Продовження теми 7. Інновації в житлово-комунальному господарстві: альтернативні види палива

Лекція 14.

План лекції:

1. Біоенергетика як резерв заміщення природного газу

2. Гази, видобуті з малих газових, газоконденсатних, нафто-газоконденсатних родовищ

3. Вугілля – проблеми, нові технології спалювання

В умовах виснаження традиційних енергетичних ресурсів, напруженої екологічної ситуації, важливо активне залучення до паливно-енергетичного балансу ресурсів альтернативних видів палива. Альтернативні вид палива– це паливо (тверде, рідке, газове), яке є альтернативою відповідним традиційним видам палива і яке виробляється (видобувається) з нетрадиційних джерел та видів енергетичної сировини. Перелік основних альтернативних видів палива наведений в Законі України «Про альтернативні види палива».

Домінуючу роль (близько 46%) серед альтернативних видів палива відіграє біомаса. Сьогодні біомаса займає четверте за значенням паливо у світі, яке забезпечує 2 млрд т у. п. на рік, або 14 % загального споживання первинних енергоносіїв. Енергетичний потенціал біомаси представлено поновлювальним енергетичним потенціалом тваринницької сільськогосподарської і рослинної сільськогосподарської біомаси та енергетичним потенціалом відходів лісу. На використанні енергії біомаси заснована біоенергетика, основним продуктом якої є біопаливо -яке може використовуватися як паливо або компонент інших видів палива. Основними технологіями переробки біомаси є: пряме спалювання біомаси, термохімічне перетворення для отримання збагаченого палива (піроліз, газифікація), біологічне перетворення (анаеробна ферментація з утворенням біогазу), виробництво спиртів та масел для одержання моторного палива.

Виробництво енергії з поновлюваних джерел, в тому числі біомаси, динамічно розвивається в більшості Європейських країн. Ще в 1995 році в країнах ЄС частка відновлюваної енергетики становила 74,3 млн т нафтового еквіваленту, або близько 6% загального споживання первинних енергоносіїв. Частка біомаси в них перевищувала 60%. В окремих країнах частка біомаси в загальному споживанні первинних енергоносіїв значно перевищує середньоєвропейську: в Фінляндії - 23%, в Швеції - 18%, в Австрії -12%, у Данії - 8%, в Канаді і Німеччині - 6%, в США - 4%. В країнах ЄС за рахунок біогазу вже сьогодні отримується щороку понад 10 млн Мвт електричної та близько 10 млн Гкал теплової енергії. Лідерами з використання біогазових технологій є такі країни як: Данія, Німеччина, Велика Британія, США, Канада, Бразілія, Китай Індія та інші. Найбільш розвиненою країною в сфері використання біогазу при переробці відходів тваринництва і інших сільськогосподарських відходів є Данія. В країнах ЄС, відповідно до програми розвитку поновлюваних джерел енергії, в 2010 р. частка біомаси складатиме 182 млн т нафтового еквіваленту, що буде еквівалентне 74% спільного вкладу поновлюваних джерел енергії.

Біомаса може спеціально вирощуватися на енергетичних плантаціях у вигляді дерев або інших видів рослин, наприклад, трави. Основною перевагою при цьому є короткий період вирощування - звичайно від трьох до восьми років. Для деяких видів трав урожай може збиратися кожні 6-12 місяців. Сільськогосподарська продукція, яку вирощують для використання як біопалива, включає кукурудзу і сою (перш за все в США), льон та ріпак (перш за все в Європі), цукровий очерет в Бразилії і пальмову олію в Південно-східній Азії. Доцільними для використання можуть бути посіви рапсу. Перспективним вважається вирощування енергетичних плантацій ку­ку­­ру­д­зи, яка є одним з ефективних накопичувачів сонячної енергії у вигляді біо­ма­си та дозволяє от­ри­мати в енергетичному еквіваленті приблизно 15 т у. п. на рік з 1 га. В останні роки в Західній Європі, США та Японії динамічно розвивається виробництво нового поновлюємого виду палива із деревинних відходів – паливних брикетів і гранул (пеллет). Сьогодні ринок паливних гранул росте колосальними темпами майже 30 % на рік. В Європі деревинні гранули розглядають як «паливо майбутнього».Біоенергетика в Україні на сьогодні - одна з перспективних складових відновлювальної енергетики, яка має значний потенціал місцевих видів палива, доступних для отримання поновлювальної енергії. За розрахунками, майже 20 млрд куб. м природного газу в Україні можна заощаджувати завдяки використанню відходів деревини, соломи та біогазу. Саме стільки газу щороку імпортує наша держава.

