapanaan, V, Helin, T., KujanpAA, M., Soukka, R., Heinimn, J. & Linnanen, L. Sustainability of Palm Oil Production and Opportunities for Finnish Technololgy and Know-ho Transfer. Lappeenranta University of Technology, Institute of Energy Technology. Research Report
13. Laitila, J., Anttila, P., Karjalainen, T. & Asikainen, A. 2008. MetsAhakkeen saatavuus Varkauden Bio-massajalostamolle. MetsAntutkimuslaitos, Joensuun toimintayksikkn. 4.4.2008.
14. Raitila J., Virkkunen M., Flyktman M., Leinonen A., Gerasimov, Y. & Karjalainen, T. 2009. The prefeasibility study of biomass plant in Kostamuksha. VTT Research Report. VTT-R-08372-08.
15. Virkkunen, M., Flyktman M., Paappanen, T., Leinonen A., Anttila, P., Laitila J. & Karjalainen T. 2009. Forest fuel and agrobiomass availability; harvesting costs and technology and energy production economy in Uruguay. VTT Research Report.
16. Wiik, C., Heiskanen, V-P., Kallio, M. & Anttila, P. 2009. Feasibility assessment: Wood pellet raw material from Canadian British Columbia. VTT Research Report. VTT-R-10283-08.
ТОПЛИВНЫЙ РЕСУРС ЛЕСНОЙ БИОЭНЕРГЕТИКИ РФ
А.Б. ЛЕВИН, проф. каф. теплотехники МГУЛ, канд. техн. наук
Энергетика, использующая возобновляемые энергоресурсы, привлекает пристальное внимание исследователей и инвесторов во всем мире.
В лесоиндустриальных странах, к которым относится и Россия, лесные запасы рассматриваются как значительный возобновляемый ресурс топлива. Следует признать, хотя по площади лесов и запасу древесины Россия занимает первое место в мире, по
энергетическому использованию древесины она значительно отстает от стран ЕС и Северной Америки.
Для успешного развития лесной биоэнергетики необходимо наличие следующих условий:
- наличие и достаточность ресурса древесного топлива;
- наличие государственного стимулирования использования возобновляемых
30
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2010
БИОЭНЕРГЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИИ
энергоресурсов и экологически безопасных энерготехнологий;
- достаточность финансовых средств и/или доступ к кредитным ресурсам;
- необходимый уровень совершенства и эффективности технологий и оборудования заготовки древесины, производства топлива, его хранения и собственно производства энергии;
- возможность для независимых производителей реализации электрической и/или тепловой энергии как товарной продукции;
- наличие кадрового потенциала для проектирования, производства, монтажа и эксплуатации энергетического оборудования.
В России в отличие от развитых лесоиндустриальных стран сформулированные выше условия, кроме, разумеется, первого, в полной мере пока не выполняются. Необходимо проанализировать современное состояние в лесном секторе экономики РФ по каждому из них и предложить меры, которые обеспечат более высокие темпы развития лесной биоэнергетики. В настоящей работе выполнена оценка потенциального и экономически доступного ресурса древесного топлива, образующегося при заготовке и переработке древесины в настоящий момент и на ближайшую перспективу.
Термины и определения
В отечественной и зарубежной литературе нет общепринятой терминологии для понятий, относящихся к ресурсам древесного топлива, или точнее, для ресурса древесной биомассы, пригодной для производства энергии.
