Оценка и прогноз потенциала твердого топлива

Оценка и прогноз потенциала твердого топлива

 

 

Твердое биотопливо, которое включает в себя солому зерновых, зернобобовых и технических культур, стебли кукурузы, подсолнечника, а также отходы древесины, является возобновляемым сырьем. Количество соломы напрямую зависит от валового сбора урожая сельскохозяйственных культур, который во многом определяется погодно-климатическими условиями, структурой посевных площадей и т.д. В то же время для прогнозирования развития биоэнергетики необходимо знание потенциала твердого биотоплива и характер его изменения. Существующие методики оценки базируются на трех основных видах потенциала биомассы – теоретическом, техническом и экономическом, между которыми иногда нет четких границ, в результате чего оценки потенциала существенно отличаются. В статье приводится уточнение известных методик расчетов потенциалов биомассы, направленное на определение единого энергетического потенциала биотоплива. Для достижения поставленной цели в настоящей работе применен ресурсно-ориентированный подход оценки энергетического потенциала твердой биомассы на основании статистических данных по валовому сбору сельскохозяйственных культур, представляющих интерес для производства биотоплива, а также по объему заготовки леса в стране за период 1990-2010 годов.

 Энергетический потенциал  растительных отходов. Объемы  растительных отходов слагаются  из отходов, получаемых в результате  сбора урожая зерновых и технических  культур, первичной переработки  подсолнечника, а также объемов  энергетических растений. Главнейшим  источником топливных отходов  сельскохозяйственных растений, в  первую очередь, являются зерновые  культуры и, во вторую очередь,  – технические. Среди отходов  этих культур доминирующее положение  по ежегодным сборам принадлежит  соломе. Наиболее точно оценить  количество растительных отходов  можно, используя официальные  статистические данные по валовому  сбору урожая зерна. Тогда количество  отходов находится из зависимости

 

                             Вот = Взер ∙ Кот ,                                                                       (1)       

                                                                                                     

где Вот – количество растительных отходов; Взе – количество зерна; Кот – коэффициент отходов. Коэффициент отходов является безразмерной величиной и определяет выход соломы или стеблей растений в зависимости от количества зерна.

Как известно, часть соломы пшеницы, ячменя, овса используется для  содержания скота, а солома, например, гречихи, рапса не применяется в  животноводстве. Поэтому для оценки части отходов, которые могут  быть использованы в качестве топлива  для производства энергии, применим коэффициент энергетического использования  растительных отходов Кэн. Для учета потерь, возникающих при сборе и транспортировке соломы, введем коэффициент Кп.  Тогда количество отходов, доступных для производства топлива, определим из выражения

 

Вэн = Взер × Кот × (1-Кп) × Кэн,                                                             (2)

                                                                                                    

Коэффициенты Кот,  Кn и Кэн были определены нами в результате обработки фактических данных по валовому сбору зерна и соломы в различных регионах страны.

 

В таблице 1 приведены значения указанных коэффициентов.

 

 

 

 

Таблица 1

Значение коэффициентов  для основных растительных отходов

№

Наименование культуры и  отходов

Коэффициенты

 

 

отходов, Кот

потерь, Кп

энергетического использования, Кэн

1.

Солома зерновых и зернобобовых

1,0

0,1

0,7

2.

Солома рапса

1,8

0,1

1,0

3.

Солома сои

1,3

0,1

1,0

4.

Кукуруза (стебли)

1,2

0,25

1,0

5.

Подсолнечник (стебли)

3,5

0,3

1,0

6.

Подсолнечник (лузга)

0,18

0,1

1,0




 

 

Для расчета количества растительных отходов по формуле (2) использованы официальные статистические данные по валовому сбору зерна.

 

Таблица 2

Результаты расчетов

 

годы

 

1990

1995

2000

2005

2006

2007

2008

2009

2010

Валовой сбор зерна, Взер, тыс.т

Зерновые и зернобобовые*

46272,2

30538

20610,9

30848,

27832,7

21873,8

41843,3

35542

27317,9

Рапс

130,2

39,8

131,8

284,8

605,7

1047,4

2872,8

1279,3

1469,7

Соя

99,3

22,3

64,4

612,6

889,6

722,6

812,8

1043,5

1680,2

Кукуруза

4736,8

3391,8

3848,1

7166,6

6425,6

7421,1

11446,8

10486,3

11953

Подсолнечник

2570,8

2859,9

3457,4

4706,1

5324,3

4174,4

6526,2

6364

6771,5

Количество растительных отходов, Вэн, тыс.т

Солома зерновых и зернобобовых*

29151,5

19238,9

12984,8

19435,4

17534,6

13780,5

26361,3

22391

17210,3

Солома рапса

210,9

54,9

83

461,4

981,2

1696,8

4653,9

3034,7

2380,9

Солома сои

116,2

26,1

75,3

716,7

1040,8

845,4

951

1220,9

1965,8

Кукуруза (стебли)