Достатньо великим є потенціал біомаси. Теоретичний потенціал біомаси в України складає близько 50 млн т у. п., технічно досяжний – 36 млн т у. п., економічно доцільний – 27 млн т у. п. За оцінками експертів, енергетичний потенціал тільки відходів сільського господарства в Україні становить від 7,8 до 21,4 млн т у. п., з них найбільший припадає на Полтавську, Київську, Донецьку, Харківську, Дніпропетровську, Вінницьку, Кіровоградську та Черкаську області. Перспективним видом поновлюваного палива є солома – більше 20 млн т, з яких 50% - залишається на полі і спалюється без всілякої користі. Потенціал деревних відходів складає більш ніж 6 млн. куб. м, що дозволяє щорічно отримувати при їх використанні енергетичний ефект, що еквівалентний спалюванні більш ніж 1,5 млн т у. п.

Виробництво паливних брикетів та пеллет є одним з напрямків утилізації та переробки деревинних відходів та сільськогосподарської промисловості. Паливні брикети використовують як побутове і комунальне паливо, що характеризується великим вмістом вуглецю та малим змістом сірки: шкідливих негорючих залишків і домішок. Теплотворна здатність пеллет складає 4-5 кВт/кг, що в 1,5 разу більше ніж у деревини і близька до теплотворної здатності вугілля. На пеллетах успішно можуть працювати комунальні котельні, промислові підприємства та електростанції достатньо великої потужності. Технології прямого спалювання деревини, пеллет та брикетів в Україні вимагають пріоритетного розвитку.

Особливої уваги заслуговує перетворення біомаси на біогаз, оскільки в цьому випадку, окрім палива, виробляються цінні органічні добрива, необхідні для збереження гумусу в українських чорноземах. Біогаз – горючий газ, що отримується при розкладанні органічних відходів шляхом їх переробки, і являє собою суміш метану (55-85%) і вуглекислого газу (15-45%) з невеликою кількістю домішків (азот, сполуки кремнію та сірки). Теплотворна здатність біогазу (5 - 7 кВт*год./м³) визначається концентрацією метану в його складі. Кількість метану, у свою чергу, залежить від біофізикохімічних особливостей сировини, інколи – від вживаної технологи. Для виробництва біогазу використовують органічну частку побутових відходів, а також відходи тваринництва, птахівництва, рослинництва і овочівництва, деревину, відходи лісової і деревообробної промисловості, каналізаційні стоки.

Незважаючи на задекларовані наміри розширити виробництво і споживання біопалива, низку відповідних нормативно-законодавчих актів, на сьогодні частка відновлюваних джерел енергії в енергетичному балансі країни становить лише 0,8 %. Зараз в Україні промислової торгівлі біопаливом майже немає, те, що виробляється, йде на експорт, в основному це сировина - рапс і рапсове масло, а також тверде біопаливо (пеллети, брикети з пресованих стружок). Вітчизняний ринок біопалива майже не розвивається, цінову конкуренцію традиційному пальному таке паливо скласти не може. Основними причинами такого стану є недосконала система державного управління щодо організації виробництва біопалива, наукових досліджень, залучення інвестицій, мотивації енергозбереження за рахунок впровадження альтернативних видів палива та нетрадиційних джерел енергії. Головна проблема – висока вартість заводів з переробки біомаси, відносно низька теплотворна здатність палива, висока концентрація шкідливих речовин в процесі горіння, незначні локальні обсяги запасів біопалива, що визначає вузьку сферу застосування біомаси як палива - на рівні окремого підприємства або приватного житлового сектору, населення якого є часто «вимушеним» споживачем біопалива за відсутності кращої альтернативи.

Для успішної реалізації енергетичного потенціалу біогазу вимагають рішення ряд питань з ефективної організації збору, транспортування, зберігання та переробки біосировини. П|збирання|оки що підвозити і зберігати її менш зручно, ніж традиційні газ та мазут. Наявні установки мають незначну питому вагу виходу біогазу, в першу чергу, через недосконалість конструкцій, які не передбачають ефективного перемішування зброджуваної маси, інокуляції вхідної маси, утримання анаеробної мікрофлори в метантенку тощо. Для установок промислового масштабу не вирішено питання теплової ефективності біогазових установок та економічної ефективності використання збродженого гною та посліду. На сьогодні використовуються лише невеликі установки, здатні споживати тверде паливо, а сфера перспективного використання обмежується невеликим містечками та селами. Не сприяє розвитку біопалива відсутність науково-обгрунтованої національної програми розвитку поновлюваних джерел енергії та альтернативних видів палива, брак фахівців, які здатні вирішувати проблему на основі системного і комплексного підходів, відсутність зацікавленості як держави (підтвердженої законодавчо й фінансово), так і приватного бізнесу у впровадженні нетрадиційних видів палива та джерел енергії.

