14.6. Сучасний стан та перспективи застосування твердого біопалива в світі

На сьогодні біомаса - четверте за значенням паливо в світі, яке дає близько 2 млрд. т умовного палива (у.п.) в рік, що складає близько 14 % загальносвітового споживання первинних енергоносіїв (у країнах, що розвиваються, - понад 30 %, а іноді і 50-80 %). Виробництво енергії з поновлюваних джерел, в тому числі біомаси, динамічно розвивається в більшості країн Європи. У 1995 р. в ЄС на частку поновлюваних джерел енергії припадало 74,3 млн. т нафтового еквівалента (н.е.), що складало близько 6 % від загального споживання первинних енергоносіїв. З них на біомасу припадало понад 60 %, що складало майже 3 % загального споживання первинних енергоносіїв. В окремих країнах частка біомаси в загальному споживанні первинних енергоносіїв значно перевищувала середньоєвропейську: у Фінляндії - 23 % (світовий лідер серед розвинених країн), Швеції - 18 %, Австрії - 12 %, Данії - 8 %, Канаді та Німеччині - 6 %, США - 3 %.

Відповідно до програми розвитку поновлюваних джерел енергії, в 2010 р. в країнах ЄС частка біомаси досягнула 182 млн. т н.е., або 74 % загального внеску поновлюваних джерел енергії [87]. Ці ж країни лідирують і за використанням біомаси для виробництва теплової енергії (станом на 2005 р.): Швеція - 66 % всієї теплової енергії виробляється з біомаси, Австрія - 29 %, Данія - 30 %, Фінляндія - 28 %. Швидкими темпами розвивається виробництво теплової енергії з біомаси в Німеччині і нині становить 5,5 % від загального виробництва теплоти.

На сьогоднішній день собівартість електроенергії з біомаси на когенераційних установках становить близько 20 $/МВтгод при умові, що біомаса отримується безплатно. Якщо ж вартість біомаси з врахуванням доставки становить 3 $/ГДж, собівартість електроенергії зростає до 40 $/МВтгод. Вартість виробництва електроенергії з біомаси для новітніх технологій становить 100-130 $/МВтгод при вартості біомаси 3 $/ГДж. При цьому собівартість знижується залежно від ціни проданого тепла або ж якщо є дешевша біомаса. Потенціал зниження собівартості обмежується можливістю отримання достатньої кількості біомаси. Для крупних станцій економія за рахунок зростання виробництва має бути більшою зростання вартості біомаси при її вирощуванні у великих масштабах (з врахуванням доставки) [151].

14.7. Сучасний стан та перспективи застосування твердого біопалива в Україні

Однією з вимог до країн - кандидатів в ЄС - є рівень використання поновлюваних джерел енергії не нижчий середньоєвропейського. Тому для України, яка має намір інтегруватися до Європи, це - додатковий аргумент на користь активного розвитку поновлюваних джерел енергії, в першу чергу біоенергетики.

Україна володіє значним потенціалом біомаси, доступної для отримання енергії, - до 24,2 млн. т у.п./рік. Основними складовими потенціалу біомаси є солома (5,6 млн. т у.п./рік) та інші відходи сільського господарства (стебла, качани, лушпиння тощо) - 4,7 млн. т у.п./рік [49]. Щорічні відходи сільського господарства (солома, стебло та качани кукурудзи, стебло й лушпиння соняшнику) становлять 49 млн. т, з яких на власні потреби сільських господарств використовується приблизно 34 млн. т, решта - потенційно може бути використана для виробництва енергії [140]. За площею лісів Україна займає восьме місце в Європі з лісовим фондом в 15,7 % територій України (головним чином, Карпати та Полісся). За 50 років лісистість зросла майже в 1,5 разу, а запас дерева - в 2,5 разу і досяг 1,8 млрд. м . Потенціал деревної біомаси, який може бути використаний для енергетичних цілей, становить 2 млн. т умовного палива [143]. За оцінками українських фахівців, для енергетичних цілей в Україні

₃₃

щорічно можна використовувати до 1,4 млн. м³ відходів лісовирубки, 1,1 млн. м³ відходів деревообробки, та 3,8 млн. м³ дров. [140]. У перспективі відходи біомаси і торф можуть забезпечити понад 10 % загальної потреби України в первинній енергії [63]. На сьогодні Україна споживає близько 1 млн. т у.п. у вигляді деревного палива, вживаного для опалювання приватних будинків, а також в більш ніж 1000 котлах, які встановлені на підприємствах лісової і деревообробної галузей. [143]. Використання всієї енергії біомаси в Україні становить 38 ПДж/рік (10,6 ТВтгод/рік теплової енергії), що відповідає 0,65 % від загального споживання первинних енергоресурсів, тоді як енергетичний потенціал складає близько 12 % [140].

