Еще раз о газификации древесной биомассы
Производство газогенераторных мини-ТЭЦ в Европе
В децентрализованной (распределенной) энергетике Германии одной из первых газогенераторных электростанций, работающих на биомассе, считается ТЭЦ в биоэнергетическом парке баварского Зендена с населением 22,5 тыс. человек.
С 2012 года эта станция (рис. 1) работает в режиме высокоэффективного комбинированного производства тепла и электроэнергии (когенерации), ежегодно генерирует примерно 34 млн кВт·ч электроэнергии и 41 млн кВт·ч тепловой энергии, потребляя около 45 тыс. т щепы. Электроэнергия подается в общую сеть, а тепло поступает в сеть централизованного теплоснабжения местной энергокомпании SWU Stadtwerke Ulm Neu-Ulm. Из теплоцентрали энергия распределяется между коммерческими и частными потребителями города Зенден.
ТЭЦ построила и поначалу эксплуатировала компания SWU Energie GmbH. Одним из главных факторов реализации этого проекта послужило наличие в регионе больших объемов биомассы в виде отходов лесопиления и деревообработки местных предприятий. А внедрение перспективной высокоэффективной технологии обеспечивало долгосрочную и конкурентную генерацию возобновляемой энергии. Ввод в эксплуатацию этой ТЭЦ позволил заменить используемый для отопления природный газ местным возобновляемым топливом.
Одним из основных преимуществ технологии газификации биомассы (использования генераторного древесного газа) перед работой обычных когенерационных установок на биомассе считается гораздо более высокий КПД по электроэнергии. При газификации топливная биомасса используется намного эффективнее (табл. 1).
Разработала и изготовила газификатор фирма Kuntschar Energieproduktion GmbH, правопреемницей и патентодержателем которой с 2018 года стала Behore Technology GmbH & Co. KG. В газификаторе Kuntschar/Behore реализованы известные в теории физико-химические процессы газификации, при которых достигается такое равновесие реакций окисления и восстановления, что несгоревшие углеводороды почти отсутствуют, а дистилляты гудрона остаются в древесном газе. Оптимизация каталитической газификации в отдельных зонах реактора достигается за счет эффективного восстановления газа, поэтому для очистки газа от дистиллятов гудрона и несгоревших углеводородов не нужны специальные дорогостоящие системы, а вполне достаточно недорогих фильтров. Реактор-газификатор характеризуется высокой эффективностью при небольшом рабочем объеме (0,5 м3), расход щепы составляет 0,7 м3/ч, или 165 кг/ч, при максимальном выходе генераторного (древесного) газа. После подачи газа в газопоршневой двигатель, работающий по термодинамическому циклу Отто, на клеммах электрогенератора генерируется 150 кВт·ч электроэнергии, параллельно газификатор поставляет 230 кВт·ч тепловой энергии. Дополнительно для предварительной подсушки щепы используется отработанное тепло от системы охлаждения газопоршневого двигателя и блока охлаждения древесного газа.
Щепа размером 30–70 мм после подсушки до влажности 15% подается в газификатор с топливного склада по питающему конвейеру через герметичный шлюз с заслонкой. Объем подачи щепы регулируется автоматически. Процесс протекает без давления в прямотоке в следующей последовательности: сушка – разложение (пиролиз) – окисление – сжигание (газификация) щепы. Введение кислорода воздуха в качестве газифицирующего агента (субстехиометрическая газификация) постоянно контролируется. Продукты окисления (СО2 и Н2О), образующиеся при сжигании древесной щепы в газификаторе с кислородом воздуха, разлагаются на: водород (Н2), метан (СН4) и окись углерода (СО). Часть воды распадается на водород (Н2) и кислород (О2), который соединяется с углеродом с образованием монооксида (СО). Все эти сложные химические реакции протекают с выделением энергии (экзотермические), пока между СО2 и СО не установится так называемое равновесие Будуара (рис. 2) и при достижении рабочей температуры не начнется генерация древесного газа (эндотермический процесс) – обедненного газа с низкой теплотворной способностью (1,4–1,6 кВт·ч/Н·м3), после чего автоматически выключается вытяжной вентилятор и открывается клапан подачи газа в блок очистки и далее в газопоршневой двигатель. Когда электрогенератор синхронизируется с электросетью общего пользования, двигатель разгоняется до заданной мощности и, как говорят, процесс пошел.
