CC BY
42
УДК 631.4+551.583+613.1:610.2
DOI 10.29003/m827.0514-7468.2018_41_4/417-429
ВОПРОСЫ ОБЪЕКТИВНОЙ ОЦЕНКИ ЭМИССИИ ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВ В АТМОСФЕРУ ЗЕМЛИ
Г.А. Булаткин1
Сформулирована оригинальная методология и разработана новая методика оценки баланса парниковых газов в растительных сообществах, выращиваемых для производства возобновляемой энергии или снижения содержания парниковых газов в атмосфере Земли. В соответствии с предложенной концепцией впервые проанализирован полный цикл производства возобновляемой энергии из биомассы растений на примере мискантуса китайского (Miscanthus sinensis Anderss.), выращиваемого в полевых экспериментах в южном Подмосковье на серых лесных почвах; выявлена высокая биологическая и энергетическая эффективность выращивания. Рассчитана величина полученной дополнительной энергии, затраты технической энергии на переработку биомассы в пеллеты по двум альтернативным технологиям. Показан баланс углекислого газа по этапам технологической цепочки производства пеллет.
Ключевые слова: Парижское соглашение по климату, парниковые газы, баланс углекислого газа в атмосфере, «управляемые» леса, энергетическая эффективность, техническая энергия, биомасса, дополнительная энергия, возобновляемые источники энергии, мискантус китайский, низкоуглеродная энергетика.
Ссылка для цитирования: Булаткин Г.А. Вопросы объективной оценки эмиссии парниковых газов в атмосферу Земли // Жизнь Земли. Т. 41. №4. С. 417-429. DOI 10.29003/m827.0514-7468.2018_41_4/417-429
Поступила 03.10.2019 / Принята к публикации 06.11.2019
QUESTIONS OF THE ADEQUATE EVALUATION OF GREENHOUSE GASES EMISSION TO THE EARTH'S ATMOSPHERE
GA. Bulatkin, Dr. Sci (Biol.)
Institute of Fundamental Problems of Biology of the RAS
An original methodology was formulated and a new technique of evaluation of balance of the greenhouse gases in plant communities growing for renewable energy production or reducing greenhouse gases amounts in the Earth's atmosphere was developed. In carbon balance calculation is necessary to take into account СО2 emission in direct and indirect technical energy costs of tree formations, post-planting and main usage logging in "controlled" forests. In the electric power production on the basis of renewable resources, including of biomass, when calculating greenhouse gases emission in consumer electricity countries it is essential to add СО2 emission value, obtained in importing electricity production, to a quota of consumer countries. According to the proposed concept the entire production cycle of renewable energy from plant biomass on the example of Chinese silvergrass (Miscanthus sinensis Anderss), grown in field experiments in the south Moscow region in grey forest soil was firstly analyzed. High biological and energy growing efficiency was identified. Value of received extra energy, technical energy outlay of biomass recycling to pellets on two alternative methods was calculated. Carbon dioxide balance was shown according to technological pellets production chain: growing
1 Булаткин Геннадий Александрович - д.б.н., в.н.с. Института фундаментальных проблем биологии РАН ФГБУН ФИЦ ПНЦБИ РАН, г. Пущино Московской области, genbulatkin@yandex.ru.
Жизнь Земли 41(4) 2019 417-429
417
of biomass, biomass recycling and logistics of an energy source over different distances. With the increasing of pellets shipping distance the energy efficiency of renewable energy source plummeting while the СО2 balance approaches so close to zero. Main feasibility indicators of renewable energy sources production should be:
1. Criterion of total energy production efficiency of renewable energy in accordance with direct and indirect costs of technical energy.
2. Criterion of extra energy content in an energy source at the end-user level.
3. Total carbon dioxide balance in production and transportation of renewable energy source to the end-user.
Keywords: The Paris climate agreement, greenhouse gases, balance of atmospheric carbon dioxide, "controlled" forests, energy efficiency, technical energy, biomass, extra energy, renewable energy sources, Chinese silvergrass (Miscanthus sinensis Anderss), low-carbon energy.
Введение. В последние десятилетия научная общественность, руководящие организации ООН и главы правительств промышленно развитых стран стали постепенно осознавать важность проблемы повышения температуры приземного слоя атмосферы Земли. Основной причиной этого явления официально считается поступление в атмосферу так называемых «парниковых» газов. К ним относят диоксид углерода (СО2), метан (СН4) закись азота (N2O), гидрофторуглероды (ГФУ), перфторуглероды (ПФУ), гексафторид серы (SF6). Газы резко различаются по концентрации в атмосфере и влиянию на отражение земного тепла, поэтому их приводят к единому показателю. Например, пересчёт выбросов метана в СО2-эквивалент проводится путём умножения на значение потенциала глобального потепления (ПГП), который равен 25; пересчёт выбросов закиси азота в СО2-эквивалент - путём умножения на значение потенциала глобального потепления 298 [15].
Однако о причинах повышения температуры приземного слоя атмосферы Земли существуют различные мнения учёных. В.В. Снакин [18] опубликовал подробный обзор, посвящённый изменениям климатической системы Земли и увеличению содержания СО2 в атмосфере, где рассмотрены имеющиеся прогнозы, выявлена большая противоречивость данных об обусловленности глобального потепления.
