Производство энергии из порубочных лесных остатков

В этой статье мы покажем потенциал использования лесных ресурсов в качестве источника энергии

Олли Лехтонен, Маркку Тюккюлайнен, Олег Андреев специально для журнала "Север Промышленный".

Потенциалы и занятость при производстве энергии из порубочных лесных остатков в Финляндии

Финляндия заинтересована в разработке альтернативных источников энергии, таких, как энергия из биомассы. Подтверждением остроты нехватки электроэнергии является факт строительства атомной электростанции в западной части Финляндии. В дополнение к этому правительство содействует проведению научных исследований в сфере разработки новых источников энергии. В этой статье мы покажем потенциал использования лесных ресурсов в качестве источника энергии. Расчеты были проведены для Северной Карелии Финляндии. Некоторые из этих результатов могут быть применены и в России, богатой лесными ресурсами.

1. Из биомассы в энергию

1.1. Предпосылки и цели

Преобразование биомассы в энергию эффективно и в больших масштабах развивается на протяжении десятилетий. Первоначально этот интерес был потерян из-за потенциальной нехватки сырой нефти, но в последние годы экологические преимущества энергии биомассы, стали еще более важным фактором.

Энергетическая политика Европейского Союза поддерживает использование биоэнергии. В связи с этим каждая страна, входящая в Европейский Союз, к 2010 году должна получать от 10 процентов энергоносителей из биомассы. Для достижения этой цели, правительства стран-членов ЕС должны субсидировать производство биоэнергии с помощью налоговых льгот и других мер.

Благодаря обширному географическому охвату, эта цель будет постепенно достигнута и приведет к инвестициям в использование биомассы в больших объёмах. Этот объем биомассы будет необходим, так как ежегодное потребление энергии на душу населения, на 453 миллиона граждан Европейского Союза составляет 3,7 тонны в нефтяном эквиваленте, а текущая доля биоэнергетики составляет около 3,9 процента.

Технологии, налоги, субсидии и другое финансирование, а также развитие торговли квотами на выбросы и относительно высокими колебаниями цен на ископаемое топливо, являются основными факторами, которые будут влиять на использование биоэнергии и смежные отрасли промышленности в течение следующих 10 лет.

Биоэнергетика уже в состоянии конкурировать и с ископаемыми видами топлива, особенно там, где могут быть использованы промышленные и другие отходы. Совершенно очевидно, что увеличение использования биоэнергетических источников будет иметь благоприятные последствия не только для экономики и окружающей среды, но и для развития производства биомассы регионов.

Возрастающий интерес к биоэнергетике, производимой лесом, возник в связи со специально выращиваемыми энергетическими культурами, такими как деревья и плантации масличных культур. Их использование может повлиять отрицательно на баланс углерода, также они занимают земли, которые могли бы быть использованы для производства продовольствия.

Открытые вопросы в отношении устойчивости энергетических систем способствуют росту интереса к порубочным остаткам в качестве источника биомассы, а также ожидания того, что таким образом может быть улучшена занятость в сельской местности.

Целью данной статьи является исследование последствий крупномасштабного производства биотоплива из порубочных остатков на региональном уровне. Оно будет охватывать производство энергии путем сжигания, производства окатышей, пиролиза, и производства дизельного топлива путем синтеза Фишера-Тропша.

Здесь мы сосредоточимся на анализе доходов, занятости и влияния этих альтернативных технологий, поскольку создание рабочих мест, как правило, является важным аргументом для содействия развитию биоэнергетики в сельской местности.

Воздействие на занятость будет рассчитываться путем использования модели ввода-вывода, разработанной первоначально В. Леонтьевым в Санкт-Петербурге. В соответствии с этой моделью производство новых функций гипотетической биоэнергетики должно быть ограничено на региональных источниках порубочных остатков.

Эмпирические данные были собраны в Северной Карелии Финляндии, малонаселенных областях, граничащих с Россией, представляющих относительно отдаленные районы в зонах, где хвойный лесной сектор имеет и будет иметь большое значение на протяжении более ста лет.

Используемые расчеты в конкретном регионе, дают общее представление о потенциальной эксплуатации биоэнергии в аналогичных регионах.

1.2. Преимущества использования биоэнергетики

Передовые производства энергии из биомассы леса создают целый ряд преимуществ, которые были объектами интереса исследователей в последние годы.

Они могут быть подразделены на две категории: экологические и социально-экономические выгоды, обе из которых могут быть либо прямыми, либо косвенным. Экологические выгоды включают в себя тот факт, что тщательный сбор лесных остатков может снизить распространение болезней растений и насекомых.

Производство биоэнергии могло бы также использоваться в целях рубки леса и ухода за ним.

