Газогенераторные электростанции мировой тренд?
Сейчас в Германии на древесной биомассе – щепе и пеллетах работает более 550 газогенераторных электростанций. По их числу страна на первом месте в мире.
С 2008 по 2013 год были введены в эксплуатацию первые установки в самых лесных регионах ФРГ – федеральных землях Бавария и Баден – Вюртемберг (в 2009 году в Германии работало всего 17 газогенераторных электростанций), а в соседней Австрии первая такая станция была запущена в 2015 году. К началу 2020 года значительно расширилась география реализованных проектов газификации древесной биомассы (вся ФРГ, Австрия, Швейцария, Япония и др.), и количество установленных электростанций увеличилось во много раз (рис. 1–4).
Сегодня ФРГ, будучи основным производителем оборудования для газификации биомассы в Европе (как по количеству компаний, так и по общему объему производства), уже не является ведущим рынком в этой отрасли (хотя пока большинство установок продаются в Германии), постепенно уступая Австрии, Японии и другим странам Восточной Азии.
Недаром с 2013 года все международные конференции по газификации биомассы проходят в Зальцбурге и Инсбруке.
10 декабря 2019 года в Инсбруке прошла X Международная конференция по газификации биомассы (IAKB). Выступая на ней, Георг Вагенер-Лозе, руководитель австрийской некоммерческой организации по поддержке возобновляемых источников энергии (Fördergesellschaft Erneuerbare Energie e.V – FEE), отметил, что в связи с решением ряда европейских стран довести долю ВИЭ в энергобалансе до 65% и отказом Евросоюза от угольной энергетики использование биомассы для генерации электрической и тепловой энергии будет играть все большую роль. При этом перспективу для внедрения газогенераторных установок обеспечит прокладка новых тепловых сетей для центрального отопления, так как по закону о когенерации в Германии (KWKG) и некоторых других европейских странах за каждый выработанный киловатт-час тепловой энергии, поданный потребителю, государство выплачивает фиксированный бонус (в 2019 году в Германии 5,5 евроцента). Кроме того, по закону о ВИЭ в ФРГ и аналогичным законам в других странах государство оплачивает «зеленую» электроэнергию, подаваемую в общую сеть. Таким образом, при когенерации с одновременной подачей в сеть электроэнергии и конечному потребителю – тепловой, сроки окупаемости проектов с использованием ВИЭ существенно сокращаются.
Ну и еще одно преимущество: по расчетам FEE, при газификации древесной биомассы каждый выработанный 1 МВт электроэнергии компенсирует (сокращает) 1,4–1,6 т выбросов СО2 в атмосферу. А это дополнительный доход за счет продаж единиц сокращения. В Германии в конце 2019 года была принята программа по защите климата (Klimaschutzprogramm 2030), согласно которой с 2021 года запускается национальная система торговли квотами выбросов СО2. Стоимость сертификатов за одну тонну СО2 установленая в 2021 году – €10, в 2022 году – €20, в 2023 году – 25, в 2024 году – 30, в 2025 году – €35. А с 2026 года будет введена аукционная продажа квот с ценовым диапазоном €35–60 за одну тонну СО2. Что это значит?
Если взять газогенераторную электростанцию, вырабатывающую 1 мВт электроэнергии в час, то, допустим, при 7000 ч работы в год она производит 7000 мВт. Если минимальный выброс 1,4 т СО2, тогда получается сокращение выбросов на 9800 единиц по €10, то есть на €98 тыс. в 2021 году. А в 2025 году за такое же сокращение выбросов можно получить (9800 х 35) уже €343 тыс. И это не считая доходов от реализации электрической и тепловой энергии. А выбросы ежегодно сокращаются, и сертификаты на единицы сокращения выбросов будут продаваться по фиксированным ценам, повышающимся с каждым годом, а с 2026 года – по биржевым. Так что, как говорят: кто не успеет, тот опоздает. Ведь в наше смутное время нет стопроцентной уверенности, что эта программа будет действовать вечно. Пока ее горизонт в Германии гарантированно определен 2030 годом. Времени на реализацию инвестпроектов в малой энергетике вполне достаточно.