4263,1

3052,6

3463,3

6449,9

5783

6679

10302,1

9437,7

10757,7

Подсолнечник (стебли)

6298,5

7006,7

8470,6

11529,9

13444,4

10227,3

15989,2

15591,8

16590,8

Подсолнечник (лузга)

416,5

463,3

560,1

762,4

862,5

676,3

1057,2

1031

1097

всего

40456,7

29842,5

25637,2

39355,7

39646,5

33905,3

59314,7

52707,1

50001,9


*без кукурузы

Пример расчета количества отходов соломы рапса  за год по формуле (2):

 

Вэн = Взер × Кот × (1-Кп) × Кэн = 2872,8 × 1,8 × (1-0,1) × 1,0 = 4653,9 тыс.т

 

 

 

 

Энергетический потенциал  растительных отходов определяется по выражению

 

Пэн = Вэн ×

/ 7000, кг у. т.,                                                            (3)

 

где – низшая теплота сгорания рабочего топлива из растительных отходов, ккал/кг; 7000 ккал – теплотворная способность 1 кг условного топлива.

Так как  зависит от влажности отходов, то значения принимались по литературным данным для воздушно-сухих отходов влажностью 18-20%. Солома зерновых и зернобобовых культур =3000 ккал/ кг; рапса – 3660; сои – 3800; стебли кукурузы – 3270; стебли подсолнечника – 3200; лузга подсолнечника – 3750 ккал/кг.

       

 Таблица 3

Результаты расчета энергетического  потенциала

 

Годы

Количество условного  топлива Пэн, тыс.т.у.т.

Зерновые и зернобобовые*

рапс

соя

кукуруза

Подсолнечник

всего

стебли

лузга

1990

12493,5

110,2

63,1

1991,5

2879,3

223,1

17760,7

1995

8245,2

28,7

14,2

1426,0

3203,0

248,2

13165,3

2000

5564,9

43,4

40,9

1617,8

3872,3

300,0

11439,3

2005

8329,4

241,2

389,1

3013,0

5270,8

408,4

17651,9

2006

7514,8

513,0

565,0

2701,5

6146,0

462,1

17902,4

2007

5905,9

887,2

458,9

3120,0

4675,3

362,3

15409,6

2008

11297,7

2433,3

516,2

4812,5

7309,3

566,4

26935,4

2009

9595,7

1586,7

662,7

4408,7

7127,7

552,3

23933,8

2010

7375,8

1244,9

1067,1

5025,4

7584,1

587,7

22885,0

Среднегодовое

8480,3

787,6

419,7

3124,0

5340,9

412,3

18564,8




 

          *без кукурузы

Пример расчета энергетического потенциала соломы рапса за 2008 год по формуле (3)

 

Пэн =

 

Как видно из таблицы 3, наибольший энергетический потенциал растительных отходов был в 2008 г и составил почти 27 млн. т у. т.

Энергетический  потенциал отходов древесины. В процессе вырубки деревьев в лесу, распиловки бревен на пиломатериалы и изготовления изделий из них образуются древесные отходы. На рисунке 1 представлена схема образования древесных отходов.

Рисунок 1. Номенкулатура древесных отходов лесопиления и деревообработки

Как следует из рис. 1, около 29% древесных отходов образуется во время распиловки бревен на пиломатериалы. Вторая часть отходов древесины, примерно 65% от объема пиломатериалов, образуется на мебельных фабриках. Технологии лесопиления и дере-вообработки постоянно совершенствуются, в результате чего уменьшается объем отходов, поэтому принято, что объем древесных отходов составляет 40% от объемов заготовки древесины. Статистические данные об объемах заготовки древесины могут служить базой для определения реального объема отходов.