Местные и региональные социально-экономические выгоды от биоэнергетики в значительной степени зависят от социальных и институциональных условий в этом районе. В развитой, но реструктурированной сельской экономике, новые рабочие места и экономическая отдача являются важными преимуществами использования биомассы в производстве энергии, в то время в развивающихся странах рассматриваются вопросы влияния на распределение благосостояния, гендерные вопросы и самообеспечение.

На нынешнем этапе регионального развития во многих европейских малонаселенных районах, в сельской местности приветствуются экономические стимулы. Инвестиции в биоэнергетике могут повысить эффективность использования ресурсов в сельских районах, таких как инфраструктура, земля, труд и машины, могут предложить большую возможность для поставок топлива и улучшения энергетической безопасности. С точки зрения регионального развития, производство биотоплива очень важно, поскольку оно может создать энергию производственных систем через сельские районы.

1.3. Требования при производстве биоэнергии

Производство биоэнергетических энергоблоков из порубочных лесных остатков требуют подходящей бизнес-среды. Это один из новых аспектов производственной цепочки в лесном секторе, где главной ценностью лесного хозяйства являются производство пиломатериалов, досок, целлюлозы и бумаги.

Хотя основное внимание новых форм производства энергии, как правило, направлено на создание новых производственных систем, обеспечение эффективных и передовых технологий и предоставление налоговых льгот и субсидий, в то время как производство находится в зачаточном состоянии. Крупномасштабное использование лесных остатков связано не только с текущим местным производством и его мультипликативным эффектом, но и с методами ведения лесного хозяйства и инфраструктуры.

Использование лесных порубочных остатков требует квалифицированной практики сбора и эффективных технологий.

Во-первых, их приобретение требует эффективной системы управления лесным хозяйством, которая включает главным образом рубки леса в конце жизни леса, что позволяет собирать древесные пни и корни, так как они составляют около 30-40 процентов от общего количества потенциальных остатков леса.

Крупномасштабное производство биоэнергии связано с большим масштабом объема древесины в перерабатывающей промышленности, что означает использование ресурсов в больших масштабах, особенно если система применяется для производства значительных объемов электроэнергии, тепла и топлива.

Во-вторых, это требует улучшения инфраструктуры, таких как плотные сети лесных дорог. В этой деятельности центральную роль играют транспортные расходы, поскольку около 30-40 процентов затрат от закупочной стоимости приходится на транспортные перевозки до электростанции или нефтеперерабатывающего завода.

В таких странах как Финляндия и Швеция, закупки порубочных остатков интегрированы циклом сбора урожая, этапами сбора и регенерации, синергетического использования техники и логистики. Россия также обладает значительными объемами лесных ресурсов.

Использование лесных ресурсов для крупномасштабного производства порубочных остатков будет затруднено, или по крайней мере, это потребует новой широко разветвленной инфраструктуры, включая дороги, навыки, оборудование и поддержку предпринимательской деятельности. Именно это обстоятельство делает маловероятным, что страны с менее развитой инфраструктурой, такие как Россия, смогут в краткосрочной перспективе добиться эффективного использования лесных ресурсов для расширенного производства биоэнергии.

Ареал производства лесного хозяйства требует выделения труда и техники в тех районах, где должна быть закуплена древесина. В финском случае, где лесные земли делятся между частными собственниками (60 процентов), компаниями (9 процентов), местными властями и общинами (6 процентов) и государством (26 процентов), закупки проходят на открытом рынке.

Таким образом, производство энергии конкурирует с биомассой и другими видами использования лесов и их древесины. Следовательно, наш сценарий зависит от функционирования рынков, а также от их технологий и инфраструктуры.

2. Ресурсы, региональное моделирование и пространственная экономика

2.1. Потенциал лесных порубочных остатков Северной Карелии в Финляндии

Потенциальное наличие порубочных остатков для сжигания топлива и его производства в значительной степени зависит от поведения лесовладельцев, практики и структуры производства лесной промышленности.

Развитие Северной Карелия и Финляндии остается на уровне ниже регионального, но лесная промышленность является подходящим сырьем для производства возобновляемой энергии. Продажа остатков для производства энергии не принесет много пользы для владельцев лесов.

Если порубочные остатки не могут быть использованы для производства биоэнергии, то они обычно остаются на лесную подстилку.

Наиболее общепринятой практикой управления лесным хозяйством является заготовление леса с помощью двух методов - прореживания и роста деревьев. Остатки от рубок леса в основном состоят из низкорослых деревьев. Вершины, ветви, пни, корни деревьев и низкорослая древесная масса дают низкое качество древесины. Следовательно, продажа остатков связана с рубками и ведением лесного хозяйства.

По оценкам кадастровых данных Финского лесного научно-исследовательского института на 2006 год порубочные остатки доступны в Северной Карелии Финляндии.