В частности, для потенциального ресурса, по нашему мнению, следует использовать три термина. Под термином располагаемый потенциальный ресурс (Disposable potential resource) мы предлагаем понимать разность между возможным годовым объемом использования биомассы древесины и возможным годовым объемом древесной биомассы во всей лесобумажной продукции, исключая все виды древесного топлива. Возможный годовой объем используемой биомассы древесины должен включать объем стволовой древесины, кроны, пней с корня-
ми, хвороста и зелени по всем видам рубок при полном использовании расчетной лесосеки, а также объем вторично используемой древесины и объем экспорта всех видов древесного сырья. Объем древесной биомассы в лесобумажной продукции должен рассчитываться при существующем распределении древесины на производство различных видов лесобумажной продукции и существующих нормах расхода сырья на единицу продукции. Располагаемый потенциальный ресурс (РПР) есть предельное значение объема древесной биомассы, которое теоретически может быть ежегодно использовано для производства энергии на данной территории при современном уровне технологий. Его величина определяется площадью и продуктивностью лесов, то есть природными факторами, поэтому он может быть назван также природным потенциальным ресурсом (Natural potential resource). При полном использовании расчетной лесосеки лесов России, равной 635 млн м3, что возможно лишь теоретически, могло бы образоваться 476 млн м3 древесного топлива, что эквивалентно 91 млнт условного топлива. Являясь расчетной величиной, РПР не отражает уровень развития лесного сектора экономики и может быть использован только для оценок допустимого по условиям устойчивого лесопользования использования древесной биомассы для производства энергии. Приближение годового потребления всех видов древесного топлива к величине РПР должно быть предметом пристального внимания, сигналом для разработки и принятия мер по недопущению превышения потреблением топлива величины ресурса. Для современной России такая опасность не актуальна, но в Африке и Азии есть страны, в которых потребление древесины для производства энергии превышает располагаемый потенциальный ресурс, и площадь лесов сокращается. Величина отношения годового объема использования древесной биомассы к РПР может также служить одним из критериев устойчивого лесопользования.
Под термином действительный по-тенциальныйресурс (Actualpotential resource) мы предлагаем понимать годовой объем производства топливных дров, объем сучьев и
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2010
31
БИОЭНЕРГЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИИ
ветвей кроны, пней, хвороста, а также объем отходов основных видов переработки древесины, образующийся при действительном объеме заготовки древесины по всем видам рубок. В объем действительного потенциального ресурса (ДПР) предлагается не включать объем корней и зелени. Величина ДПР, в отличие от располагаемого, является функцией годового объема производимой в лесном секторе экономики продукции. В связи с этим он может быть также назван промышленным потенциальным ресурсом (Industrialpotential resource). Ниже для краткости вместо термина действительный потенциальный ресурс используется термин потенциальный ресурс.
Экономически доступный ресурс (Economically affordable resource) - это та часть действительного потенциального ресурса, при использовании которой себестоимость полученной энергии не превышает действующих тарифов на нее. В отличие от располагаемого и действительного потенциального ресурса экономически доступный ресурс (ЭДР) не является однозначно определяемой величиной, так как его значение существенно зависит от быстро меняющихся цен на рынке ископаемых топлив и энергии. Одни и те же виды древесной биомассы могут быть или не быть частью ЭДР в зависимости от рыночной конъюнктуры, действующего законодательства, стоимости транспорта и других условий.
В настоящей работе в объем ЭДР включены отходы деревопереработки, объем дровяной древесины по всем видам рубок и половина объема кроны деревьев. Отношение используемого для производства энергии за год объема древесной биомассы к ЭДР может служить одним из индикаторов устойчивого лесопользования.
Методика оценки ресурсов древесины для производства энергии
За базу для оценки ресурсов приняты статистические данные о годовых объемах продукции основных отраслей лесного комплекса и общепринятые нормы расхода древесного сырья на производство лесобумажной продукции. Эти сведения общедоступны и для перерабатывающих отраслей вполне
достоверны. К сожалению, данные различных официальных источников об объемах заготовок существенно расходятся. Так, по данным Росгосстата, в 2007 г. было заготовлено по всем видам рубок 167,30 млн м3, из этого объема дрова для энергетического использования составляют 19,66 млн м3, а дрова для технологических нужд - 4,1 млн м3, что дает в сумме 23,7 млн м3.
По данным Рослесхоза, рубками заготовок древесины в терминологии Лесного кодекса Российской Федерации [1] (главного пользования в прежней терминологии) в 2007 г. заготовлено 134,6 млн м3, из них 39,6 млн м3 дровяной древесины. По рубкам ухода за лесами (промежуточного пользования) объем заготовок составил 36,0 млн м3. По экспертной оценке, 41 % этого объема, или 14,8 млн м3 составляет дровяная древесина. По прочим рубкам объем заготовок составляет 35,6 млн м3, из которых 38 %, или
13,5 млн м3 составляет дровяная древесина. По всем видам рубок объем заготовленной древесины составил 206,2 млн м3, в том числе дровяной древесины - 63,9 млн м3. По объему заготовок расхождение превышает 20 %, а по ресурсу дров данные расходятся практически втрое.