Решение проблемы отрицательного воздействия повышения температуры приземного слоя атмосферы на экосистемы и жизнедеятельность человечества во многом зависит от природы этих изменений [18]. Если использование углеводородного топлива считать определяющим фактором для повышения температуры приземного слоя атмосферы, то, согласно некоторым моделям, для ограничения роста среднегодовой глобальной температуры воздуха к концу века не более 2-3 градусов Цельсия (как планируется в Парижском соглашении по климату), необходимо снизить уровень промышленной эмиссии СО2 до 4-5 Гт в углероде в год, или в 2 раза по сравнению с современным.
Более 25 лет назад главы государств и правительств, участвующие в Конференции ООН по окружающей среде и развитию в Рио-де-Жанейро, приняли Рамочную конвенцию ООН по изменению климата, которая предусматривала существенное сокращение выбросов в атмосферу парниковых газов, в первую очередь углекислого газа, образующегося при сжигании ископаемых углеводородов (каменного угля, нефти, газа и т. д.). В 1997 г. был принят Киотский протокол, в котором конкретизировались условия сокращения выбросов СО2 для всех стран без исключения. Показатели были спущены сверху - со стороны ООН. На конференции в Дохе (Катар) в 2012 г. срок дей-418
ствия Киотского протокола был продлён до 2020 г. Наконец, в декабре 2015 г. на конференции ООН в Париже почти единогласно было принято новое климатическое соглашение [23]. Не прошло и года, как в декабре 2016 г. оно фактически вступило в силу, т. к. к этому времени его ратифицировали 111 государств (57 % из числа подписавших соглашение). Таким образом, целенаправленная деятельность ООН на протяжении почти 30 лет привела к созданию новой эколого-энергетической парадигмы, которая предполагает декарбонизацию экономики, развитие низкоуглеродной энергетики [1].
Использование биомассы растений в энергетике с целью снижения выбросов углекислого газа. Насколько возможно снизить поступление СО2 в атмосферу и какими методами? К.С. Лосев [10], анализируя современную стратегию борьбы с глобальным потеплением, пришёл к выводу, что снижение индустриальной эмиссии углекислого газа техническими средствами недостаточно для приостановления роста температуры на нашей планете. Одним из путей сокращения использования углеводородов в энергетике, снижения выбросов СО2 считается применение возобновляемых источников энергии, в частности, производство биомассы растений.
Объективный расчёт сокращения выбросов парниковых газов на территории различных стран во многом зависит от полноты учёта статей баланса газов в технологиях, используемых в промышленной, сельскохозяйственной и лесной сферах деятельности человека. Например, наши исследования эффективности выращивания многолетней энергетической культуры мискантуса китайского на серых лесных почвах южного Подмосковья показали, что содержание энергии в надземной биомассе в среднем за 7 лет было в 15,8 раз больше затраченной технической энергии на возделывание культуры до вывоза урожая с поля [3]. Таким образом, дополнительная энергия (разница между накопленной в биомассе энергии и использованной технической) составляет 84,2 % от содержания энергии в биомассе.
Однако для дальнейшей переработки растительной биомассы в коммерческий энергоноситель и транспортировки его до конечного потребителя требуются дополнительные затраты технической энергии, и за счёт этого происходят большие объёмы выбросов СО2 в атмосферу. Эти вопросы в научных исследованиях практически не анализировались, хотя они крайне важны при выполнении задач, поставленных в Парижском соглашении по климату.
Главным способом снижения поступления СО2 в атмосферу Земли в Парижском соглашении названо использование лесных насаждений. На территории государства предлагается учитывать только влияние «управляемых» лесов, т. е. лесных насаждений, созданных и культивируемых человеком. В Российской Федерации к таким лесам относится лишь половина площадей [6, 9]. В распоряжении Минприроды России от 30.06.2017 № 20 при анализе потоков парниковых газов в результате осуществления деятельности в области лесопользования рекомендуется учитывать только прямые затраты различных видов ископаемого топлива в двигателях внутреннего сгорания при работе в лесу [15].
Однако в «управляемых» лесах используется большое количество машин, орудий, транспортных средств для выращивания саженцев, подготовки почвы, закладки лесо-сырьевых плантаций, при уходе за насаждениями, рубке главного пользования [4, 7]. На производство этой техники на промышленных предприятиях в стране и за рубежом затрачиваются большие ресурсы технической энергии и при этом выделяется в атмосферу соответствующее количество углекислого газа. Поэтому в лесных «управляемых» насаждениях, которые Парижским соглашением по климату рекомендуют-
ся как агенты стока углекислого газа, при расчёте баланса СО2, по нашему мнению, недостаточно учитывать только прямые затраты ископаемого топлива в насаждениях. Необходимо оценивать совокупные затраты технической энергии (прямые - в лесах и косвенные - при производстве используемой в лесных насаждениях техники с учётом сроков её амортизации) и рассчитывать её суммарные затраты и соответствующее количество выделяющегося СО2 в атмосферу Земли.
Зарубежный опыт решения проблемы. В настоящее время большие надежды возлагаются на «малоуглеродную» («низкоуглеродную») и даже «безуглеродную» экономику [11]. Имеется ряд примеров стремления государств уменьшить выбросы углекислого газа до минимальных величин на счёт использования возобновляемой энергии. Однако при расчётах используют явно ошибочную методику. Например, принятый Федеральным правительством Германии план развития энергетики до 2050 г. предусматривает реальный рост ВВП по сравнению с 2008 г. на 39 % при одновременном сокращении потребления первичной энергии на 50 % и уменьшении на 85 % эмиссии парниковых газов на территории страны [16]. Это предполагает принципиальное изменение структуры источников первичной энергии, в которой должна возрасти доля возобновляемой энергии на 50 % при увеличении общей генерации возобновляемой энергии до 80 %. Основные задания плана следующие (относительно 2008 г.): сокращение эмиссии парниковых газов на 40 % к 2020 г. и на 85 % к 2050 г.; доля использования возобновляемой энергии в конечном потреблении должна составлять как минимум 18 % к 2020 г. и 50 % к 2050 г. [16].