Максимальное сокращение объема порубочных остатков определяет высокое постоянное наличие круглого леса, но все еще находится ниже ежегодного роста, который составляет более чем 6 миллионов кубических метров в Северной Карелии Финляндии.

Использование порубочных остатков приводит к потере питательных веществ и изменениям в области биоразнообразия. 2/3 порубочных остатков должны быть удалены. В наших расчетах использование порубочных остатков будет ограничено до 70 процентов от общего объема накопления отходов в регионе, несмотря на потери питательных веществ, но они могут быть компенсированы путем возврата золы после сгорания.

Этот прием может быть адаптирован в соответствии с требованиями к местной почве. Кроме того, текущее использование остатков находится ниже общего потенциального уровня. После этих сокращений, промышленность и электроэнергетика будут иметь в своем распоряжении около 787.600 кубических метров (с максимальной устойчивостью Cut) или 531400 кубических метров лесных порубочных остатков в год.

2.2. Региональные последствия лесной утилизации

Модель ввода-вывода в Северной Карелии построена на основании соответствующей статистики. Модель входа-выхода является применением неоклассической теории общего равновесия для эмпирического анализа взаимозависимости экономических секторов, таких как промышленность, потребление и экспорт, компенсации для домашних хозяйств и импорт.

Она была первоначально разработана для анализа связей между различными отраслями в рамках национальной экономики, а также является полезным инструментом для отображения структуры экономики с точки зрения потоков товаров и услуг, и для анализа последствий изменений в конечном спросе.

Модель входа-выхода использованная здесь, принимается в качестве первоначального предположения, что промышленное производство определяется конечным спросом в виде линейной функции, полученной от других отраслей промышленности, труда, капитала и импорта.

Эта базовая модель была увеличена, чтобы быть более полной, чем традиционные модели в отношении домашних хозяйств. Это расширение предполагает, что изменения в экспорте из Северной Карелии Финляндии изменило бы заработную плату и капитальные доходы в регионе, а региональные потребления зафиксировали бы коэффициент валовой продукции каждой отрасли.

2.3. Пространственные свойства лесного сектора в Северной Карелии Финляндии

Северная Карелия представляет собой подходящий полигон, так как это лесной приграничный регион, где большое внимание уделяется развитию энергетической древесины, и где серьезная реструктуризация предприятий лесной промышленности предполагается за счет глобального экономического кризиса.

Огромная фабрика целлюлозы, которая перерабатывала более чем 2 миллиона кубических метров древесины в год, была закрыта с начала января 2009 года до конца октября 2009 года.

Лесная промышленность Северной Карелии в Финляндии нуждается в крупномасштабных заводах, которые, за исключением фабрики фанеры Йоэнсуу, расположены в малонаселенных районах за пределами растущего Йоэнсуу. Хотя рост производительности труда в лесной отрасли в 1990-х годах был сокращен, существующее производство по-прежнему служит основой для многих промышленных лесных работ и обеспечивает занятость для небольших компаний в пространственном значении.

Важность и ценность настоящей пространственной структуры лесного хозяйства и лесной промышленности, для региональной структуры страны основывается на том факте, что эти отдаленные районы не могут привлечь новые предприятия из-за оплаты труда в Йоэнсуу.

Продолжение селективной миграции лишило сельские районы своего младшего поколения и тем самым исказило структуру населения.
Сельские районы Северной Карелии в Финляндии являются периферией не только географически, но и в плане социально-экономического развития и демографии.

В малонаселенных странах, таких, как Финляндия и Швеция, лесной сектор служит основой для региональной структуры. По данным предыдущих исследований, в 2009 году планировалось ввести пошлину на экспорт из России, а также провести реструктуризацию производства лесной промышленности сотен рабочих мест в Северной Карелии в Финляндии.

В лесном хозяйстве значительно увеличилась возможность трудоустройства, но в лесной промышленности всей региональной экономики занятость сократилась, в результате чего сотни или даже тысячи рабочих мест могут быть в опасности сокращения в зависимости от уровня лесозаготовок в регионе и рыночных прогнозов.

После 15 сентября начался глобальный экономический кризис, в результате чего сократилось огромное количество рабочих мест, а фабрики были временно закрыты на многие месяцы. Эти результаты исследований указывают на необходимость создания новых рабочих мест и их потенциальное значение. Производство биотоплива из остатков будет одной из частей процесса развития и обеспечит более эффективное использование ресурсов региона.

3. Потенциальное применение произведенной энергии

Из лесных порубочных остатков могут быть получены различные энергетические продукты для использования на электростанциях, в зданиях и автомобилях. Остатки можно сжигать непосредственно для подачи тепла и для производства электроэнергии, или они могут быть усовершенствованы с целью производства компактного твердого топлива, такого как таблетки, или даже преобразованы в газообразное или жидкое топливо при помощи технологий быстрого пиролиза или синтеза Фишера-Тропша.

