Электроэнергия из древесной биомассы – тренд европейской малой энергетики
Технологии, примеры
После двух лет работы в онлайн-формате из-за пандемии коронавируса в ноябре 2022 года выставочный центр баварского Вюрцбурга собрал 22-й по счету конгресс «Энергия из древесины» (Holzenergie).
И сразу был зафиксирован своеобразный новый рекорд: больше 250 участников.
Мероприятие прошло под девизом «Надежное снабжение, экологически чистая, инновационная устойчивая энергия из древесины». На двенадцати специализированных форумах конгресса больше 60 специалистов рассмотрели ряд актуальных в этой сфере вопросов.
Член правления Ассоциации энергии из древесины (Fachverband Holzenergie – FVH) Бернд Хайнрих подчеркнул важность получения энергии из древесины: «Древесина – самый масштабный возобновляемый источник энергии и незаменимый, особенно для независимого от импорта ископаемого топлива теплоснабжения. Не только защита климата, но и суверенитет Германии требуют, чтобы мы срочно отказались от ископаемого топлива и использовали все доступные варианты альтернативных источников энергии, в частности древесной биомассы. Каждая тонна использованной для производства энергии древесины, будь то старая древесина, лесные отходы или отходы деревообрабатывающей промышленности, защищает климат и обеспечивает энергонезависимость».
Также г-н Хайнрих указал на текущие проблемы в отрасли и раскритиковал отсутствие серьезной поддержки политиков, содействующих, однако, развитию ветровой и солнечной энергетики. «Мы с нарастающим недоумением наблюдаем, как в разгар сильнейшего энергетического кризиса политики часто чинят препятствия развитию современной энергетики на древесной биомассе, вместо того чтобы ее поддерживать, хотя есть все предпосылки для устойчивого перехода на генерацию электрической и тепловой энергии из древесной биомассы с нынешних 16,5 до 50% в 2030 году», – сказал он.
Йоханн Ниггл, руководитель отдела возобновляемых источников энергии (ВИЭ) Баварского министерства экономики, регионального развития и энергетики, подчеркнул, что использование древесной биомассы, особенно для выработки тепловой энергии, должно быть бескомпромиссным. В обществе, к сожалению, зачастую распространено негативное отношение к использованию древесины в энергетике, как некий анахронизм XXI века. По мнению г-на Ниггла, это происходит из-за недостаточного информирования в СМИ. «Древесина ни в коем случае не составляет конкуренцию другим видам сырья для энергетики, это универсальное топливо для так называемого энергетического перехода – перехода на ВИЭ. Однако непонятно, почему "теоретики" из Еврокомиссии в Брюсселе исключили, например, порубочные остатки из списка возобновляемых источников энергии, поскольку это создает предпосылки для ложной оценки использования энергетической древесины. Необходимо противопоставлять таким решениям более широкое просвещение и информирование населения обо всех преимуществах использования энергетической древесины, как экономических, так и природоохранных», – считает Йоханн Ниггл. Согласно его сведениям, в Баварии сейчас акцент сделан не на каскадное включение маломощных котлов, а на задействование мощных ТЭС и котельных на биомассе. Такие проекты финансируются не только из федерального бюджета, но и из бюджета земли и муниципалитетов.
Глава отдела биомассы и защиты климата в сельском и лесном хозяйстве Федерального министерства экономики и защиты климата (BMWK) Мартин Вальдхаузен презентовал национальную стратегию использования биомассы и рассказал о ее разработке. Документ должны принять во второй половине 2023 года. Министерство считает необходимым уменьшить зависимость энергетики от ископаемого сырья. При глобальной цели защиты климата сокращение выбросов парниковых газов следует ускорить. Основное внимание уделяется максимальной эффективности использования биомассы. В Германии ограничен устойчивый потенциал биомассы, однако спрос на нее во многих отраслях промышленности и у населения повышается. Многие не могут понять, почему политики и некоторые эксперты ставят под сомнение экологичность энергетической древесины. Ведь древесная энергетика заслуживает большего признания ввиду эффективности, особенно в части защиты климата.