Газификатор запускается от автоматического розжига. Газ очищается в циклонном высокотемпературном фильтре тонкой очистки (фильтрация горячего газа) и перед подачей в двигатель охлаждается в воздушно-газовом охладителе, отходящее тепло от которого вместе с теплом системы охлаждения двигателя, используется для подсушки щепы, как уже было указано. В газификаторе системы Kuntschar/Behore продукты окисления почти полностью восстанавливаются до древесного газа, поэтому практически отсутствует жидкий конденсат. Образующаяся в ходе газификации минеральная зола непрерывно собирается в зольник и может применяться как подстилка в лесу или поле для снижения кислотности почвы, что в конечном итоге замыкает естественный цикл биомассы. Для нейтрализации вредных выбросов и поддержания предельно допустимой концентрации токсичных элементов в выхлопных газах двигатель оснащен электронной системой регулирования подачи газа в двигатель. При этом обогащение и обеднение топливной смеси происходит не скачками, а с заданными линейными изменениями. Электростанция работает не менее 7 тыс. ч в год.
Биоэнергетический парк в г. Зенден был создан в 2012 году как раз на базе газогенераторной ТЭЦ. Этот новаторский для того времени проект был весьма амбициозным, но в первые годы по ряду объективных и субъективных причин не смог стать рентабельным. Спустя шесть лет, в 2018 году, проектом заинтересовалась Blue Energy Group и через специально зарегистрированную компанию Blue Energy Syngas приобрела биоэнергетический парк вместе с ТЭЦ. Большой опыт эксплуатации и технического обслуживания ТЭЦ на биомассе позволил Blue Energy Group быстро наладить регулярную работу станции.
В ближайшем будущем руководство компании планирует на базе биоэнергетического парка и газогенераторной ТЭЦ отделять водород и использовать его в топливных элементах. Это будет первая в ФРГ схема получения «зеленого» водорода: газогенераторная ТЭЦ + производство водорода. «Если принять во внимание так называемые экологические издержки, наше экологичное производство водорода, вероятно, будет непревзойденным», – сказал Йохен Зауттер, управляющий партнер Blue Energy Europe GmbH, входящей в Blue Energy Group.
В этом уникальном проекте группа также опирается на поддержку университетов, НИИ и, конечно, государства – с возможностью получения финансирования. Ведь производство древесного газа и выделение из него остаточных компонентов, в первую очередь водорода, создает огромный потенциал для экологически устойчивой переработки биомассы. Подобные проекты апсайклинга (вторичного использования) могут стать важной составляющей ответа на самые насущные энергетические вопросы завтрашнего дня. А водородная энергетика сегодня основной мировой тренд не только в биоэнергетике, но и в энергетике вообще. В Германии, например, институт Fraunhofer по заказу федерального правительства еще в 2019 году разработал дорожную карту водородной энергетики до 2050 года. Прогнозная емкость этого рынка до 2030 года оценивается в €3–4 млрд в год, а с 2040 года – €26 млрд!
Производство и применение газогенераторных мини-ТЭС на древесной биомассе
Компания Spanner Re² GmbH одной из первых в Европе стала продвигать технологию газификации твердого топлива, в основном древесного. Первые ее установки HV30-V1.1 (NKA 30) и HV45-V1.1(NKA 45) (табл. 2) работали только на щепе и представляли интерес прежде всего для небольших пилорам и фермеров, располагающих собственным сырьем. Но руководство компании просчитало, что на ряде объектов, таких как гостиницы, санатории, целесообразно заменить щепу пеллетами. За последние 10 лет Spanner Re² GmbH расширила линейку продукции, предложив модели от NKA на 70 кВт·ч электроэнергии до NKA 600 на 600 кВт·ч электроэнергии + 1,2 МВт·ч тепловой. Подобные электростанции могут найти применение и в промышленных компаниях, и на крупных лесохозяйственных и сельскохозяйственных предприятиях, и в локальных тепловых сетях. Модульная конструкция станций NKA 30, NKA 45 и NKA 70 позволяет объединять их в каскад и таким образом получать на выходе необходимую мощность (до 4 МВт·ч электроэнергии).