Енергетичний потенціал біомаси в Україні представлено в табл. 14.12.

Звалищний газ	0,3
Відходи деревини	2,0
Паливо з твердих побутових відходів	1,9
Рідкі палива з біомаси (біодизель, біоетанол тощо)	2,2
Енергетичні культури (верба, тополя тощо)	5,1
Торф	0,6
ВСЬОГО	24,2

Вартість біомаси як палива в перерахунку на одиницю енергії істотно менша вартості природного газу. Так при середніх цінах на солому як паливо 100 грн./т (при теплотворній здатності 17 МДж/кг) вартість 1 ГДж енергії складатиме близько 6 грн. Відповідно показники на деревне паливо складають - 80 грн./т (при середній теплотворній здатності 10-12 МДж/кг) і 7 грн ./ГДж, а на природний газ - 550 грн./1000 м (при теплотворній здатності 35 МДж/м ) і 16 грн./ГДж. Таким чином, при вказаних цінах солома в 2,6 разу, а деревне паливо в 2,3 разу дешевші за природний газ. Досить часто місцеві види палива можуть бути значно дешевшими, а в окремих випадках навіть мати нульову ціну [63].

Виробництво тепла з біомаси є конкурентноспроможним вже зараз, навіть за використання закордонного обладнання. При певних умовах, таких як утилізація власних відходів з нульовою вартістю (наприклад, відходи деревини на деревообробному підприємстві, надлишки соломи на фермі) та використання вітчизняного обладнання (котли українського виробництва), виробництво тепла з біомаси може бути більш реальним, ніж з дорогих викопних палив. Багато деревообробних підприємств та лісогосподарств переобладнали власні котли на вугіллі та мазуті для спалення власних відходів з деревини. Загальна кількість таких котлів в Україні становить близько 1000 одиниць, що становить майже 75 % всіх котлів, що працюють в деревообробній та лісовій промисловості. Зазвичай переобладнані котли мають дуже низький ККД та високий рівень викидів. Велика кількість котлів на деревині українського виробництва працює на різних українських підприємствах, переважно це водогрійні котли потужністю до 1 МВт. Багато вітчизняних котлів та печей на деревині знаходяться в приватному користуванні, особливо в сільській місцевості [140].

Ефективне використання котлів на твердому біопаливі обумовлене розробкою сучасних технологій підготовки сировини, систем автоматичного управління процесом спалювання та спеціальних (керамічних) матеріалів камер згорання. Автоматичні водяні опалювальні котли КОВА призначені для обігріву житлових будинків, дач і інших об'єктів із тепловим навантаженням до 25 кВт і 40 кВт. Завдяки великому об'єму топки, електронному регулюванню з використанням термостата і пальника типу реторти із завантажувальним пристроєм дані котли працюють в автоматичному режимі. Вони призначені для спалювання паливних гранул з деревини й рослинної біомаси.

Котли газифікації призначені для спалювання кускової деревини діаметром 80-150 мм з вологістю до 20 % й паливних брикетів з біомаси. Також в камеру завантаження можна додавати до 10 % стружки чи інших дрібних деревних відходів. Підвищення ефективності котлів газифікації викликається встановленням акумулюючих місткостей, які можуть продовжувати роботу опалювальної системи протягом 1-3 днів після останнього завантаження біопалива. Для котла КОВП-25 достатньо, щоб об'єм акумулюючої місткості складав до 1500 літрів. Установка котла з місткістю акумуляції приносить ще кілька вигод. По-перше, зменшується на 20-30% витрата біопалива, бо котел працює на повну потужність з максимальною ефективністю аж до повного завершення роботи. По-друге, подовжуються терміни служби котла і димаря, бо відбувається мінімальне утворення дьогтю і кислот при мінімізації роботи котла на перехідних режимах. Нарешті, зростає комфортність опалювальної системи, а також її екологічна безпека. Генераторний газ в процесі згорання взаємодіє з активним вуглецем, унаслідок чого димові гази на виході з котлів газифікації майже не містять шкідливих домішок, а також істотно скорочують викиди СО₂ в довкілля. Потреба в паливі при номінальному навантаженні складає відповідно 6 та 25 кг за годину при потужностях 25 і 100 кВт відповідно. А коефіцієнт корисної дії даних котлів становить не менше 80-85 % [17].