Теперь вернемся к Австрии. На 2019 год в Австрии эксплуатировались 52 энергетические установки по газификации биомассы (см. рис. 2), по сравнению с 2015 годом (всего одна установка) головокружительный рост – 50-кратный за пять лет. В Германии за тот же период – примерно 30-кратный. Напомним, что территория Австрии в восемь раз меньше территории ФРГ, а население различается почти в 10 раз: на 2019 год около 9 млн против 83 млн человек. По статистическим данным, последние годы объем доступной для энергетического использования древесной биомассы в Австрии увеличился с 10 до 15 млн т в год, в основном за счет лиственных и смешанных лесов.
При таком колоссальном потенциале биомассы ставки делаются не только на использование твердого древесного биотоплива (пеллет, брикетов, щепы) для прямого сжигания и газогенерации, но и на другие сферы применения биомассы. В Венском техническом университете исследуются возможности получения из биомассы востребованных на рынке химических соединений. Для этого в ближайшее время в пригороде Вены – Зиммеринге ученые планируют совместно с государственной энергетической компанией Wien-Energie запустить запатентованную демонстрационную установку собственной разработки для паровой газификации биомассы Waste-2-Value. На этой установке собираются получать в том числе и злополучный биометан. Из-за высокой себестоимости сырья, прекращения субсидирования, снижения цен на газ в ЕС и других причин были свернуты несколько проектов производства биометана из биомассы в Гётеборге, где использовались пеллеты, и в Австрии, в Гюссинге1. Но сейчас в Австрии считают, что подобные проекты нужно реанимировать ввиду изменения ситуации на рынке: принятия новых и корректировки действующих государственных программ поддержки использования ВИЭ в Европе; декарбонизации (отказа от использования угля в энергетике); оживления торговли единицами сокращения выбросов; использования самых современных инновационных технологий; предложения дополнительных объемов биомассы, в том числе за счет вовлечения в оборот малоиспользуемых источников потенциального сырья Придунайских стран (проект Energy Barge2). Правда, в проекте Венского технического университета намерены использовать не только древесную биомассу, но и бытовые отходы, иловые остатки сточных вод и прочее, то есть микст. А в этой статье рассматривается газификация только древесной биомассы. Если в 2016 году в Европе устанавливались в основном газогенераторные мини-ТЭС3 производительностью по электроэнергии от 25 до 300 кВт·ч, то сегодня ситуация изменилась: наряду с газогенераторными электростанциями малой мощности на рынке все чаще реализуются проекты мегаваттного диапазона, поэтому востребованы станции от 1 МВт. Поскольку модельный ряд европейских производителей газогенераторных станций, как правило, ограничивается установками до 400 кВт, для получения большей мощности применяется их каскадное или модульное включение. Это открывает выход на новые потребительские сегменты. Реализованные проекты газогенерации из биомассы в ЕС и мире будут рассмотрены в следующих публикациях, а сейчас стоит остановиться на некоторых технических вопросах.