За счёт каких мероприятий планируется выполнить такие экологически претенциозные планы? Представлены четыре различных сценария плана развития энергетики. Оказалось, что в их основе лежит модель резкого сокращения потребления тепловой энергии в жилом секторе и уменьшение производства электроэнергии в Германии до 2050 г. по сравнению с 2008 г. примерно наполовину. Использование бурого угля и природного газа при производстве электроэнергии по плану заканчивается также до 2050 г. Предусмотрен импорт электроэнергии, преимущественно из возобновляемых источников энергии, в частности из Норвегии (гидроэлектроэнергия) и Африки (проект Оезейес). Потребление импортной электроэнергии в 2050 г. достигнет 25 % от общего потребления электроэнергии в стране. План развития исходит из того, что в 2050 г. 80 % собственной электроэнергии будет производиться на базе возобновляемых источников, в том числе из энергии ветра и Солнца. Однако строительство генерирующих устройств, трансъевропейских и трансконтинентальных электрических сетей потребует громадных затрат технической энергии и будет сопровождаться выделением пропорционального количества СО2 на промышленных предприятиях стран-производителей и поступать в атмосферу Земли. Следовательно, выбросы СО2, которые произошли при производстве электроэнергии, потреблённой в Германии, относят к квоте страны-производителя, что явно неправильно с точки зрения здравого экологического смысла [13]. Таким образом, вопросы объективного расчёта баланса СО2 в различных странах необходимо рассматривать при выполнении Парижского соглашения по климату с учётом не только прямых выбросов СО2 в стране, но и косвенных затрат технической энергии на производство покупаемой электроэнергии и оборудования, производимых в других странах. Иначе происходит некое мифотворчество и экологический самообман. Однако на эти методические моменты до настоящего времени мало обращается внимания.
Российский опыт производства возобновляемой энергии из биомассы растений на примере мискантуса китайского. Наши исследования показали, что выбор 420
машин и оборудования для уборки и переработки биомассы растений во многом влияет на энергетическую эффективность производства возобновляемой энергии. Например, для небольших объёмов тепловой энергии из растительной биомассы для обеспечения коттеджного посёлка в 100 домов в южном Подмосковье за отопительный сезон необходимо использовать 1,16 тыс. т пеллет2. Таким образом, для снабжения поселения топливом требуется вырастить около 1,2 тыс. т биомассы мискантуса в год. Для переработки такого объёма можно выбрать малогабаритную линию гранулирования «СКАРАБЕЙ» (оборудована электрической сушилкой биомассы) Тульского завода «Техприбор» с производительностью 0,4 т пеллет в час. При работе в две смены в течение 22 дней в месяц она обеспечит на год необходимый для посёлка объём топлива. С этой линией гранулирования в единой технологической цепочке хорошо сопрягается измельчитель тюков соломы ДПМС-11, которые формируются в поле при уборке пресс-подборщиком ПТ-165М.
Для получения большего количества возобновляемой энергии в единой технологической цепочке нами взята другая линия гранулирования, в основе которой лежит более мощный пресс-гранулятор «ГРАЧ-480» производительностью 1,5 т в час и аэродинамическая сушилка биомассы СА-400, работающая на пеллетном топливе. В линию включается вилочный погрузчик рулонов Коша1зц ББ10-12 и измельчитель рулонов ИРС со столом-транспортёром. Уборка биомассы в поле в этой технологии производится комплексом сельскохозяйственных машин, в т. ч. пресс-подборщиком рулонов ПР-145С и погрузчиком-транспортёром рулонов ТП-10-1. За год данная линия гранулирования производит 4,5 тыс. т пеллет.
Для объективной оценки энергетической эффективности производства возобновляемых источников энергии важна полнота учёта вложений технической энергии на всех этапах технологической цепочки производства биомассы, её переработки и транспортировки до потребителя.
Энергозатраты в технологической цепочке можно разделить на прямые и косвенные. К прямым относятся электроэнергия, топливо движителей и человеческий труд. К косвенным - амортизационные затраты на закладку плантаций растений или строительство бассейнов-культиваторов для водорослей, затраты энергии на изготовление машин и оборудования, их капитальный ремонт и технический уход. Срок амортизации оборудования берётся по данным производителей.
Необходимо учитывать и расходные материалы, которые обычно используются в соответствии с регламентом работ машин. Например, матрицы в прессах-грануля-торах заменяются после выработки каждой тысячи тонн пеллет. Косвенные затраты энергии переносятся на продукцию пропорционально объёму продукции за срок эксплуатации машин и оборудования.
К косвенным затратам в производстве биомассы энергетических культур следует отнести также расход электроэнергии на бытовые нужды (освещение, электробытовые приборы и т. д.) и электропотребление в общественном секторе (уличное освещение в сельской местности). Общество несёт существенные расходы при производстве сельскохозяйственной продукции и за счёт энергозатрат на отопление и освещение жилых помещений товаропроизводителя. Величина этих затрат антропогенной энергии тесно связана с климатическими условиями, складывающимися на территории различных стран. Так, страны Западной Европы находятся в благоприятном климате, и сред-
2 Топливные гранулы, биотопливо, получаемое из торфа, древесных отходов и отходов сельского хозяйства.