Известно, что при заготовке деловой древесины в лесу остаются верхушки, ветви и сучья толщиной 20 - 70 мм, количество которых оценивается примерно 10% от заготовленного леса. Поэтому общий коэффициент отходов древесины Кдр будет составлять ≈0,5 от объема заготовки леса. Для перехода к весу древесины ее средняя плотность принята ρдр=0,61 т/ м3.

Теплотворная способность  древесины существенно зависит от ее влажности. Принято, что влажность заготавливаемой древесины составляет 50%, а низшая теплотворная способность 2010 ккал/кг. На основании принятых допущений определим тепловой эквивалент древесины как отношение ее низшей теплотворной способности к теплотворной способности условного топлива (7000 ккал/кг):

 

                                                                (4)

 

Таким образом, 1 т сырой древесины замещает 0,29 т условного топлива. Энергетический потенциал отходов древесины определяется по выражению

 

Пдр = Вдр × Кдр × rдр × Ет, , т.у.т.                                                                  (5)

 

где Вдр– объем заготовки древесины, м3

 

В таблице 4 представлены данные об объемах заготовки древесины , количества отходов и количества условного топлива.

 

 

 

 

 

Таблица 4

Количество условного  топлива из отходов древесины

Годы

Заготовка древесины, тыс. м3

Посадка леса, тыс. га

Количество отходов

Количество условного  топлива, тыс. т

тыс. м3

тыс. т

1990

12642,0

37,5

6321,0

3855,8

1118,2

1991

10833,0

33,7

5416,5

3304,1

958,2

1992

10183,0

31,9

5091,5

3105,8

900,7

1993

9649,0

29,7

4824,5

2942,9

853,5

1994

9959,0

33,1

4979,5

3037,5

880,9

1995

9741,0

38,4

4870,5

2971,0

861,6

1996

9176,0

38,5

4588,0

2798,7

811,6

1997

10597,0

38,5

5298,5

3232,1

937,3

1998

10548,7

36,7

5274,35

3217,4

933,0

1999

10308,7

38,6

5154,35

3144,1

911,8

2000

11261,7

37,8

5630,85

3434,8

996,1

2001

12022,3

42,6

6011,15

3666,8

1063,4

2002

12826,8

45,9

6413,4

3912,2

1134,5

2003

15953,3

48,3

7976,65

4865,7

1411,1

2004

17300,7

53,9

8650,35

5276,7

1530,2

2005

17124,3

58,6

8562,15

5529,9

1514,6

2006

17759,8

66,7

8879,9

5416,7

1570,8

2007

19013,9

73,6

9506,95

5799,2

1681,7

2008

17687,5

80,2

8843,75

5393,7

1564,4

2009

15876,5

80,9

7938,25

4842,3

1404,2

2010

16145,6

91,3

8072,8

4924,4

1428,1

среднегодовое

13171,8

–

6585,9

4017,4

1165,0


 

Пример расчета количества условного топлива из отходов древесины за 2008 год по формуле (5)

 

Пдр = 17687,5 тыс.м3 × 0,5 × 0,61 т/м3 × 0,29 = 1564,4 т.у.т.

 

Как видно из таблицы 4, средние объемы заготовки древесины за период 1990-2010 годов составили более 3 млн. м3 в год, а количество условного топлива из отходов составило примерно 1,16 млн. т у. т. в год. Посадки леса за этот же период увеличились почти в 2,4 раза и приближаются к рубежу 100 тыс. га за год.

Энергетические  растения. Энергетические растения можно разделить на три группы:

– однолетние травы (сорго, тритикале);

– многолетние травы (мискантус, шавнат);

– быстрорастущие деревья (тополь, лоза).

Уборка мискантуса производится ранней весной при влажности 15-23%. Средняя урожайность составляет 8-15 т сухой массы с гектара, теплота сгорания 17-19,5 МДж/кг. Мискантус можно выращивать на грунтах, непригодных для выращивания сельскохозяйственных культур. Для определения выхода условного топлива с гектара мискантуса примем средний выход сухой массы 12 т/га и среднюю теплоту сгорания 18 МДж/кг. Тогда:

 

 кг у.т./га = 7,37 т у.т./га   ,

где 29,31 МДж/кг – теплотворная способность условного топлива.