Згідно з концепцією державної цільової науково-технічної програми виробництва і використання біологічних видів палива, частка біопалива у загальному балансі країни в 2014 року повинна збільшитись до 5-7 %. Нова для економіки України галузь є на сьогоднішній день експортно-орієнтованою, тоді як внутрішній ринок твердого біопалива знаходиться все ще на зародковому рівні розвитку. В останні роки попит на біогаз і тверде біопаливо почав стрімко рости, і зараз в Україні більше тисячі водогрійних котлів|, що використовують відходи деревини (тріску, тирс) і солому, потенціал українського ринку - понад 62 тис. таких агрегатів, які можуть використовувати поновлюване паливо|пальне|. На сьогодні вже| розроблено| новітні| технології| виробництва| біогазу| практично з будь-якої| біомаси, | існують приклади успішного функціонування| об’єктів| по переробці| відходів| тваринництва| та харчової| промисловості|. Позитивно впливають на розвиток біоенергетики тенденції останніх років: швидкий ріст цін на природний газ; підвищення зацікавленості до експорту української біомаси в країни ЄС - Німеччину, Польщу, Швецію, Данію, Італію; розвиток законодавства для окремих сфер біоенергетики. Біопаливо сьогодні розглядається в Україні як вагома альтернатива традиційному пальному. Вважається, що його виробництво в найближчі роки буде набагато вигіднішим для української економіки, ніж експорт сировини. На даний час біопаливо в Україні є одним із найбільших за обсягами використання видів НВДЕ. В умовах ще більш значного росту тарифів на блакитне паливо, технології утилізації біомаси можуть мати значні перспективи впровадження і комерціалізації.

Торф як альтернативне паливо|пальне| може використовуватись | на ТЕЦ, в комунальних котельних, для обігріву приватних будинків і невеликих будівель. В першу чергу |передусім| доцільно використовувати сухі поклади торфу, які можуть бути пожежонебезпечними і виділяють вуглекислий газ. При розробці родовищ торфу необхідно проводити експертизу для оцінки впливу розробки на клімат і гідрологічний режим місцевості. На сучасному етапі вживання|застосування| торфу не обмежується прямим спалюванням в топках, розвиваються технології, що дозволяють отримувати|одержувати| з|із| торфу пеллети|, кокс, рідке паливо, що забезпечує більш ефективне транспортування і спалювання в енергоустановках. Завдяки низькій трудомісткості і енергоємності здобичі|видобутку| паливного торфу, простоті транспортних схем торф може бути конкурентоздатним|конкурентоспроможним| в порівнянні з іншими видами палива|пального|. Крім того, торф характеризується низьким вмістом|змістом| сірки і золи, що забезпечує невисокий рівень шкідливих викидів при його спалюванні. Запаси торфу в Україні оцінюються в 2,3 млрд т, що еквівалентне приблизно 800 млрд куб м^| природного газу. Використання торфу як палива|пальні| економічно доцільно за умови, що|при умові , що| його транспортування від місця здобичі|видобутку| не перевищує 100 км.

До альтернативного палива можуть бути залучені також гази, видобуті з малих газових, газоконденсатних, нафто-газоконденсатних родовищ. Прогнозні балансові запаси цих газів складають 30,9 млрд куб. м. Резервом енергозбереження є також газ стічних вод – продукт відходів, що виникають при очищенні (механічному, біологічному або хімічному) шламів, що відстоялися. Надійним альтернативним паливом в теплопостачанні може бути газ (метан) вугільних родовищ, за запасами якого Україна посідає 4 місце у світі. Загальні запаси, через відсутність поки що точних даних, оцінюються в широкому діапазоні - від 12 до 22 трлн куб. м, а його промислові запаси складають біля 4 трл куб. м. Вугільні шахти України вважаються найбільш загазованими, а тому й найбільш небезпечними у світі. В процесі видобутку вугілля щороку виділяється 1,5-2 млрд. куб. м метану, з яких використовується тільки 5%, решта цього цінного вуглецевого викопного викидається в атмосферу, суттєво посилюючи парниковий ефект. На сьогодні 92 % запасів шахтного метану України зосереджено в Донецькій області. На шахтах Донбасу більше 90% аварій і смертей шахтарів викликані вибухами метану. Зважаючи на гостроту проблем безпеки працюючих шахтарів, енергозабезпечення економіки України, оздоровлення оточуючого середовища, прискорене освоєння ресурсів метану як альтернативного виду палива є надзвичайно актуальною задачею.