На панельной дискуссии Йоханн Ниггл заявил, что участники рынка достигли принципиального согласия по поводу целей использования энергетической древесины. Представитель Fridays for Future Этьен Денк настаивал на том, что лесное хозяйство нужно понимать как единую систему, которая в будущем должна выполнять много функций. А древесную биомассу следует полностью пустить на выработку тепла и генерацию электроэнергии, пока это необходимо.
Придерживающийся стратегии федерального правительства в отношении биомассы Мартин Вальдхаузен ясно дал понять, что приоритет использования древесной биомассы является лишь руководящим принципом, а не законом, и заверил: «Никто не собирается подрывать рыночную экономику».
Участников конгресса поддержал Хуберт Айвангер, федеральный министр экономики, регионального развития и энергетики Баварии. С редкой для его коллег прямотой он заявил, что использование лесов дискредитировано, в том числе берлинскими идеологами. Чтобы серьезно разобраться в этом, следует обратиться к фактам, которые объективно доказывают необходимость отопления энергетической древесиной. Хотя это не ново для отрасли, г-н Айвангер напомнил, что Германия сегодня располагает достаточной сырьевой базой энергетической древесины. Но многие фермерские леса используются недостаточно, поэтому лесовладелец, будучи в самом начале цепочки добавленной стоимости, должен иметь возможность получить справедливую цену на свое сырье.
На конгрессе было представлено много новых, заслуживающих внимания технических решений генерации электрической и тепловой энергии из биомассы, например так называемый гибридный концепт – ORC с абсорбционными тепловыми насосами и последние разработки газогенераторных установок, что расширяет область их применения, прежде всего для замещения природного газа.
Доктор Фолькер Ленц из Немецкого центра исследования биомассы (Deutsches Biomasseforschungszentrum – DBFZ) в Лейпциге презентовал новый проект замены жидкотопливных котлов биотопливными – OBEN-Ölersatz Biomasse Heizung.
В ближайшие 20 лет должно быть заменено больше 19 миллионов (!) котлов. То есть примерно по миллиону в год. В столь крупном проекте будут задействованы и классические технологии, и инновации. Г-н Ленц предложил поддержать замену системы отопления с помощью универсального цифрового сервиса: личный цифровой помощник будет сопровождать конечных клиентов во время процесса замены системы отопления и координировать все необходимые для этого действия. Действительно, в связи с нехваткой инженеров-теплотехников нужно использовать гибридные решения. Лучшие примеры – комбинация с источниками солнечной и тепловой энергии или тепловыми насосами, и не только в отдельных зданиях, но и в квартальных и индустриальных котельных. Таким образом можно создать больше систем с использованием ВИЭ с меньшим расходом древесины. Г-н Ленц сослался на гибридные проекты использования биомассы, один из которых представил Харальд Блазек из Steps Ahead Energiesysteme GmbH. Эта австрийская компания планирует ввести в эксплуатацию новые и оптимизировать действующие когенерационные электростанции на биомассе тепловой мощностью больше 1 МВт. Предполагается использовать конденсацию дымовых газов в сочетании с абсорбционными тепловыми насосами. Steps Ahead поставляет на европейский рынок тепловые насосы китайских производителей, хладагентом в них служит вода, абсорбентом – бромистолитиевая соль. По словам Харальда Блазека, содержание влаги в используемом топливе обычно 40–55%.