Период роста лозы 25-30 лет, урожай собирают каждые 3-4 года. Наибольшая урожайность лозы на 4-5-ый год выращивания и составляет 16-20 т сухой массы с гектара, теплота сгорания 18 МДж/кг. Урожай собирают кормоуборочными машинами в ноябре-апреле при влажности около 50%. С учетом периодичности сбора лозы, годовой урожай составит 4-5 т сухой массы с гектара, что в 2-2,5 раза меньше чем урожайность мискантуса, хотя теплота сгорания у них примерно одинаковая. Лозу рекомендуется выращивать в поймах рек, на заболоченных грунтах и на радиоактивно – загрязненных землях. Так, за 1 день интенсивной вегетации один куст лозы способен испарить 15-20 литров воды. Густая и очень глубокая корневая система лозы способна усваивать тяжелые металлы, которые накапливаются в грунте. Примем средний выход сухой массы лозы 4,5 т/га и среднюю теплоту сгорания 18 МДж/кг. Тогда:

 

т у.т./га

 

Сравнение энергетических потенциалов растительных отходов  и древесины.

Средний энергетический потенциал растительных отходов за период 1990-2010 годов составил 18,56 млн. т у. т. (табл. 3), а средний энергетический потенциал древесины за этот же период составил всего 1,16 млн. т у. т. (табл. 4). Таким образом, из растительных отходов можно получить энергии в 16 раз больше, чем из древесины. Впрочем, до последнего времени растительные отходы практически не использовались в качестве энергоносителя. Наибольший потенциал среди растительных отходов у соломы зерновых и зерно-бобовых культур (8,48 млн. т у. т.), стеблей и лузги подсолнечника (5,75 млн. т у. т.), стеблей кукурузы (3,12 млн. т у. т.). Начиная с 2005 года, в несколько раз возрос потенциал соломы рапса и сои, и в 2010 г. достиг соответственно 1,24 и 1,07 млн. т у. т., приближаясь к потенциалу древесины. За период 2003-2010 годов заготовка древесины установилась на уровне 17 млн. м3в год, в связи с чем потенциал отходов древесины возрос до уровня 1,5 млн. т у. т. в год.

На рисунке 2 представлена динамика изменения энергетических потенциалов растительных отходов и древесины. Как следует из рис. 2, начиная с 2005 года суммарный энергетический потенциал растительных отходов и древесины составил более 20 млн. т у. т. в год, что составляет примерно 10% всего энергопотребления страны.

 

Рисунок 2. Динамика изменения  энергетических потенциалов растительных отходов и древесины.

Прогнозирование энергетического потенциала твердого биотоплива до 2020 года.

Существуют различные сценарии прогнозирования энергетического потенциала биомассы. Один из них заключается в том, что в настоящее время не используемая часть пашни может быть направлена на выращивание энергетических культур. На протяжении последних 10 лет не используемая площадь пашни составляет 3-5 млн. га. Другой сценарий заключается в том, что увеличение количества растительных отходов будет происходить как за счет применения новых, высокоурожайных сортов продовольственных культур, так и за счет вовлечения в сельхозоборот свободной пашни, преимущественно под продовольственные культуры. Энергетические растения целесообразно выращивать на малоплодородных, переувлажненных, радиоактивно-загрязненных землях, площадь которых составляет около 2 млн. га. Дальнейший прогноз выполнен по второму сценарию.

Солома зерновых и зернобобовых культур. Валовой сбор зерновых и зернобобовых культур будет неуклонно увеличиваться и к 2020 году достигнет уровня 70-75 млн. т, за счет повышения урожайности до европейского уровня, а также за счет вовлечения в сельхозоборот не обрабатываемой пашни. Этому будет способствовать растущий мировой спрос на продовольствие. Ожидается, что на энергетические цели можно будет использовать примерно 60% соломы, из которой путем переработки в тюки, брикеты, агропеллеты будет получено 15,2-16,0 млн. т у. т.

Стебли подсолнечника. Производство подсолнечника за период 2008-2010 годов достигло максимума и стабилизировалось на уровне 6,5 млн. т. Можно ожидать небольшой рост урожая до 7,0-7,5 млн. т. Количество условного топлива из стеблей и лузги подсолнечника составит 7,7-9,2 млн. т. у. т. Главная задача будет заключаться в подборе комплекса сельхозмашин для уборки стеблей, тюкования и производства брикетов.