Spanner Re² поставила свои газогенераторные электростанции (ГГЭС) в страны Европы, а также в Канаду, Никарагуа и Японию. Рассмотрим примеры использования ГГЭС производства этой компании.
В семейной пекарне Löwenbäcker Schaper, основанной в 1900 году в Брауншвейге, установили EnergyBlock. Топливом служат использованные европоддоны, измельченные в шредере после удаления гвоздей. «Материал, за утилизацию которого раньше приходилось платить, теперь стал прибыльным источником энергии», – говорит Томас Шапер, владелец пекарни. EnergyBlock работает в режиме когенерации, тепловая и электроэнергия идут только на нужды предприятия.
В 2014 году в Латвии, в г. Яунелгава, была смонтирована ТЭЦ на базе каскада десяти газогенераторных станций NKA 45. А в 2018 году все газопоршневые двигатели каскада (5,7 л каждый) перенастроили с частоты 1500 об/мин на 3000 об/мин. Это позволило повысить мощность двигателей до 54 кВт. Сегодня ТЭЦ генерирует больше 0,5 МВт·ч электроэнергии и 1,2 мВт тепловой. Все производимое тепло подается в местную тепловую сеть.
В Японии, в деревне Каваба на острове Хонсю, весной 2017 года ввели в эксплуатацию EnergyBlock – смонтированную в 40-футовом контейнере газогенераторную электростанцию (45 кВт электрической и 102 кВт тепловой энергии). Владелец и оператор станции, компания Woodvillage Kawaba, подает выработанную электроэнергию в общую сеть, а тепло использует для сушки древесины и в теплицах. Район префектуры Гумма, в котором расположена деревня, на 83% покрыт лесами. Топливом для ГГЭС служит щепа, получаемая из отходов лесозаготовки и в результате санитарных рубок. «Этим пилотным проектом мы хотим продемонстрировать обществу модель устойчивого развития японской энергетики», – сказал Киотаро Тояма, глава администрации Кавабы.
Владельцы четырехзвездочного спа-отеля Das Stemp близ г. Пассау в Баварии в 2014 году решили установить газогенераторную электростанцию NKA 30, обеспечивающую 30 кВт электрической и 73 кВт тепловой мощности. Щепа для нее закупается у региональных лесовладельцев. Вся электроэнергия подается в сеть, а тепло используется для сезонного отопления, в теплое время года для работы саун и бань и подогрева воды в бассейнах. Для обеспечения теплом при пиковых нагрузках в гостинице установлен котел компании HDG Bavaria, работающий на щепе. В 2020 году владельцы отеля приобрели ГГЭС NKA 70, теперь две газогенераторные станции и котел смогут полностью обеспечить энергетические потребности оздоровительного курорта.
В Германии и Австрии насчитывается сейчас примерно 10 производителей ГГЭС разной мощности. Среди них крупнейшая баварская компания Burkhardt GmbH, которая более 10 лет производит блочные газогенераторные мини-ТЭС и поставляет их не только в европейские страны, но и в Японию. В 2010 году компания первой в ФРГ стала использовать пеллеты в качестве топлива для своих станций. По заявлению руководства Burkhardt GmbH эффективность газификации древесных пеллет значительно выше, чем при использовании щепы или опила. В сравнении с газогенераторами с неподвижным слоем, реакторы с псевдоожиженным (кипящим) слоем универсальны в отношении топлива (пеллеты из лузги, древесные и соломенные, щепа и др.). Кроме того, они характеризуются высокой скоростью тепло- и массопереноса и повышенным качеством перемешивания твердой фазы, что обеспечивает высокую скорость газификации и близкую к постоянной температуру слоя. Запущенные в серию в 2010 году газогенераторные блочные ТЭС ECO 165 HG и ECO 180 HG вырабатывают 165/270 кВт·ч и 180/280 кВт·ч электрической и тепловой энергии соответственно. ECO 165 HG сконструирована на основе дизеля MAN D26, а ECO 180 HG – на основе двухтопливного MAN (генераторный газ и рапсовое масло). В состав обеих станций входит газификатор V 3.90, работающий по принципу вихревого псевдоожиженного слоя, где первичный воздух подается снизу реактора со скоростью, достаточной для псевдоожижения, а вторичный воздух вводится в приповерхностный слой для создания вихревого потока.