няя температура января для большинства этих государств не опускается ниже -5°С. В Англии, Франции, Италии, Испании она находится в пределах 0 - +5°С, в Германии, Польше, Румынии, Югославии и даже части Швеции и Норвегии - в пределах 0 - -5°С.
В России зимние холода требуют больших затрат энергии на отопление жилья, общественных и производственных зданий. Средняя температура января в центральной части страны (до Урала) составляет -10 - -15°С, в Западной Сибири -15 - -20°С, а в Восточной Сибири - ниже -20°С. Таким образом, и норма расхода тепла и электроэнергии на отопление и бытовые нужды значительно различается по регионам Российской Федерации и странам мира. По нашим расчётам, для сельской местности Центрального экономического района России расход электроэнергии на бытовые нужды работника за 7 часов работы составляет в сумме 14,84 МДж, затраты топлива на бытовые нужды -около 223 МДж.
В настоящее время невозможно оценить фактические затраты энергии на изготовление машин и оборудования. Поэтому в расчётах можно использовать обобщённый эквивалент затрат в 86 МДж на 1 кг массы сельскохозяйственных машин, промышленного оборудования и запасных частей.
Расчёт затрат электроэнергии необходимо проводить с учётом качества энергии [14]. Известно, что электрическая энергия на тепловых электростанциях вырабатывается с коэффициентом около 0,33. Установленная мощность ТЭС России составляет 179 ГВт (69,7 %), 10,2 % приходится на АЭС (26 ГВт), 19,9 % - на ГЭС (51 ГВт) и 0,2 % -на остальные электростанции (0,6 ГВт). В топливном балансе ТЭС преобладает природный газ, доля которого составляет 69 % и имеет тенденцию к росту, доля угля равна примерно 23 % и постепенно сокращается [22].
Таким образом, один кВт-ч. электроэнергии требует для своего производства на ТЭС (с учётом потерь при передаче) 11,38 МДж первичной энергии топлива (природного газа, мазута, каменного угля и т. д.). Мы полагаем, что для объективной оценки затрат технической энергии в процессе производства возобновляемой энергии следует использовать предлагаемый подход (т. е. с учётом качества энергии), т. к. только в этом случае можно объективно оценить энергетическую эффективность возобновляемых источников энергии.
За основу определения энергозатрат труда человека можно использовать норму суточной калорийности пищи. Для работников сельского хозяйства в Российской Федерации эта норма составляет около 3500 ккал или 14,7 МДж [2]. Данную величину относят на семь часов работы. При учёте суммарных затрат энергии живого труда в них должны включаться также следующие начисления: для отпусков - 5,6 %, выходных дней - 40 % от основных затрат труда, для государственного социального страхования - 4,4 % от основных затрат труда с отпусками. В сумме на семичасовой рабочий день (нормо-смену) в России приходится 22,47 МДж затрат энергии.
Анализ энергетической и экологической эффективности производства возобновляемой энергии из мискантуса китайского, выращенного в южном Подмосковье. В качестве примера анализа энергетической и экологической эффективности производства возобновляемой энергии из растительного сырья приводим данные наших многолетних исследований производства пеллет из биомассы мискантуса китайского, выращенного в южном Подмосковье на серых лесных почвах.
Расчёт затрат технической энергии на производство пеллет из биомассы мискан-туса проведён по двум технологиям (табл. 1 и 2). При анализе учтены прямые и косвенные затраты технической энергии как на закладку плантации, производство биомассы 422
мискантуса, её уборку, транспортировку до промышленного предприятия, так и вложения технической энергии на пеллетирование и фасовку готовой продукции.
Ежегодное возделывание мискантуса и амортизация энергозатрат на закладку плантации составили в сумме 552 МДж/т сухой надземной биомассы или 18,5-22,4 % от общих затрат на производство пеллет (табл. 1 и 2).
Анализ показал, что суммарные затраты технической энергии и выбросы СО2 в атмосферу по технологиям существенно отличаются. При малообъёмной технологии пеллетирования они составляют 3024 МДж на 1 т пеллет (табл. 1).
Таблица 1. Затраты технической энергии на производство пеллет (МДж/т) из биомассы мискантуса китайского в южном Подмосковье (среднее за 7 лет): технология № 1 с тюковым пресс-подборщиком ПТ-165М и погрузчиком тюков ЛПУ 2,1 (производительность 1,7 тыс. т пеллет в год)
Table 1. Energy use of farm equipment (MJ/t) while manufacturing pellets from biomass of Chinese silvergrass in the southern part of Moscow regions (average data for 7 years). Technology № 1 with the use of nT-165M square baler and ^ny 2.1 bale loader (output 1700 tonnes of pellets per year)
Возделывание мискантуса Амортизация затрат на закладку плантации Скашивание в валки СК-5, жатка ЖВН-6 Подбор и прессование биомассы МТЗ-80+ ПТ-165 М Погрузка и перевозка тюков, автотранспорт Погрузка тюков вручную и измельчение ДПМС-11 Линия гранулирования «Скарабей» Фасовка гранул комплексом «Доза 5/25» Сумма затрат технической энергии
затраты труда амортизация линии
электроэнергия
418 134 38,0 191 291 329 17,0 30,0 50,0 3024
1526
13,9 4,6 1,3 6,4 9,7 11,0 51,1 1,0 1,6 100 %
Около 50 % затрат энергии на производство приходится на гранулирование, при этом основные затраты составляет электроэнергия. При теплотворной способности биомассы мискантуса около 18 МДж/кг. [8], в 1 т пеллет содержится 18 тыс. МДж энергии. Следовательно, на 1 МДж затраченной технической энергии получено 6,0 МДж возобновляемой энергии в виде пеллет. Таким образом, в каждой единице массы исследованного возобновляемого энергоносителя содержится 83 % дополнительной энергии.