Стебли кукурузы. Производство кукурузы на зерно за последние 3 года также достигло максимума и стабилизировалось на уровне 11,3 млн. т зерна. В связи с ростом производства биоэтанола из кукурузы ожидается увеличение урожая кукурузы до 14 млн. т зерна на рубеже 2020 г. Количество условного топлива из стеблей кукурузы может составить 4,5-6,5 млн. т у. т. Для переработки стеблей кукурузы в брикеты также необходимо подобрать комплекс сельскохозяйственных машин, которые обеспечат уборку стеблей после зимы (март–апрель).

Солома рапса. Производство рапса в 2010 году по сравнению с 2008 годом сократилось почти в два раза, что связано как с погодными условиями, так и с сокращением спроса на внешнем рынке (примерно 90% рапса идет на экспорт). На период до 2020 года ожидается увеличение сбора рапса до 3,5 млн. т в год. Количество условного топлива из соломы рапса соответственно составит около 3 млн. т у. т.

Солома сои. Производство сои с 2008 по 2010 год возросло в 1,8 раза, что объясняется широким применением сои в качестве пищевой культуры. Ожидается дальнейшее увеличение производства сои до 2,5-3,0 млн. т в год. Количество условного топлива из соломы сои соответственно составит примерно 2 млн. т у. т.

Отходы древесины. Заготовка древесины за период 2003-2010 годов установилась на уровне 17 тыс. м3в год. Увеличение посадки леса, которое произошло за этот период, будет превращено в товарную древесину только через 30-40 лет. Поэтому энергетический потенциал отходов древесины может быть увеличен в основном за счет использования древесины санитарных рубок, а также коры и веток деревьев. Таким образом, можно предположить, что энергетический потенциал древесных отходов увеличится от нынешних 1,5 млн. т у. т. до 2,0 млн. т у. т. к 2020 году.

Энергетические  растения. В связи с растущим спросом европейского рынка на твердое биотопливо можно ожидать резкое увеличение плантаций мискантуса и лозы. Но так как промышленные урожаи энергетических растений созревают только через 3-4 года после посадки, то только в период 2015-2020 годов биотопливо из энергетических растений появится на рынке страны. Плантации мискантуса к 2020 году составят примерно 100 тыс. га, а посадки лозы – примерно 80 тыс. га. Предполагаемое количество топлива из мискантуса составит:

 

7,37 т у.т./га∙100 тыс.га = 737 тыс.т у.т.

 

Предполагаемое количество топлива из лозы составит:

 

2,76 т 0,2у.т./га∙80 тыс.га = 220,8тыс.т у.т.

 

Общий прогноз количества топлива из энергетических растений к 2020 году:

 

737+220,8=957,8 тыс.т у.т., т. е. около 1 млн. т у.т.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Рисунок 3

Прогноз энергетического  потенциала твердого биотоплива в 2020 г.

 

 

 

Как видно из рис. 3, прогнозируемый энергетический потенциал твердого биотоплива к 2020 году может увеличиться примерно в 2 раза по сравнению со среднегодовым за предыдущий период.

Выводы

1. Уточнена методика расчета энергетического потенциала твердой биомассы страны за период 1990–2010 годов, среднегодовое значение которого составило 18,5 млн. т у. т.

2. В результате обработки фактических данных по выходу соломы в различных регионах страны уточнены опытные значения коэффициентов отходов, потерь и энергетического использования растительных отходов.

3. Установлено, что потенциал растительных отходов в 16 раз больше чем потенциал древесины (1,16 млн. т у. т./год).

4. Потенциал растительных отходов зависит от многих факторов и за период 1990–2010 годов изменился более чем в 2 раза, а потенциал древесины после 2003 года стабилизировался на уровне 1,5 млн. т у. т./год.

5. Суммарный фактически достигнутый энергетический потенциал твердого биотоплива составил более 20 млн. т у. т./год, что составляет примерно 10% всего энергопотребления страны.

6. Выполнен прогноз энергетического  потенциала твердого биотоплива  до 2020 года, который ожидается на уровне 35,4-39,7 млн. т у. т./год. Рост потенциала может быть достигнут за счет повышения урожайности зерновых культур до европейского уровня и вовлечения в севооборот не обрабатываемой пашни.


Оценка и прогноз потенциала твердого топлива 📙 Курсовая → 🆔 171882

Оценка и прогноз потенциала твердого топлива 📙 Курсовая → 🆔 171882

Оценка и прогноз потенциала твердого топлива