Повышенные требования к эффективности и более строгие нормы выбросов загрязняющих атмосферу веществ при сжигании топлива побудили широко известного австрийского производителя установок на биомассе Polytechnik Luft- und Feuerungstechnik GmbH усовершенствовать технологию сжигания с помощью противоточной газификации. Как напомнил Ханс Санценбахер из дочерней компании Polytechnik Deutschland GmbH, при противоточной газификации топливо подается в газификатор с неподвижным слоем сверху. Образующийся древесный газ проходит через слой топлива. Технология обеспечивает содержание в стандартном кубическом метре выхлопных газов менее 10 мг твердых частиц, то есть в пылевом фильтре нет необходимости, а эффективность такой газогенераторной установки достигает 93%. «Топливо для нашей установки должно быть высокого качества. Это главное условие, – сказал г-н Санценбахер. – Его влажность не может быть выше 45%. В основном мы выбираем топливо стандарта DIN ISO 17225. За счет высокого качества топлива в золе не будет остатков смол и кокса. Допускается использование пеллет, древесной щепы, коры, мискантуса и измельченных древесных отходов». Прямоточные газификаторы хорошо регулируются и при частичной нагрузке. Компания производит такие газогенераторные установки мощностью до 1 МВт, а с 2023 года планируется расширить линейку таких установок до 3 МВт тепловой мощности. По словам г-на Санценбахера, «система была разработана для выработки тепла, но скоро возникла идея использования генераторного газа для получения электроэнергии, и технология ORC в этом случае хороший выбор». Polytechnik теперь работает вместе с производителем систем ORC Dürr AG. В их совместном решении генераторный газ при 500–510 °С из газогенераторной установки подается напрямую в модуль ORC без контура термомасла (обычные системы ORC, как правило, работают с термомасляным котлом, поэтому сложные и дорогие). Тепловая мощность газогенератора 800 кВт, а электрическая мощность модуля ORC 120 кВт. Конструкция компактная, занимает мало места, инвестиционные затраты снижаются до 30% в сравнении с требуемыми для электростанции ORC с термомасляным контуром.
В процессе газификации также получают пиролизное масло, которое может храниться больше шести месяцев. По теплотворной способности оно уступает мазуту около 30% и предназначено для использования в качестве топлива при пиковых нагрузках и выработки тепловой энергии для технологических целей.
В Федеральном министерстве продовольствия и сельского хозяйства (BMEL) изучают другие варианты использования пиролизного масла: в качестве сырья для химической промышленности (для производства биофенолов) и для получения из твердого биотоплива жидкого (Biomass –to-Liquid) для использования в дизельных двигателях. Другой проект касается дальнейшего развития противоточной газификации Regawatt до кислородно-топливного процесса с использованием в качестве среды газификации чистого кислорода.
Компания Burkhardt GmbH объявила о выпуске недавно разработанного газификатора древесины V5.90S с когенерационным модулем. В качестве топлива служит древесная щепа, а не пеллеты. Burkhardt привела данные о производительности газификатора: электрическая мощность 160 кВт, тепловая мощность 240 кВт. С середины 2023 года должны начаться поставки V5.90S.
По словам производителя, габариты установки меньше, чем подобных газификаторов других изготовителей, и потери тепла при многоступенчатой газификации в V5.90S минимальные. Реакция протекает в реакторе в нисходящем прямотоке и в неподвижном слое. Принцип газификации обеспечивает получение чистого товарного газа, что имеет решающее значение для экономичности и высокой эксплуатационной готовности газового двигателя. Новый тип теплообменника «газ – воздух» также должен повысить КПД. Предусмотрен высокий уровень автоматизации V5.90S. Для модели на древесной щепе компания Burkhardt использует испытанные и модифицированные системы очистки и подачи газа. Согласно релизу компании, у готового к выходу на рынок V5.90S в настоящее время уже 45 тыс. ч наработки.
Томас Блейл, управляющий директор Spanner Re2 GmbH, описал, как древесный газ при высокой температуре заменяет природный газ. «Добавляя водяной пар и кислород в процессе газификации, можно получить газ с высоким содержанием энергии и нагреть его выше 1400 °С. Через три года такие газификаторы достигнут 50% объема наших продаж», – считает он. В зависимости от требований заказчика установки оснащаются двигателями разной мощности. Spanner Re2, и ее клиенты пытаются расширить ассортимент топлива, используя ореховую скорлупу, рисовую шелуху и измельченные деревянные поддоны. С разными видами топлива для газификации сейчас экспериментируют много компаний, например, Ecoloop в Лауингене (земля Баден – Вюртенберг, ФРГ) экспериментирует с газификацией пластиковых отходов ПЭТ-бутылок. Испытания со спрессованными в брикеты стеблями томатов проводятся в израильском исследовательском центре.
В зависимости от вида топлива и условий газификации меняются характеристики получаемой в процессе твердой фракции – кокса.