Изучение эффективности переработки растительной биомассы на более производительном оборудовании проведено по второй технологии (табл. 2).
Результаты исследований показали, что прямые и косвенные затраты технической энергии (на производство биомассы в поле, уборку, транспортировку до промышленного предприятия на расстоянии 5 км и переработку в пеллеты) по второй технологии составили 2487 МДж в расчёте на 1 т пеллет. Таким образом, при второй, более объёмной технологии, затраты технической энергии на 1 т пеллет на 17,8 % меньше.
Следует отметить, что основные затраты технической энергии на производство возобновляемой энергии в форме пеллет по исследованным технологиям приходятся не на выращивание и уборку биомассы и амортизацию различной техники, использованной в агросфере и в промышленном цикле, а на электрическую энергию и топливо, израсходованные при работе оборудования в линиях гранулирования. Например, в технологии № 2 при погрузке рулонов биомассы на транспортёр подъёмником Коша18ц электроэнергии используется около 51,2 МДж/т соломы, при измельчении
Таблица 2. Затраты технической энергии на производство пеллет (МДж/т) из биомассы мискантуса китайского в южном Подмосковье (среднее за 7 лет): технология № 2 с рулонным пресс подборщиком ПР-145С и погрузчиком рулонов с поля ТП-10-1 (производительность 4,5 тыс. т пеллет в год)
Table 2. Energy use of farm equipment (MJ/t) while manufacturing pellets from biomass of Chinese silvergrass the southern part of Moscow regions (average data for 7 years). Technology № 2 with the use of ПР-145С roll-type baler and ТП-10-1 round bale mover picking up round bales from the field...(output 4,5 thousand tonnes of pellets per year)
Возделывание мискантуса Амортизация затрат на закладку плантации Скашивание в валки СК-5, жатка ЖВН-6 Подбор и прессование биомассы МТЗ-80 + ПР-145 С Погрузка и перевозка рулонов, МТЗ-80 +ТП-10-1 Погрузка рулонов на транспортер Komatsu, Сушилка СА 400 и линия гранулирования ГРАЧ-480 Фасовка гранул комплексом «Доза 5/25» Сумма затрат технической энергии
затраты труда амортизация оборудования
электроэнергия
измельчение, ИРС
топливо
418 134 38,0 81,2 170 64,4 7,0 26,6 50,0 2487
180 598
720
17,0 5,4 1,8 3,3 6,9 9,9 53,8 1,1 2,0 100 %
соломы - 176,4 МДж/т, в сушилке и грануляторе - 598 МДж/т (табл. 2), при охлаждении гранул - 28,1 МДж/т, фасовка гранул комплексом «Доза 5/25» требует 22,1 МДж первичной энергии на 1 т гранул.
Таким образом, в технологии № 2 суммарный расход электроэнергии составляет около 876 МДж/т пеллет, или 30 % от общих затрат технической энергии на производство пеллет, а органического топлива, используемого при сушке биомассы, -720 МДж/т, или 29,2 % общих затрат технической энергии.
Исследования показали, что выращивание мискантуса китайского является энергетически высокоэффективным. Соотношение энергии, содержащейся в биомассе мискантуса, с затраченной технической составляет 15,8. В процессе переработки биомассы в пеллеты используется существенное количество технической энергии (табл. 1 и 2) и энергетическая эффективность процесса снижается. Соотношение энергии, содержащейся в пеллетах, с технической энергией, затраченной в полном цикле их производства, уже равно 6 : 1 (табл. 3). Однако перевозка пеллет на значительные расстояния, например, на 100 км, приводит к снижению энергетической эффективности до 4,0.
Дальнейшее увеличение расстояний перевозки приводит к постепенному падению энергетической эффективности и отсутствию дополнительной энергии в пеллетах.