Начнем с топлива. На газогенераторных электростанциях в Германии и Австрии используется в основном щепа. Но в последнее время ее нередко заменяют пеллетами (рис. 5). Почему? Ведь пеллеты дороже щепы? На этот вопрос ответил на конференции в Инсбруке Серж Штрайц, руководитель сервисной службы главной энергетической компании в Люксембурге Lux Energie S.A. В 2018 году в Беттамбу́ре, одноименном с коммуной на юге Люксембурга населенном пункте с населением около 10 тыс. человек, ввели в эксплуатацию новый энергоцентр с двумя газогенераторными мини-электростанциями и двумя пеллетными котлами для отопления общественных зданий: дома собраний, здания администрации, школы, дома престарелых и бассейна. Остальные потребители продолжают пользоваться услугами местной ТЭЦ, работающей на природном газе уже более 20 лет. Газогенераторные электростанции (ГГЭС) подают электроэнергию в общую сеть. Финансовые аспекты стали решающими для замены газа пеллетами, поскольку стоимость отопления с использованием газа оказалась существенно выше. Да и экологичнее: при сжигании 1000 м3 газа в атмосферу выбрасывается эквивалент 1,85 т СО2. Поэтому при замене газа ВИЭ, в частности пеллетами, можно получить еще и дополнительный доход за счет продажи сертификатов на выбросы, о которых говорилось выше. Серж Штрайц пояснил, что решающим фактором при реализации проекта в Беттамбуре был правильный выбор топлива. Газификация древесины довольно сложный процесс, требующий серьезного контроля и квалифицированного управления. И многое зависит от качества используемого топлива. Пеллеты относятся к стандартизированному топливу с почти неизменными основными характеристиками (влажностью, зольностью и др.), за счет чего обеспечивается стабильная газификация. В энергоцентре газогенераторные электростанции немецкой компании «Бургхард» (ФРГ) работают без останова свыше 7000 ч в год (на щепе гарантированный период работы примерно 5000 ч в год). «Если бы мы выбрали щепу, то никогда не получили бы такого результата, ведь влажность щепы разная, пришлось бы устанавливать сушилку, а зольность – выше зольности пеллет, и это усложнило бы весь процесс», – сказал г-н Штрайц.
Пеллеты дают и другие преимущества: пожаробезопасность; высокое качество получаемого генераторного газа; возможность бесперебойной автоматической подачи с топливного склада, объем которого значительно меньше топливного склада для щепы; меньший объем реактора газификации, а значит компактность всей установки; низкие расходы на техническое обслуживание газогенератора. Использовать можно любые пеллеты, в том числе индустриальные.
Для выработки 1 кВт·ч электроэнергии требуется меньше 1 кг пеллет (щепы – больше 1,3 кг). К примеру, мобильная, контейнерного исполнения когенерационная ГГЭС компании «Бургхард» (рис. 6) потребляет 110 кг пеллет в час и генерирует одновременно 180–190 кВт·ч электроэнергии и 250–270 кВт·ч тепла. Компания специализируется на производстве газогенераторных электростанций, работающих на биомассе, в том числе пеллетах. Главный недостаток ГГЭС европейского производства – очень высокая стоимость: установка 25 кВт (электр.) производства немецкой компании «Интрейд» стоила в 2015 году €125 тыс., а подобная от Spanner Re² GmbH на 30 кВт – €175 тыс., то есть примерно €5–6 тыс. за 1 кВт (электр.) установленной мощности. Стоимость подобных китайских и индийских установок $1–2 тыс./кВт.
Для того чтобы увеличить период непрерывной работы ГГЭС, необходима многоступенчатая очистка получаемого генераторного газа от примесей (дегтя, сажи, пиролизных смол и др.). С помощью циклонов отделяются крупные частицы, затем используются различные фильтры «тонкой» очистки: композитные, водяные, из нетканых материалов и др. Фильтры громоздкие, требуют регулярного обслуживания и замены фильтрующего материала. Газ, выходящий из газогенератора при температуре 400–800°С, необходимо охладить перед подачей в двигатель внутреннего сгорания. Технически это не сложно, но связано с определенными затратами. Двигатель тоже должен быть подготовлен для работы на генераторном газе. При использовании серийных двигателей их КПД и мощность снижаются, для стабилизации работы часто приходится применять дизельное топливо. В связи с этим в серийных ГГЭС используются специальные поршневые двигатели, адаптированные для низкокалорийного генераторного газа и работающие по термодинамическому циклу Отто.
Низкая теплота сгорания генераторного газа обусловлена насыщенностью азотом воздуха, подаваемого в газогенератор. Кислородное дутье помогает справиться с проблемой, но при этом усложняется конструкция газогенератора и, главное, снижается его экономическая эффективность.