Что делать с газификационным коксом? Подойдет ли он в качестве кондиционера почвы, строительного материала или вместо активированного угля? А может, его нужно дожигать или даже утилизировать? Это типичные вопросы для проектов по газификации древесины. Дэвид Гуртнер из Университета природных ресурсов и науки в Вене (Universität für Bodenkultur Wien) показал, что газификационный кокс, полученный на выходе газогенератора с неподвижным слоем Syncraft, может перерабатываться в порошкообразный активированный уголь. Ввиду высокого содержания углерода и низкого содержания полициклических ароматических углеводородов этот уголь получил европейский сертификат Biochar и может применяться в сельском хозяйстве и использоваться в очистных сооружениях.
Доктор Томас Зенг из Немецкого Центра исследований биомассы (Deutsches Biomasseforschungszentrum )в Лейпциге представил результаты проекта Vergaflex, в ходе которого были изучены 128 образцов газификационного кокса. Образцы отбирались на газогенераторных установках 18 производителей, в качестве топлива служили древесные гранулы, щепа или солома. Большинство образцов включали 20–50% золы. Содержание углерода обычно было от 50 до 75%, иногда выше.
Все описанные выше технологии могут массово использоваться и в России, в первую очередь в отдаленных районах Севера, Сибири и Дальнего Востока. А топливом для них будут служить в том числе и древесные пеллеты, со сбытом которых в России сейчас большие проблемы.
По сообщению Федеральной службы государственной статистики (Росстат), объем производства древесных топливных гранул в январе 2023 года в годовом исчислении уменьшился на 49,2%.
А проведенный Рослесинфоргом анализ показал, что по итогам 2022 года, на фоне закрытия экспортных рынков и отсутствия в стране интереса к пеллетам, их производство сократилось на 19,61%, или 506 тыс. т, – до 2,073 млн тонн.
Поэтому сегодня будет как никогда кстати напомнить слова из статьи, опубликованной еще в 2016 году*: «…автор в очередной раз настоятельно рекомендует российским производителям пеллет не зацикливаться только на их экспорте. Как говорится, нельзя складывать яйца в одну корзину. В России существует огромная и еще не занятая ниша, как в генерации тепла, так и в когенерации в децентрализованной энергетике.
Во многих регионах Сибири и Дальнего Востока тарифы на тепло от 8000 руб. за 1 Гкал, а, например, в заполярном Тикси (Республика Саха – Якутия) на одной жидкотопливной котельной тариф 16 тыс. руб. за 1 Гкал. А на электроэнергию тарифы, например, в Красноярском крае выше 60 руб. за 1 кВт·ч…»
Кстати
Топливо из биомассы используется в основном в двух направлениях: для отопления и ГВС и для генерации электроэнергии и когенерации. Широкое распространение получили отопительные котлы, работающие на дровах, брикетах, пеллетах, щепе и других древесных отходах (стружка, опил). Генерация электроэнергии из биомассы сопровождается рядом технических трудностей, которые сегодня преодолеваются в основном на ТЭЦ и ТЭС за счет паровых турбин большой мощности. Для повышения эффективности биотопливной электростанции почти во всех реализованных проектах применяется технология когенерации, при использовании вырабатываемого тепла для отопления или для технологических потребностей в индустрии (например, выработка пара). Когенерационная установка (КГУ) – это та же ТЭЦ (теплоэнергоцентраль), только этот термин обычно употребляется применительно к станциям средней и малой мощности. В линейке станций от 10 МВт распространены паровые турбины. В Европе такие станции на биотопливе чаще всего до 25 МВт, в Германии – до 20 МВт, поскольку законодательство ограничивает государственные субсидии для более мощных. А в сегменте от 50 кВт до нескольких мегаватт широко представлены газогенераторные когенерационные установки, в них используется генераторный или древесный газ (нем. Holzgas), который часто не совсем корректно называют синтез-газом* (cм. подробнее «ЛесПромИнформ»: 2013–№ 4, 5; 2016–№ 2; 2017–№ 7; 2021–№ 1, 2). В газогенераторных установках при генерации электроэнергии вырабатывается тепловая энергия в виде горячей воды или пара. Особая схема позволяет повысить КПД использования топлива до 90% и выше. Основной недостаток газогенераторных установок, в первую очередь европейских производителей, – очень высокая стоимость. К примеру, ГГУ мощностью 25 кВт (по электроэнергии) компании Intrade, ФРГ, в 2015 году стоила 125 тыс. евро, а газогенераторные мини электростанции на 30 кВт другой немецкой компании, Spanner Re² GmbH, – 175 тыс. евро. В пересчете это примерно 5–6 тыс. евро за 1 кВт установленной электрической мощности (в случае ТЭЦ с мегаваттными паровыми турбинами в два с лишним раза дешевле). Для маломощных КГУ также используются, в основном в Австрии, Германии и Италии, мелкосерийные или единичные поршневые паровые минимашины (см. «ЛесПромИнформ»: 2017–№ 6; 2020–№ 6), двигатели Стирлинга (см. «ЛесПромИнформ», 2019–№ 6), ORC–модули (см. «ЛесПромИнформ», 2014–№ 5, 8). Но эти технологии пока недоработаны, к тому же дорогостоящие и менее эффективные, чем классические паровые турбины и даже газогенераторные установки.