Согласно мнению заместителя руководителя Рослесхоза Б.М. Большакова, расхождение данных еще значительнее и составляет по годовому объему заготовок 64 млн м3 [2]. Известно, что часть заготовленной древесины остается в «сером» обороте, с другой стороны, значительное количество дровяной древесины не вывозится, а бросается в лесу или, в лучшем случае, оставляется у лесных дорог. Очевидно, приведенные выше величины характеризуют верхнюю и нижнюю границы интервала, в котором находятся действительные значения объема заготавливаемой древесины и объема дровяной древесины.
Потенциальный годовой ресурс биотоплива Рпот определяется как сумма потенциальных ресурсов древесного топлива, образующихся при всех видах рубок Ррпот и в основных технологиях переработки древесины. В деревообрабатывающих отраслях и целлюлозно-бумажной промышленности величины ДПР и ЭДР совпадают.
32
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2010
БИОЭНЕРГЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИИ
Таблица 1
Усредненные значения ккр для различных пород деревьев
Порода Бук Клен, ольха, сосна, ясень Осина Береза Кедр, пихта Лиственница, липа Ель Дуб
к **кр 0,07 0,10 0,11 0,13 0,14 0,16 0,18 0,19
Рпот = Р пот + Р + РА + Р + Р ттстт, (1)
где Рпот - потенциальный ресурс древесного биотоплива, тыс. пл. м3;
Ррпот - ресурс биотоплива от всех видов рубок, тыс.пл. м3;
Рлп - ресурс биотоплива от производства пиломатериалов, тыс.пл. м3;
Рф - ресурс биотоплива от производства фанеры, тыс.пл. м3;
Рт - ресурс биотоплива от производства тары, тыс.пл. м3;
РцБП - ресурс биотоплива в ЦБП, тыс.пл. м3. Объем пней без корней, по общепринятой оценке, составляет от объема заготовленной стволовой древесины 3 %, объем хвороста - 11 % [3, 4]. Тогда потенциальные ресурсы биотоплива от рубок главного, промежуточного пользования и прочих рубок определятся как
Р пот = р + V • (к + 0,03 + 0,11), (2)
где Рдр - годовой ресурс дровяной древесины, используемой для производства энергии, тыс. пл. м3;
V - годовой объем заготовки древесины по всем видам рубок, тыс. пл. м3;
к кр - коэффициент объема сучьев кроны. Объем сучьев кроны для каждой породы деревьев зависит от разряда высот и толщины ствола. При этом только для очень молодых деревьев (толщина ствола 8 см и менее) отношение объема сучьев кроны к объему ствола заметно отличается от среднего. Доля таких деревьев в древостоях, отводимых под рубки, относительно невелика, что позволило для оценки ресурса древесины кроны в масштабах субъекта федерации, округа и страны использовать усредненные значения к приведенные в табл. 1.
Величины к кр принято определять относительно объемов стволовой древесины в коре, а статистические данные об объемах заготовки деловой древесины приводятся без учета объема коры. В настоящей работе связанная с этим обстоятельством погрешность
зависимости (2) отнесена на безвозвратные потери при транспортировке и переработке кроны за пределами лесосеки. Для каждого субъекта федерации коэффициент кроны к кр был рассчитан в соответствии с породной формулой древостоя, определенной в свою очередь по данным [5]. Для лесов России среднее значение ккр= 0,136.
Под годовым ресурсом дров Рдр понимается годовой объем стволовой дровяной древесины, используемой только для энергетических целей. В него не включается объем технологического сырья, используемого для производства древесных плит.
Для определения ресурсов топливной дровяной древесины следует использовать фактические (отчетные) данные о производстве топливных и технологических дров. Для оценки ресурсов на перспективу можно определить суммарный объем производства дровяной древесины как разность плановых объемов заготовленной и деловой древесины. Трудность состоит в том, что обычно в этом случае неизвестен объем дровяной древесины, направляемой на технологические нужды (производство ДСтП, ДВП, МДФ и др.). По данным за 2007 г., доля технологического сырья в суммарном объеме дров составляет 16,2 %. При оценке ресурса на близкую перспективу можно использовать эти данные, так как в первом приближении рост производства древесных плит пропорционален росту заготовки древесины.