Помимо этих двух моделей, компания предлагает микро-ТЭС Smartblock 50 T на 50 кВт и модельный ряд из шести ТЭС, работающих только на природном газе.
Газогенераторные мини-электростанции выпускают и другие компании в Европе (см. табл. 2). Также о европейских производителях журнал писал в 2016 году.
Газогенераторные электростанции в России
За последние 20 лет немало компаний предлагали различные варианты газогенераторных электростанций. В большинстве случаев дальше опытных и разовых разработок дело не пошло. Журнал рассказывал, что предлагали группы компаний «Адаптика» (Брянск) и ООО «ЦНИДИ» (Санкт-Петербург)2. «Адаптика» даже наладила производство своих газификаторов, но об их применении ничего не известно.
Стоит напомнить печальную историю поставки в Россию газогенераторной электростанции на 100 кВт с сертифицированным в ЕС газопоршневым двигателем3. Как демонстрационный образец станция простояла два с половиной года под Екатеринбургом. Заказчиков в РФ не нашлось, и в самом конце 2019 года, до пандемии, владельцы успели демонтировать станцию и вывезти ее в Черногорию.
В Республике Саха (Якутия) в лесных районах много изолированных рассредоточенных потребителей электроэнергии, снабжение которых ввиду удаленности от централизованной сети осуществляется только от автономных энергоисточников, в первую очередь дизельных электростанций. Дизтопливо и его доставка в рамках северного завоза дорожают, поэтому себестоимость генерации электроэнергии в поселках, где установлены дизельные электростанции, постоянно повышается. Энергетика в таких поселках дотационная. В этих условиях использование газогенераторных мини-электростанций на местных видах топлива, прежде всего древесных отходах или биотопливе – пеллетах и брикетах, представляется наиболее экономически эффективным. На кафедре «Технология деревообработки и деревянные конструкции» Инженерно-технического института Северо-Восточного федерального университета им. М. К. Аммосова для замены дизтоплива местными отходами лесопиления и деревообработки предложили пилотный проект в поселке Дельгей Олёкминского улуса: замена дизельной электростанции газогенераторной установкой УГК-300 (Украина-Россия) с обращенным процессом газификации. На основании расчетов и оценки потенциального ресурса древесной биомассы Олёкминского леспромхоза было сделано заключение, что при замене ею дизтоплива затраты на топливо снизятся в 3,4 раза, а инвестиции окупятся всего за два с половиной года. Предлагаемая для проекта газогенераторная установка подпадала под Программу субсидирования малого и среднего бизнеса согласно ФЗ №141 «Об энергоэффективности» и ФЗ №261 «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности…» 2009 года. Однако все эти благие намерения остались на бумаге…
ООО «Дизель-Систем» (Ярославль) предлагает ГГЭС на 100 и 200 кВт в контейнерном исполнении на базе двигателя ЯМЗ-238. Компания специализируется на производстве дизельных и газопоршневых электростанций. Но на ее сайте нет референц-листа на газогенераторные электростанции, работающие на биомассе.
Видимо, только когда себестоимость выработки тепла и электроэнергии в районах с децентрализованной энергетикой вырастет еще в несколько раз, ситуация наконец-то изменится. Но, как писал классик, «жаль только – жить в эту пору прекрасную уж не придется – ни мне, ни тебе».
Текст
Сергей Передерий,
s.perederi@ eko-pellethandel.de