Большим источником производства возобновляемой энергии в мире является биомасса отходов лесной промышленности и деревопереработки. В настоящее время в мире производится около 26 млн т пеллет. Основными производителями являются США и Канада. За 2017 г. в Российской Федерации произведено 1,3 млн т древесных пеллет. Размеры затрат технической энергии при изготовлении пеллет из отходов де-ревопереработки в основном связаны с промышленными процессами переработки биомассы. На крупных лесоперерабатывающих заводах опилки являются отходами и их стоимость переносится на основную продукцию. На пеллетных заводах при работе на стороннем сырье минимальная покупная цена опилок навалом в России составля-424
Таблица 3. Энергетическая и экологическая эффективность использования энергоносителей из биомассы мискантуса
Table 3. Energy and ecological efficiency of the use of energy source material from biomass of miscanthus
Виды энергоносителя Энергетическая эффективность Затраты технической энергии, МДж/1 т биомассы Поступление СО2 в атмосферу, кг на 1000 МДж энергии в энергоносителе
Биомасса мискантуса (закладка плантации, выращивание и уборка, удобренный вариант) 15,8 1048 Всего 101,2, в т. ч. от биомассы 97,2, техн. энергии 4,0
Пеллеты из биомассы мискантуса 6,0 3000 Всего 107,7, в т. ч. от биомассы 97,2, техн. энергии 10,5
Пеллеты из биомассы мискантуса и перевозка на расстояние 100 км грузовым автотранспортом 4,0 4540 Всего 113,1, в т. ч. от биомассы 97,2, техн. энергии 15,9
Пеллеты из биомассы мискантуса и перевозка на расстояние 200 км грузовым автотранспортом 3,0 6080 Всего 118,5, в т. ч. от биомассы 97,2, техн. энергии 21,3
Пеллеты из биомассы мискантуса и перевозка на расстояние 500 км грузовым автотранспортом 1,7 10700 Всего 136,1, в т. ч. от биомассы 97,2 техн. энергии 38,9
ет около 1000 руб. за 1 тонну. Для выражения их стоимости в единицах технической энергии можно сопоставить их цену в рублях со стоимостью промышленного энергоносителя, например, дизельного топлива. В Московской области РФ в январе 2019 г. оптовая цена 1 л дизельного топлива составляла 38-40 руб. [5].
При содержании энергии в дизельном топливе 42,7 МДж/л стоимость 1 т опилок можно оценить в 1100 МДж технической энергии, что несколько больше суммарных затрат технической энергии на производство биомассы мискантуса в южном Подмосковье.
Технология пеллетирования опилок и биомассы мискантуса отличается только двумя операциями: при обработке мискантуса тюки биомассы растений необходимо подавать на транспортёр и измельчать. Однако влажность опилок обычно значительно выше, чем влажность биомассы мискантуса в тюках, и древесные опилки требуют больших затрат технической энергии на сушку. Таким образом, затраты технической энергии на изготовление пеллет из отходов древесины можно приравнять к пеллетам из биомассы мискантуса.
Наши исследования показали, что экономическая выгода транспортировки пел-лет к потребителю на большие расстояния (например, в страны Западной Европы) связана со значительной разницей в стоимости электроэнергии в странах-производителях и странах-импортёрах. По стоимости электроэнергии Россия занимает в мире 71 место [19]. Средняя стоимость электричества в нашей стране оценивается в 8,20 цента за 1 кВт/ч. В США цена электроэнергии только в 1,5 раза выше, чем в России (табл. 4).
Из данных табл. 4 видно, что за электроэнергию немцы и датчане платят в 4,5-4,9 раза больше, чем россияне. Таким образом, основные западноевропейские импортёры древесных пеллет из России и США ввозят не дополнительную энергию, а де-
Таблица 4. Цена электричества за 1кВт/ч по странам (в центах США)* Table 4. Electricity prices kWh by country (USA centers). *Average prices for 2011-2014 years.
Страна Стоимость, цент США/кВт*ч.
Венгрия 23,44
Германия 36,25
Дания 40,38
Израиль 18,00
Испания 22,73
Китай 9,10
Латвия 18,25
Нидерланды 28,89
Россия 8,20
Соединённое королевство 20,00
США 12,50
Финляндия 20,65
Швейцария 25,00
* Цены приведены в среднем за 2011-14 гг.
шёвую электроэнергию, затраченную на производство пеллет в странах-экспортёрах. Известно, что в Германии конечная цена электроэнергии для промышленности в 2017 г. составила 19,9 евроцента/кВт*ч., а конечная цена для домохозяйств значительно выше -30,5 евроцента/кВт*ч. [12]. В России стоимость электроэнергии по первой ценовой категории для средних предприятий, например, в Московской области, за 6 месяцев 2018 г. равнялась 4,45 руб./кВт*ч., в Кировской области - 3,90 руб./кВт*ч. [20]. При курсе 70 руб. за 1 евро стоимость электроэнергии в этих областях России в пересчёте на евро составила для промышленных предприятий 5,5-6,3 евроцента за 1 кВт*ч. Таким образом, стоимость 1 кВт*ч. электроэнергии при производстве пеллет в Германии для домохозяйств в 5 раз выше, чем в Российской Федерации. А т. к. большая часть энергозатрат на производство пеллет из мискантуса и из древесных опилок в промышленном цикле приходится на электроэнергию, получается, что основной целью импорта пеллет из России является покупка дешёвой электроэнергии страны-производителя.
В настоящее время существует большое противоречие между экономической и энергетической оценкой возобновляемых источников энергии.
А.В. Смуров [17] справедливо полагает, что в системе современных экономических парадигм эколого-энергические проблемы в мире не могут быть решены. В современном понимании экономика рассматривается как наука, изучающая систему общественных отношений с позиции цены и стоимости. Одна из главных ветвей экономической теории - монетаристская концепция, в которой деньги являются главной сферой, определяющей движение и развитие производства. Поскольку цена электроэнергии в США, России в несколько раз меньше, чем в западноевропейских странах, то, несмотря на большие расстояния по перевозке, и, в итоге, отсутствие дополнительной энергии в составе пеллет уже на первых сотнях километрах пути, экономика импортёров не остаётся в накладе. В итоге при перевозке пеллет на большие расстояния импортёры покупают во многом дешёвую энергию стран-производителей. Поступления же дополнительной энергии в глобальном масштабе не происходит. И использование возобновляемой энергии в виде древесных и растительных пеллет при больших расстояниях перевозок не приводит к стоку СО2 из атмосферы Земли.