Расчет ресурса биотоплива, образующегося при производстве пиломатериалов, фанеры и деревянной тары, выполняется по формуле
Р=v (к+к ) • V , (3)
где v. - норматив расхода сырья для производства продукции, пл. м3 / пл. м3; к. - доля пригодных для энергетического использования отходов в объеме используемого сырья; кк = 0,13 - коэффициент объема коры;
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2010
33
БИОЭНЕРГЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИИ
V - годовой объем готовой продукции (пиломатериалов, тары комплектной, фанеры), тыс. пл. м3 .
Значения коэффициентов v. и к, приведенные в табл. 2, приняты в соответствии
с [6].
Т а б л и ц а 2
Рекомендуемые значения коэффициентов v. и к.
Производимая продукция Коэффициенты
V. к.
Пиломатериалы 1,754 0,133
Фанера 2,480 0,596
Тара комплектная 3,333 0,700
Заметим, что кусковые отходы лесопиления не включены в ресурс. Рациональная технология с использованием фрезерно-пильного оборудования позволяет из окоренных сортиментов одновременно с пиломатериалами производить технологическую щепу, более ценный продукт, чем топливо.
В целлюлозно-бумажной промышленности учтен основной ресурс древесного топлива - кора. При оценке учтено, что балансы производятся из вершинных частей деревьев или из тонкомерных деревьев, поэтому содержание коры в балансах принято равным 12 %. Норматив расхода сырья на производство целлюлозы, полуцеллюлозы и древесной массы принят согласно [6].
Ресурсы коры в целлюлозно-бумажной промышленности определяются как
Р = v • к • V (4)
ЦБП ЦБП ЦБП ЦБП’ VV
где v цБП = 4,32 - норматив расхода сырья для производства продукции, пл. м3 / т; к ЦБП = 0,12 - коэффициент объема коры на балансах;
^БП - производство основной продукции в ЦБП, тыс. т.
Потенциальные ресурсы биотоплива, образующиеся при производстве целлюлозно-бумажной продукции, включают также щелока сульфатного производства, ил установок очистки сточной или оборотной воды и другие ресурсы. Оценка этих ресурсов в настоящей работе не производилась.
Экономически доступный годовой объем ресурса биотоплива определяется как
сумма экономически доступного ресурса дровяной древесины от всех видов рубок и ресурса отходов, образующихся при производстве основных видов лесобумажной продукции
рэд = Р эд + Р + Р + Р+ Р (5)
р. лп ф т ЦБП’ v '
где Рэд - экономически доступный ресурс древесного топлива, тыс. пл. м3;
Ррэд - экономически доступный ресурс древесного топлива от всех видов рубок, тыс.пл. м3;
Рлп - экономически доступный ресурс биотоплива от производства пиломатериалов, тыс.пл. м3;
Рф - экономически доступный ресурс биотоплива от производства фанеры, тыс. пл. м3;
Рт - экономически доступный ресурс биотоплива от производства тары, тыс. пл. м3;
РЦБП - экономически доступный ресурс биотоплива в ЦБП, тыс.пл. м3.
ЭДР по всем видам рубок Ррэд включает годовой объем производства топливных дров и половину объема сучьев кроны. В соответствии с многолетним опытом вывозки заготовленной древесины деревьями можно считать, что половина объема кроны теряется при валке, трелевке и обрезке воза. Ресурсы пневой древесины, корней и хвороста при современном неудовлетворительном состоянии использования гораздо большего и вполне доступного ресурса дровяной древесины приняты экономически недоступными. По мере все более полного использования дровяной древесины и при дефиците древесного топлива можно вернуться к тщательной оценке экономической целесообразности включения в топливный баланс этих составляющих ресурса древесного топлива, образующегося при рубках.
Экономически доступные ресурсы топливных дров определяются аналогично определению потенциальных ресурсов топливных дров вычитанием из общего объема заготовки древесины по всем видам рубок объема деловой древесины и объема технологических дров.