На відміну від використання лісової деревини впровадження швидкоростучих плантацій енергетичних культур в Україні знаходиться тільки на стадії експериментальних досліджень. Існують спроби вивести нові швидкоростучі сорти багаторічних трав, а також адаптувати вже відомі культури в ґрунтово-кліматичні умови та технології землеробства України. Особливу популярність завоював щавнат (щавель гібридний овочево-кормовий сорту Румекс). Харківські аграрії вперше в Україні почали висівати міскантус, суху біомасу якого планується переробляти на паливні гранули й використовувати для спалювання на ТЕС замість вугілля чи мазуту, а також продавати як біологічне паливо та експортувати за кордон. Великий потенціал організації енергетичних плантацій на землях, які зараз не використовуються (землі, що піддалися радіоактивному забрудненню) або використовуються в Україні неефективно, може сприяти підвищенню частки біомаси в енергетичному балансі країни до 20­25 %, адже в зоні радіоактивного забруднення вирощування продовольчих культур обмежене, а відтак є можливість замінити їх культурами енергетичними. Наприклад, дослідження показали, що рослини міскантусу накопичують незначну кількість цезію-137 [144].

Останнім часом в Україні на енергетичні потреби більш інтенсивно почали використовувати відходи сільськогосподарського виробництва (солому, лушпиння).

Основною олійною культурою в Україні є соняшник, середня урожайність якого в нас становить 9-12,8 ц/га (в деяких передових господарствах до 30 ц/га). Валовий збір насіння соняшнику в 2006 р. становив 5 млн. 320 тис. т. Україна володіє потужним комплексом підприємств з переробки олійних культур в рослинну олію, до якого входять 18 олієекстракційних заводів, 50 олієпресових заводів і близько 1000 невеликих маслобійок, на яких це насіння переробляється в олію. Проте, оскільки соняшникове лушпиння містить близько 1 % восків, які негативно впливають на товарну якість олії, перед її отриманням насіння очищається від лушпиння. При цьому вихід лушпиння становить 11-20 % від маси насіння, тобто 580-1100 тис. т, а вміст клітковини (целюлози та лігніну) в ньому складає 56-59 % [182]. Нині лушпиння соняшнику переробляється на 88 % (табл. 14.16), а тому ще існує потенціал в 12 %, який можна задіяти для виробництва енергії.

За останні 10 років майже всі великі підприємства олієжирового комплексу України впровадили технологію спалювання лушпиння. На підприємствах пра­цюють котли трьох типів. По-перше, це сучасні котли іноземних виробників, таких як Уупеке (Бельгія), ІШако (Польща), ЬагсІеі-ВаЬсоск (Франція). По-друге, це обладнання спроектоване і виготовлене на заводах України та Росії. Крім того, на деяких підприємствах працюють старі котли, призначені для спалювання викопних палив, що були переобладнані під спалювання лушпиння. Потужність котлів на підприємствах олієжирового комплексу знаходиться в основному в діапазоні 10-20 т пари/год. Наприклад, котел потужністю 16 т пари/год, запущений в роботу на Вінницькому олієжировому комбінаті (ОЖК) в кінці 2006 р., вирішує одночасно декілька нагальних проблем. На підприємстві щоденно утворюється до 70 т лушпиння соняшнику, утилізація якого раніше була проблемою комбінату. Практично все лушпиння вивозилося на звалище за місто, що не могло продовжуватися безкінечно, беручи до уваги щорічне посилення екологічного законодавства в Україні. При цьому Вінницький ОЖК купував теплову енергію у місцевих тепломереж. Із введенням в експлуатацію нового котла комбінат позбувся проблеми утилізації лушпиння і нині на 60 % сам задовольняє потребу в тепловій енергії. Це забезпечує щомісячну економію близько 500 тис. гривень і дозволяє окупити вкладені кошти за два роки. Котел, розроблений конструкторським бюро "Енергомашпроект", має настільки високі параметри, що в разі потреби може приводити до дії парову турбіну з генератором, забезпечуючи підприємство власною електроенергією. Іншим цікавим прикладом є ВАТ "Кіровоградолія", де також встановлено котли, спроектовані "Енергомашпроектом". Підприємство не тільки повністю задовольняє свою потребу у тепловій енергії завдяки спалюванню лушпиння соняшнику, але й має надлишок теплоти, який готове постачати у місцеву теплову мережу. На "Кіровоградолії" також встановлено парову турбіну, завдяки чому підприємство забезпечене власною електроенергією.

