ГЛАВА 2
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ
ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БИОТОПЛИВА
2.1. Экологический критерий эффективности энергетического
использования биомассы
В качестве экологического критерия эффективности использования биотоплива в
работе предложен показатель удельного снижения выбросов парниковых газов при
замене ископаемого топлива биомассой – [69, 71, 74, 75, 201]:
, (2.1)
где: и – абсолютные величины выбросов парниковых газов при работе на ископаемом
топливе и биомассе, соответственно, кг СО2-экв/ч;
– расход биомассы, кг/ч;
– теплота сгорания биомассы, Дж/кг.
Этот показатель относится непосредственно к биомассе, учитывая ее основные
свойства, как энергетического топлива, и не зависит от вида производимой
энергии.
Определение величины эмиссии парниковых газов основано на использовании
показателя эмиссии [кг СО2 экв/ кг], являющегося однозначной характеристикой
данного вида топлива. Тогда абсолютная величина эмиссии может быть рассчитана
по зависимости:
, (2.2)
где – расход топлива, кг/час.
В свою очередь, расход топлива определяется производительностью энергетического
агрегата и его КПД – :
(2.3)
где - полезная (отпущенная на сторону) энергия, Дж.
Предполагая, что выработка полезной энергии одинакова до и после замены
ископаемого топлива и с учетом выражений (2.2) и (2.3), вид зависимости для
определения удельного снижения выбросов парниковых газов (2.1) преобразуется в
выражение, не содержащее полезной энергии:
, (2.4)
где: ; .
Таким образом, основными параметрами, влияющими на эффективность использования
биомассы с целью снижения эмиссии парниковых газов при замене ископаемого
топлива, являются:
* показатели эмиссии парниковых газов, отнесенные к единице теплоты сгорания
топлива , аналогично [13 – 16, 68];
* отношение коэффициентов полезного действия энергоагрегатов до и после замены
ископаемого топлива; при этом имеется в виду КПД брутто – суммарный КПД,
учитывающий энергозатраты на собственные нужды и потери (в том числе и на
предварительную подготовку биомассы).
В случае совместного сжигания биомассы и ископаемого топлива при его частичной
замене зависимость для вычисления преобразуется к виду:
, (2.5)
где: ; (2.6)
– массовая доля ископаемого топлива в смеси.
Как известно, величина КПД определяется техническим уровнем используемого
оборудования и технологии преобразования энергии, как при сжигании ископаемого
топлива, так и биомассы. Кроме этого, величина КПД связана и с эффективностью
использования оборудования во времени, что особенно важно для случая совместной
выработки тепловой и электрической энергии.
Особое место занимает случай частичного использования энергетического
потенциала биомассы, например, при использовании технологии пиролиза. В этом
случае коксовый остаток может быть использован как топливо или, как углеродный
материал для технологических нужд (получение активированного угля и т.п.).
Соответственно, в выражении (2.4) КПД энергоагрегата при работе на биомассе
должен учитывать потери тепловой энергии при пиролизе, а расчет показателя
эмиссии производиться применительно к сжиганию летучих продуктов пиролиза.
Исследование экологической эффективности биоэнергетических технологий
предполагает знание показателей эмиссии, как основных видов ископаемого
топлива, так и биомассы различных видов. В связи с отсутствием необходимых
данных в отечественной литературе применительно к условиям Украины, в рамках
работы создана методика, позволяющая оценить показатели эмиссии на основе
системного подхода.
2.2. Разработка методики определения величины показателя эмиссии
парниковых газов в условиях Украины
Системный подход к определению величины показателя эмиссии, аналогично [13 –
16, 68], включает суммирование выбросов парниковых газов по всей
технологической цепочке использования топлива, начиная с добычи и завершая его
сжиганием. Таким образом, структура показателя эмиссии для любого вида топлива
состоит из четырех основных составляющих: эмиссии при добыче топлива – , его
транспортировке – , переработке – , сжигании топлива – . Тогда общий вид
зависимости для расчета показателя эмиссии можно представить как сумму:
+++. (2.7)
При этом в расчетах учитываются все основные виды энергоносителей (топливо,
тепловая и электрическая энергия), используемые на всех технологических
этапах.
Графически эта зависимость для различных видов ископаемого топлива представлена
на схемах (рис. 2.1, 2.2, 2.3).
Таким образом, величина показателя эмиссии зависит от национальных особенностей
энергетического комплекса каждого государства (наличие собственных топливных
ресурсов, структура и особенности энергетической и добывающей отраслей
промышленности, территориальное расположение и т.д.). Ниже приведены методики
определения показателя эмиссии для основных видов ископаемого топлива и
биомассы применительно к условиям Украины.
2.2.1. Методика определения показателя эмиссии парниковых газов при сжигании
угля в условиях Украины.
Добыча угля в Украине производится в основном подземным способом (около 99%
[86]). В связи с этим, при разработке алгоритма были использованы данные о
затратах электрической и тепловой энергии, характерных для этого способа
добычи, применительно к условиям Донецкого угольного бассейна, где добывается
более 80% отечественного угля. Основные источники выбросов парниковых газов при
добыче угля связаны с потреблением электрической и тепловой энергии и выбросами
метана в р