Годовой объем экономически доступной кроны определяется как произведение годового объема заготовки древесины всеми видами рубок на коэффициент ккрэд = 0,5- ккр [4].
34
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2010
БИОЭНЕРГЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИИ
Топливные дрова 56,85; 42 %
Ресурсы от ЦБП 4,06; 3 %
Ресурсы от тарного производства 1,13; 1 %
Ресурсы от фанерного производства
4,35; 3 %
Крона 27,84; 21 %
Хворост 22,68; 17 %
Ресурсы от лесопиления 10,75; 8 %
Пневая древесина 6,18; 5 %
Рис. 1. Распределение ресурсов древесного топлива РФ по видам в 2007 г. Всего по РФ 133,84 млн м3
Сибирский федеральный округ 35,05; 26 %
Уральский федеральный округ 13,2; 10 %
Дальневосточный федеральный округ 11,67; 9 %
Южный федеральный о^уг 1,2; 1 %
Пpиволжский федеральный огоуг 21,74; 16 %
Севеpо- Западный федеральный округ
35,41; 26 %
Цешральный федеральный округ 15,55; 12 %
Рис. 2. Распределение потенциальных ресурсов древесного топлива РФ по федеральным округам в 2007 г. Всего по РФ 133,84 млн м3
Топливные дрова 56,85; 63 %
Крона 13,91; 15 %
Ресурсы от ЦБП 4,06; 4 %
Ресурсы от тарного производства 1,13; 1 %
Ресурсы от лесопиления 10,75; 12 %
Ресурсы от фанерного производства 4,35; 5 %
Рис. 3. Распределение экономически доступных ресурсов древесного топлива РФ по видам в 2007 г. Всего по РФ 90,05 млн м3
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2010
35
БИОЭНЕРГЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИИ
Дальневосточный федеральный округ 7,4; 8 %'
Сибирский федеральный округ 23,4; 26 %
Уpальский федеральный округ
9; 10 % Южный
федеральный округ 0,9; 1 %
СевероЗападный федеральный округ 23,8; 26 %
Центральный федеpальный округ
Приволжский ino.no/
федеральный 10,9; 12 %
округ
15,6; 17 %
Рис. 4. Распределение экономически доступных ресурсов древесного топлива РФ по федеральным округам в 2007 г. Всего по РФ 90,05 млн м3
Топливные дрова; 59,84; 59 %
Ресурсы от ЦБП; 5,56;5 %
Ресурсы от тарного производства 1,47; 1 %
Ресурсы от фанерного производства;
7,3; 7 %
Крона; 14,56; 14 %
Ресурсы от лесопиления; 14,16; 14 %
Рис. 5. Распределение экономически доступных ресурсов древесного топлива РФ по федеральным округам в 2012 г. Всего по РФ 103,03 млн м3
Результаты оценки ресурса древесной биомассы для лесной биоэнергетики
Изложенная методика была применена для оценки потенциального и экономически доступного ресурса древесной биомассы, пригодной для производства энергии по данным за 2007 г. и прогнозу на 2012 г. Расчеты выполнены в ГНЦ ЛПК.
ДПР древесного топлива в лесопромышленном комплексе Российской Федерации, рассчитанный исходя из объемов производства лесобумажной продукции в 2007 г., составляет 133 840 тыс. м3. Наибольшую часть потенциального ресурса древесного топлива в России, 113, 5 млн м3, или 85 % от общего объема, составляют топливные дрова и лесо-
сечные отходы. Более полное использование именно этого ресурса может оказать существенное влияние на повышение эффективности работы лесозаготовительной промышленности и лесопромышленного комплекса в целом.
Распределение потенциального ресурса по видам представлено на рис. 1. Распределение потенциальных ресурсов древесного топлива в 2007 г. по федеральным округам приведено на рис. 2.
ЭДР древесного топлива в лесопромышленном комплексе Российской Федерации в 2007 г. составил 91 054,6 тыс. м3. Распределение экономически доступных ресурсов древесного топлива по видам представлено на рис. 3. Большую часть экономически доступных ресурсов древесного топлива - 78 %
36
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2010