Например, 10 лет назад, в 2013 году компания Otard, ФРГ, выпустила КГУ lionPOWER с двухцилиндровым оппозитным паровым двигателем с электрогенератором мощностью 2,25 кВт. Планировался вариант такой установки на пеллетах. Но по вышеперечисленным причинам производство подобных КГУ было свернуто. На сегодня самый известный производитель поршневых паровых машин в Европе – немецкая компания Spilling Energie Systeme GmbH.
Кстати
Природный газ остается очень важным энергоносителем в ФРГ. Немецкая организация Zukunft Gas (в свободном переводе «Будущее для газа») 13 февраля 2023 года представила федеральному правительству в Берлине отчет, не оставляющий никаких сомнений в том, что о возобновлении сотрудничества с Россией и «Газпромом» не может быть и речи. В немецких средствах массовой информации это заявление назвали «самым серьезным вызовом в новейшей истории газовой отрасли ФРГ», тогда как замещение отпавших с сентября 2022 года поставок российского газа стало самым большим вызовом для немецкой промышленности. Примечательно, что отчет был представлен на фоне резкого падения в Европе цен на газ до минимальных почти за полтора года, с сентября 2021 года, – ниже 52 евро/МВт·ч (в декабре 2022 года согласован потолок цен 180 евро/МВт·ч), то есть меньше $600 за 1000 м3. Сегодня Германию снабжает газом Норвегия, в январе 2022 года ее поставки составляли 28% объема потребления, доля российского газа в энергобалансе Германии тогда была 34,8%, в сентябре она стала нулевой, а уже в декабре норвежский газ покрывал 42,2%. Помимо норвежского газа, стопроцентное заполнение подземных газовых хранилищ в Германии к концу осени 2022 года обеспечили СПГ-терминалы в Роттердаме и Зебрюгге (Бельгия). Ну и 5% газа добывается в стране. А в декабре 2022 года – январе 2023 года в Германии заработали первые три плавучих СПГ-терминала, еще минимум три планируется ввести в строй в 2023 году. «Кризис на газовом рынке дал новый импульс движению декарбонизации», – констатировал Тимм Келер, руководитель Zukunft Gas.
Кстати
В Институте проблем химической физики РАН подобную установку – наклонный вращающийся газогенератор с ORC спроектировали больше 10 лет назад и изготовили опытный образец, но на этом, к сожалению, все закончилось, хотя разработка была намного эффективнее австрийской инновации (см. ЛесПромИнформ, 2021–№ 1).
Компания ReGaWatt GmbH из Баварии разработала систему противоточной газификации с использованием воздуха и пара в качестве газифицирующей среды. По словам управляющего директора компании Клауса Рёрмозера, система универсальная и гибкая, ее можно использовать для получения электроэнергии и в промышленности для производства технологического газа и пара. Для выработки электроэнергии газ сначала направляется в охладитель/фильтр, а потом в газопоршневой двигатель. К газификатору можно подключить несколько газопоршневых двигателей или ORC-модуль, что уже успешно сделала ReGaWatt. Установка оборудована резервуаром для хранения газа среднего давления. С целью повышения эффективности систему оснащают теплообменником для конденсации дымовых газов или абсорбционным тепловым насосом. ReGaWatt предлагает промышленным компаниям использовать древесный газ в качестве заменителя природного.
Текст Сергей Передерий