Система очистки газов – ахиллесова пята всех газогенераторных установок. К тому же стоимость узла фильтрации составляет значительную часть общей стоимости газогенераторной электростанции. В связи с этим разработчики ГГЭС рассматривают альтернативные способы выработки электроэнергии с использованием генераторного газа, полученного путем газификации биомассы, и не предусматривающие его тонкой очистки. Одним из наиболее интересных и эффективных решений считается интеграция газогенератора и модуля ORC. Принцип работы цикла ORC чрезвычайно прост: источник тепла нагревает контур с термомаслом, которое через теплообменник отдает тепло рабочей жидкости. Органическая жидкость, проходя по контуру ORC, испаряется, заставляя вращаться турбину, соединенную с электрогенератором. Отработанный пар органической жидкости охлаждается сетевой водой, конденсируется и направляется в начало цепи – цикл замыкается.
В заключение надо напомнить, что еще лет десять назад российский Институт проблем химической физики РАН спроектировал вращающийся газогенератор наклонного типа новой модификации, имеющей ряд преимуществ, а одна московская компания изготовила опытно-промышленный образец установки (рис. 7). Предполагалось использовать для выработки электроэнергии ORC (рис. 8). Но, к сожалению, как было заявлено, «по ряду причин промышленного применения такое оборудование не нашло». Все мы прекрасно понимаем, почему в современной России это не пошло, а в Европе наладили, хоть и значительно позже. Но это уже совсем другая история...
Справка
В 40-е годы ХХ века Советский Союз и Германия стали законодателями мод в получении генераторного газа из древесины. В 60–70-е годы развитие технологии газификации древесины приостановилось из-за роста добычи нефти и газа, с которыми генераторный газ не мог конкурировать. А в наше время, на фоне экологического кризиса и тренда на «зеленую», безуглеродную, энергетику, вновь возник интерес к получению генераторного газа из биомассы, преимущественно древесной. Но мировым лидером по газогенерации биомассы можно считать Индию, где несколько компаний с 1980-х годов производят газогенераторы, которых установлено уже больше тысячи.
Справка
Газификация (термохимическая газификация) – процесс получения генераторного газа (часто не совсем корректно называемого синтез-газом) из органической части топлива, в частности, древесной биомассы, за счет частичного окисления. В качестве окислителя используются воздух, пар, кислород и их смесь. Температура процесса достигает 800–1500ºC. При газификации происходит полное превращение органической части древесины в горючий газ и жидкие продукты.
Основные горючие компоненты газа – водород и монооксид углерода (СО), также присутствует небольшое количество углеводородов, главным образом метана. Балластными газами выступают азот (при использовании воздушного дутья), диоксид углерода (СО2) и пары воды. Кроме того, газ содержит такие примеси, как смолы, твердые частицы углистого вещества и золы.
Пиролиз – термическое разложение биомассы при 150–1000°C без доступа кислорода. Продуктами пиролиза являются твердый коксовый остаток с низшей теплотой сгорания около 30 МДж/кг, жидкость (часть летучих, конденсирующихся при нормальных условиях) и газы.
Справка
Цикл Ре́нкина – термодинамическое преобразование тепла в работу с помощью рабочего тела за счет фазового перехода «пар – жидкость» (конденсации) и обратного фазового перехода «жидкость – пар» (испарения).
Предложен в середине XIX века инженером и физиком У. Ренкиным.
В начале 2000-х годов по циклу Ренкина в разных вариациях, с использованием паровых турбин вырабатывалось около 90 % электроэнергии, потребляемой в мире.
В органическом цикле Ренкина (ORC или ОЦР) вместо воды и водяного пара используются низкокипящие органические жидкости, например гидрофторуглероды R134,чаще R245 fa – пенталфлуоропропан. Это позволяет применять низкотемпературные (70–90 °C) источники тепла, которые значительно дешевле высокотемпературных. Однако термодинамическая эффективность органического цикла невысокая. Для ее повышения можно использовать жидкости, характеризующиеся более высокой температурой кипения, чем вода.
Текст
Сергей Передерий, s.perederi@ eko-pellethandel.de