Як свідчить досвід, вилучення метану з вугільних пластів, поряд з підвищенням безпеки роботи шахт, може принести значні соціально-економічні вигоди. Метан можна використовувати на шахтних котельних для забезпечення потреб в опаленні і гарячому водопостачанні, в міні-ТЕЦ для виробництва електричної і теплової енергії, він може бути використаний для осушування вугілля на шахтах або проданий газопостачальним компаніям або іншим підприємствам і споживачам прилеглих населених пунктів. Найбільш перспективними об’єктами для промислової розробки ресурсів шахтного метану є шахти Донецького басейну, де запаси вугілля, що можуть бути відпрацьовані, складають 50-70 млрд т, що достатньо для подальшої експлуатації шахт протягом 50 років, річні обсяги видобутку вугілля перевищують 250 тис. т, а питомий вміст метану у вугіллі - більше 20 куб. м на тонну. На сьогодні з глибин донецьких шахт можна щорічно витягувати і використовувати в енергетичних цілях більше 3 млрд куб. м метану.

На сьогодні метан використовується у поодиноких випадках в котельних, що обігрівають приміщення на території шахт. Повільний розвиток проектів з використання метану пов’язаний насамперед з їх складністю, дорожнечею, відсутністю вітчизняної спеціальної техніки з видобування значних обсягів метану. В той же час, майже в усіх вуглевидобуваючих країнах світу попутний метан корисно використовується. Тільки в США щорічно видобувається 40 млрд куб. м шахтного метану. Важливою є підтримка держави у фінансуванні досліджень і розробок.

Зменшення рівня енергетичної залежності країни від зовнішніх поставок палива (природний газ, нафта) можна досягти за рахунок збільшення використання власного вугілля за новітніми екологічно чистими технологіями його спалювання. За даними Всесвітньої енергетичної конференції, щоб забезпечити сучасні потреби в паливі та енергоресурсах, людству вистачить: нафти – на 30 років, природного газу – на 50–60 років, вугілля – на 500–600 років; палива для АЕС – на теплових нейтронах на 25–120 років, на швидких – на 800–1 000 років. З урахуванням браку в Україні замкненого паливно-ядерного циклу і екологічної небезпеки АЕС, обмеженості власного видобутку природного газу, найбільш перспективним з енер­гоносіїв залишається вугілля - єдиний вітчизняний енергоносій, розвідані запаси якого можуть забезпечити потребу України в паливі на тривалий період. Прогнозні запаси вугілля оцінюються в 117,5 млрд т, з них розвіданих — 56,7 млрд т. Річний видобуток коливається в межах 78-79 млн т.

На сьогодні частка вугілля при виробництві теплової та електричної енергії в Україні становить лише 44,2%, тоді як, наприклад, у сусідній Польщі - 95%. Істотний|суттєвий| енергозберігаючий ефект має забезпечити впровадження новітніх|найновіших| технологій спалювання палива|пального|, в тому числі низькосортного вугілля українських родовищ. Незважаючи на те, що викиди вуглекислого газу від спалювання традиційного вугілля набагато перевершують викиди від спалювання природного газу, існуючий рівень знань і технологій так названого «чистого вугілля» дозволяє розглядати його як перспективний альтернативний вид палива.

Відповідно до Енергетичної стратегії на період до 2030 року, України намагатиметься знижувати споживання природного газу і перевага в структурі палива для виробництва енергії в Україні надаватиметься власному вугіллю та урану. Розвиток теплової енергетики прогнозується з переважним використанням вугілля і враховує заміщення природного газу електричною енергією для опалення та гарячого водопостачання. Прогнозується, що у 2030 році частка вугілля в паливному балансі ТЕС, ТЕЦ і блок-станцій становитиме 85,6%, частка природного газу – 14%, а частка мазуту та інших видів органічного палива – 0,4%.