Следующие пункты представляют собой технологии, доступные для использования и переработки порубочных остатков с целью производства энергии, описывающие принципы, которые применялись для определения уровней входных и выходных коэффициентов производства электроэнергии и переработки растений.

3.1. Порубочные остатки на электростанциях

Горение широко используется в различных масштабах для преобразования биомассы для тепло- и/или электроэнергии. Мусоросжигательные заводы, как правило, используются для генерации тепла в системах централизованного теплоснабжения, или в случае крупных структур для выработки электроэнергии.

Возможности теплотворности растений обычно колеблются от 1 МВт до 200 МВт и рассчитанные в зависимости от различных видов топлива из биомассы порубочных остатков. Они также могут быть непосредственно использованы для замены ископаемого топлива в тепло- и электроэнергетике.

В Финляндии построен крупнейшей биоэнергетический завод мощностью 500 mW.

Эмпирические данные о коэффициентах электростанций были получены из технических докладов, заявлений о выдаче экологических разрешений и векторов, относящихся к энергетическому сектору для Северной Карелии в Финляндии.

3.2. Гранулы из лесных порубочных остатков

К настоящему времени в результате сушки и прессования остатков механической деревообрабатывающей промышленности было получено такое древесное топливо как пеллеты. Они часто продаются как экологически чистый вид топлива, и служат альтернативой ископаемым видам топлива, которые являются их основными конкурентами. Наибольший рыночный потенциал применения для гранул это преимущественно замена мазутной системы и электрического отопления в домах.

В настоящее время гранулы, производятся из побочных продуктов лесопильных заводов и их производство в Финляндии зависит от объема производства лесопилок. Следовательно, чтобы увеличить производство окатышей и уменьшить зависимость от этого на лесопиление, производителям придется начать использование лесных порубочных остатков в качестве сырья. Основными проблемами в обработке порубочных остатков в гранулы являются высокий уровень влаги в остатках и высокие транспортные расходы.

Рентабельная технология сушки является необходимой, но для организации процесса сушки потребуется значительное количество энергии.

3.3. Пиролиз нефти из порубочных остатков

Быстрым пиролизом называется высокая температура процесса, при котором исходное сырье быстро нагревается выше 500°C в отсутствии воздуха, после чего оно испаряется и конденсируется в темно-коричневую жидкость, теплотворная способность которой примерно вдвое меньше обычного нефтяного топлива.

Эта технология, которая увеличивает выход жидкого топлива из древесной биомассы, часто рассматривается как весьма перспективный кандидат на децентрализованный или малый масштаб производства энергии, поскольку общая доходность жидкости может быть около 75% от веса, и она так же легко транспортируется, как печное топливо.

Технологии, необходимые для производства и использования пиролиза жидкости, находятся в стадии разработки.

Основные проблемы производства исходят из того, что пиролиз жидкостей кислый, неустойчивый, а вязкие жидкости обладают гетерогенными качества, которые содержат взвешенные вещества и большое количество химической растворенной воды.

Эти свойства имеют ограниченный диапазон биотопливного применения, поскольку высокая кислотность является причиной эрозии и коррозии двигателей и турбин. Замена жидкости для пиролиза топлива масла в тепловой и электрической энергии требует незначительных изменений в установках, в то время как переработка пиролиза жидкостей на моторное топливо, известное как пиролиз нефти, в настоящее время не выгодно.

3.4. Трафик топлива, полученный из порубочных остатков Фишер-Тропша Pocess

Среди немногих вариантов, которые существуют для производства моторного топлива с коммерческим потенциалом, газификации биомассы для получения Фишер-Тропша (FT) дизельного топлива в последние годы привлекают все большее внимание. Этот способ предполагает переработку чистого и потенциально углерод-нейтрального моторного топлива, которое используется непосредственно в транспортных средствах.

Интеграция газификации биомассы дерева с синтезом Фишер-Тропша еще не была использована в коммерческих масштабах, хотя и коммерческое дизельное FT производство находится на этапе опытно-промышленной установки в Финляндии. Целью эксплуатации этой установки является развитие коммерчески выгодного процесса переработки и, следовательно, снижения риска для коммерческих инвесторов.

Планируется создание совместных предприятий-заводов нефтеперерабатывающей промышленности и лесного хозяйства в Финляндии, также есть намерение построить рядом с ними и целлюлозно-бумажный комбинат, чтобы повысить эффективность управления сырьевыми материалами и мерами промышленной синергии. Будущее FT растений в значительной степени зависит от цен на сырую нефть, поскольку производственные затраты на топливо FT в настоящий момент от 2 до 4 раз выше, чем затраты на производство топлива для дизельных двигателей из сырой нефти.

СОДЕРЖАНИЕ ЖУРНАЛА "СЕВЕР ПРОМЫШЛЕННЫЙ" № 4 2010 Г.