Важным показателем при производстве возобновляемых источников энергии являются выбросы в атмосферу СО2 при использовании различных видов энергоносителей в расчёте на получение 1000 МДж тепловой энергии.
Оказалось, что при сжигании нативной биомассы мискантуса на каждые 1000 МДж полученного тепла выделяется 97,2 кг СО2. Однако весь углекислый газ растения фактически поглотили из атмосферы в процессе фотосинтеза. Вместе с тем, значительное количество технической энергии было затрачено на различных этапах производства биомассы и её переработки. Например, на выращивание мискантуса ежегодно используется 418 МДж/т биомассы прямых энергозатрат и 134 МДж/т приходится на амортизационные вложения закладки плантации (табл. 1 и 2). В сумме затраты технической энергии до уборки урожая составляют 552 МДж/т биомассы. Расчёты показывают, что при использовании этого количества технической энергии выделяется 1,9 кг СО2 на 1 т выращенной биомассы. В целом при выращивании, уборке и непосредственном сжигании биомассы мискантуса в атмосферу на 1000 МДж энергии, содержащейся в биомассе, поступает 101,2 кг оксида углерода. Но в атмосферу дополнительно поступает только 4,0 кг СО2 и только за счёт применения технической энергии в процессе производства биомассы.
Так как коэффициент энергетической эффективности производства биомассы мискантуса до вывоза с поля равен 15,8, то на получение 15,8 МДж энергии в биомассе затрачен только 1 МДж технической энергии. Таким образом, 96 % углекислого газа, выделившегося при сжигании топлива из мискантуса - оксид углерода, который растения поглотили из атмосферы при фотосинтезе.
Переработка биомассы в пеллеты, их перевозка к потребителю ведут к увеличению поступления дополнительного количества углекислого газа в атмосферу (табл. 3). При транспортировке теплоносителя на расстояние в 200 км суммарные дополнительные выбросы углекислого газа уже достигают 25 % поглощённого растениями из атмосферы. Перевозка пеллет на большие расстояния минимизирует энергетическую и экологическую эффективность этого возобновляемого источника энергии.
Заключение. Возможность глобализации использования различных возобновляемых энергоресурсов должна быть определена на основе расчёта соотношения содержащейся в энергоносителе энергии и затраченной технической энергии на производство и транспортировку до потребителя.
Главными показателями целесообразности производства и логистики возобновляемых энергоносителей для глобального использования должны являться:
1. Критерий абсолютной энергетической эффективности производства возобновляемой энергии с учётом прямых и косвенных затрат технической энергии;
2. Критерий содержания дополнительной энергии в энергоносителе на уровне конечного потребителя;
3. Суммарный баланс углекислого газа при производстве, транспортировке и использовании возобновляемой энергии, начиная с её производства и вплоть до конечного потребителя.
Представленные материалы по анализу производства одного из альтернативных источников возобновляемой энергии - мискантуса китайского - показали необходимость тщательного эколого-энергетического рассмотрения всех видов альтернативной энергии. Требуется оценка размеров полученной в каждом случае дополнительной энергии при различных технологиях производства биомассы, её переработки, использования и логистики конечного энергоносителя. Необходимо проведение анализа
влияния использования энергоисточников на баланс СО2 вплоть до уровня конечного потребителя.
Работа выполнена при финансовой поддержке государственного задания АААА-А17-117030110139-9.
ЛИТЕРАТУРА
1. Акаев А.А. От Рио до Парижа: достижения, проблемы и перспективы в борьбе с изменением климата // Вестник РАН. 2017. Т. 87, № 7. С. 587-598.
2. Большая советская энциклопедия. 3-е издание. Т. 19. М.: Советская энциклопедия, 1975. С. 578-579.
3. Булаткин Г.А. Исследование эффективности энергетических культур на примере мискантуса китайского (Miscanthus sinensis Anderss.). Экологические и экономические аспекты // Экологический вестник России. 2018. № 11. С. 32-34.
4. Денеко В.Н. Машины и механизмы для питомников. Екатеринбург, 2003. 27 с.
5. Дизельное топливо Евро 5 (www. dt-24.ru).
6. Замолодчиков Д.Г., Коровин Г.Н., Гитарский М.П. Бюджет углерода управляемых лесов Российской Федерации // Лесоведение. 2007. № 6. С. 23-34.
7. ЗастенскийЛ.С., Неволин Н.Н. Машины и механизмы лесного хозяйства и их эксплуатация. Вологда, 2000. 395 с.
8. Зинченко В., Яшин М. Энергия мискантуса // Леспром. 2011. № 6. С. 134-141.
9. Кудеяров В.Н. Углеродный баланс наземных экосистем на территории России // Вестник РАН. 2018. Т. 88, №2. С. 179-183.
10. Лосев К.С. Парадоксы борьбы с глобальным потеплением // Вестник РАН. 2009. Т. 79, № 1. С. 36-42.
11. Макаров А.А. Сценарий энергетической стратегии России до 2050 г. // Затраты и выгоды низкоуглеродной экономики и трансформации общества России. М., 2014. C. 143-151.
12. Мельникова С.И., Яковлева Д.Д. Энергетика Германии: череда парадоксов // Экологический вестник России. 2018. №10. С. 18-22.