Останнім часом спостерігається активізація діяльності щодо гранулювання лушпиння соняшнику та експорту цієї продукції. Лінії з виробництва паливних гранул із лушпиння соняшнику розташовані на Пологівському олієекстракційному заводі (ОЕЗ), протеїновому заводі ВАТ "Миронівський хлібопродукт", Мелітопольському ОЕЗ та інших підприємствах.

Більша частина паливних гранул продається у європейські країни, де на них є досить великий попит. Типова ціна гранул, що йдуть на експорт, становить 100 євро/т, на внутрішньому ринку в 2007 р. вони реалізовувались за 300 грн./т, до 2011 р. ціна перевищила 1000 грн./т. Більша частина експорту гранульованого лушпиння з України відбувається морським шляхом, в основному через Хер­сонський порт (до 72 % всього об'єму морського експорту), решта - через Маріупольський, Миколаївський, Південний, Одеський, Ізмаїльський та деякі інші порти. Типовий обсяг місячного експорту лушпиння соняшнику становить 6-14 тис. т за такими напрямками: Нідерланди, Греція, Туреччина, Ізраїль. Наземним транспортом гранули також вивозяться до Німеччини, Польщі, Швеції

[79].

Сільське господарство України щорічно виробляє майже 24 млн. т соломи, з якої близько 80 % заорюють у ґрунт (свіжу солому з мінеральними добривами або в вигляді гною) для відновлення його родючості, а решту 20% (тобто 4,8 млн. т) -можна використовувати для господарчих потреб, в тому числі й для отримання теплової енергії, адже за тепловою цінністю солома не поступається деревині, а платити за цей вид палива господарствам, що вирощують зернові та олійні культури, не потрібно. В дійсності ж значна частина соломи спалюється на полях, наносячи родючості ґрунтів значну шкоду, оскільки призводить до втрати азоту, органічної речовини і знищення ґрунтової фауни, нормальне біологічне функціонування якої може відновитись лише через 2-3 місяці. На сьогодні, за даними Т.А. Желєзної, 65 % соломи залишається на полі і спалюється, 24,2 % -використовується як підстилка для тварин, 10,2 % - приорюється як органічне добриво, 0,22 % - як субстрат для вирощування грибів і тільки 0,05 % - в якості палива.

Першим соломоспалювальним котлом, встановленим в Україні, є котел потужністю 980 кВт, що працює в с. Дрозди Київської області в агрофірмі "ДіМ". Він забезпечує теплопостачання Будинку культури, середньої школи, дитячого садка, адміністративних приміщень і чотирьох двоповерхових будинків, приєднаних до центральної теплової мережі. Після успішного впровадження першого котла українська компанія ВАТ "Південтеплоенергомонтаж" придбала у датської компанії РаББаї-Епе^у ліцензію на виробництво таких котлів в Україні. У січні 2006 р. в с. Струтінка Вінницької області запрацював перший соломоспалювальний котел українського виробництва за датською ліцензією. Для забезпечення тепловою енергією млина фермерське господарство ТОВ "Рапсодія" встановило котел потужністю 250 кВт.

Науково-технічний центр "Біомаса" (м. Київ), спираючись на світовий та власний досвід, розробив та розпочав виробництво котлів потужністю 350 кВт для спалювання круглих та прямокутних тюків. Ведеться розробка котлів по­тужністю 250, 500 та 1000 кВт для серійного виробництва машинобудівними підприємствами Київської області. Акціонерне товариство "Бриг" (м. Первомайськ) освоїло виробництво повітряних теплогенераторів ТГС потужністю 100, 200 та 500 кВт, що призначені для отримання нагрітого до 80­140°С атмосферного повітря за рахунок спалювання тюків соломи. Таке обладнання може використовуватися для цілодобового обігріву виробничих приміщень та тваринницьких ферм, ангарів, гаражів, майстерень, а також в технологічних процесах сушки зерна та круп. Торговельний дім "Теплосфера" (м. Одеса) налагодив виробництво водогрійних котлів серії КРГ потужністю 12, 40, 100 кВт, що працюють на відходах біомаси, включаючи малі прямокутні тюки соломи вагою 10-15 кг, а також солом'яні брикети. ТОВ Торговельний дім "Крігер" (м. Житомир) виробляє водогрійні котли потужністю 100-1500 кВт з автоматизованою системою подачі палива, які призначені для спалювання подрібнених відходів, включаючи лушпиння, тріски, тирсу, солому та паливні гранули. Для котлів з ручною загрузкою можливе спалювання солом'яних та торф'яних брикетів. Станом на весну 2007 р. в Україні працювало дев'ять соломоспалювальних котлів загальною тепловою потужністю 4 МВт [82].