13. Нечаев А. Мир на пороге зелёной революции. 2016 (www.hse.ru/news/188171386.html).
14. Одум Ю. Сельскохозяйственные экосистемы. М.: Агропромиздат, 1987. 223 с.
15. Распоряжение Минприроды России от 30.06.2017. № 20. Методические указания по количественному определению объёма поглощения парниковых газов в результате осуществления деятельности в области земле- и лесопользования (ЗИЗЛХ).
16. Ризнер В., Ногорнов В.Н. План развития энергетики федерального правительства Германии до 2050 г. - основа устойчивого экологического развития // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. 2011 (5). С. 75-83.
17. Смуров А.В. Экология и экономика (единство и противоположность) // Жизнь Земли. Т. 40, № 1. 2018. С. 4-11.
18. Снакин В.В. Глобальные изменения климата: прогнозы и реальность // Жизнь Земли. Т. 41. № 2. 2019. С. 148-164.
19. Сравнение стоимости электроэнергии по странам (www.vrx.ru/treasury/346.html).
20. Тарифы на электроэнергию для средних предприятий в 2019 T.(www. time2.save.ru/ articals).
21. Юлкин М.А. Низкоуглеродное развитие: от теории к практике. М., 2018. 84 с.
22. Фаворский О.Н., Филиппов С.П., Полищук В.Л. Актуальные проблемы обеспечения энергетики страны конкурентоспособным оборудованием // Вестник РАН. 2017. Т. 87. № 7. С. 679-688.
23. Парижское соглашение. 2015 (https://unfccc.int>meetings>application>pdf>paris_agreement_ russian_).
REFERENCES
1. Akaev A.A. From RIO to Paris: achievements, problems and perspectives to win the climate change fight. Herald of RAS. 87 (7), 587-598 (2017) (in Russian).
2. Great Soviet Encyclopedia.3-d Ed. V 19. P.578-579 (Moscow, Soviet E cyclopedia,1975) (in Russian).
3. Bulatkin G.A. Study of the Efficiency of Energy Crops using Chinese silvergrass miscanthus (Miscanthus sinensis Anderss). Ecological and Economic Aspects. Ecological Bulletin of Russia. 11, 32-34 (2018) (in Russian).
4. Deneko V.N. Machinery and mechanisms for forest nursery. 27 p. (Yekaterinburg, 2003) (in Russian).
5. Diesel fuel Evro 5 (www.dt-24.ru) (in Russian).
6. Zamolodchikov D.G., Korovin G.N., Gitarskii M.P. The budget of carbon balance of managed forests in the Russian Federation. Forestry. 6, 23-34 (2007) (in Russian).
7. Zastenskii L.S., Nevolin N.N. Machines and mechanisms of forestry and forestry vehicle employment. 395 p. (Vologda, 2000) (in Russian).
8. Zinchenko V., Yashin M. Energy of miscanthus. Forestry Industry. 6, 134-141 (2011) (in Russian).
9. Kudeyarov V.N. Carbon balance of land ecosystems in the territory of Russia. Herald of RAS. 88 (2), 179-183 (2018) (in Russian).
10. Losev K.S. Paradoxes that help to fight global warming. Herald of RAS. 79 (1), 36-42 (2009) (in Russian).
11. Makarov A.A. Scenarios of energetic strategy in Russia to 2050. In: Costs and benefits of low-carbon energy economics and transformation of the society in Russia. P. 143-151 (Moscow, 2014) (in Russian).
12. Melnikova S.I., Yakovleva D.D. Power economy in Germany: a range of paradoxes. Ecological Bulletin of Russia. 10, 18-22 (2018) (in Russian).
13. Nechaev A. The world community is on the threshold of green revolution. 2016 (www.hse.ru/ news/188171386.html) (in Russian).
14. Odum Yu. Agricultiral ecosystems. P. 223 (Moscow, Agropromizdat, 1987) (in Russian).
15. Executive Order of The Ministry of Natural Resources and Environment of the Russian Federation (Minprirody of Russia) dated 30.06. 2017 № 20 Quantification guidance: Greenhouse gas emissions: as a result of land-use, land-use change and forestry (LULUCF) (in Russian).
16. Rizner B., Nagorov V.N. The plan of the development of power economy ofthe Federal Government in Germany to 2050 - fundamentals of sustainable ecological development. Energetics. News of Higher Educational Institutions and Energy Contract Volume Organizations in CIS. 5, 75-83 (2011) (in Russian).
17. Smurov A.V. Ecology and economy (the unity and opposite). Zhizn'Zemli [The Life of Earth].
40 (1), 4-11 (2018) (in Russian).
18. Snakin V.V. Global climate changes: forecasts and reality. Zhizn' Zemli [The Life of Earth].
41 (2), 148-164 (2019) (in Russian).
19. Comparison of the cost of electricity by country (www.vrx.ru/treasury/346.html) (in Russian).
20. Table of rates on electric energy for medium-sized enterprises in 2019 (www. time2.save.ru/ articals) (in Russian).
21. Yulkin M.A. Low-carbon development: from theory to practice. 84 p. (Moscow, 2018) (in Russian).
22. Favorsky O.N., Phillipov S.P., Polishchuk V.L. Actual problems of providing the country's energy with competitive equipment. Herald of RAS. 87 (7), 679-688 (2017) (in Russian).
23. Paris climate agreement, 2015 (https://unfccc.int>meetings>application>pdf>paris_agreement_ russian).
