Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,737

ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВНЕДРЕНИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ В ИНДИВИДУАЛЬНОЙ СИСТЕМЕ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Леканова Т.Л. 1 Андронов А.В. 1
1 Сыктывкарский лесной институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С. М. Кирова» (СЛИ)
В статье рассмотрена возможность перехода на энергосберегающие технологии на примере учебно-лабораторного центра, находящегося в г. Сыктывкаре. Для реализации проекта был выполнен расчет экономического эффекта, рентабельности и срока окупаемости для трех видов древесных отходов: опилок, щепы и топливных брикетов. В результате анализа сделан вывод о том, что наиболее рентабельным, при одинаковых инвестиционных затратах будет первый вариант – использование в качестве топлива отходов лесоперерабатывающего производства – опилок. Перевод индивидуальной системы теплоснабжения на древесные отходы позволит снизить выбросы загрязняющих веществ в атмосферу по сравнению с использованием угля, а также сократить количество древесных отходов, скапливающихся на полигонах хранения и, как следствие, уменьшить количество газов анаэробного разложения и снизить вероятность возникновения парникового эффекта в атмосфере Земли.
анаэробное разложение древесных отходов
рентабельность
экономия
котельная
энергосбережение
теплоснабжение
древесные отходы
1. Государственный доклад «О состоянии окружающей среды Республики Коми в 2012 году» [Электронный ресурс] / Мин-во природных ресурсов и охраны окружающей среды Респ. Коми. – Сыктывкар, 2013. – 199 с. – Режим доступа: http://gov.rkomi.ru/content/7564/2013.07.05_%D0%93%D0%94_2012.pdf. – (Дата обращения: 1.04.2014).
2. Леканова Т.Л., Чупров В.Т., Лапин С.Е. Пути модернизации кавитационного теплогенератора // Юбилейные февральские чтения : сб. матер. науч.-практ. конф. профессорско-преподават. состава Сыкт. лесн. ин-та по итогам науч.-исследоват. работ в 2011 году: науч. электрон. изд. / Сыкт. лесн. ин-т – фил. ГБОУ ВПО «С.-Петерб. гос. лесотехн. ун-т им. С.М. Кирова». – Сыктывкар: СЛИ, 2012. –С. 492-496.
3.Леканова Т.Л., Чупров В.Т., Лапин С.Е. Результаты исследований тепломассообменных процессов и их внедрение в учебный процесс // Юбилейные февральские чтения : сб. матер. науч.-практ. конф. профессорско-преподават. состава Сыкт. лесн. ин-та по итогам науч.-исследоват. работ в 2011 году : науч. электрон. изд. / Сыкт. лесн. ин-т – фил. ГБОУ ВПО «С.-Петерб. гос. лесотехн. ун-т им. С. М. Кирова». – Сыктывкар: СЛИ, 2012. – С. 462-469.
4. Леканова Т.Л., Чупров В.Т. Установка многотопливного котла на Монди СЛПК для выработки энергии на собственные нужды и утилизации отходов биомассы // Региональные аспекты развития биоэкономики : сб. материалов междунар. науч.-практ. конф. (Киров, 27-28 июня 2013 г.). – Киров, 2013. – С. 36-37.
5. О федеральном бюджете на 2014 год и на плановый период 2015 и 2016 годов: федеральный закон от 02.12.2013 №349-ФЗ (ред. от 28.06.2014). – Режим доступа :http://base.consultant.ru/cons/cgi/online.cgi?req=doc;base=LAW;n=165201.
6. Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации: федеральный закон от 23 ноября 2009 г. №261-ФЗ. – Министерство энергетики Российской Федерации. – Режим доступа : http://www.energosovet.ru/fzakon.html.
7.Основные направления развития лесопромышленного комплекса Республики Коми на 2010–2015 гг. и на период до 2020 г. // Мин-во развития промышленности, транспорта и связи Респ. Коми. – Сыктывкар, 2014. – 54 с. – Режим доступа: http://minprom.rkomi.ru/page/5912/. – (Дата обращения: 03.09.2014).
8.GoodpracticeguidanceanduncertaintymanagementinnationalGHGinventories (Руководящие указания по эффективной практике и учету факторов неопределенности в национальных кадастрах парниковых газов // МГЭИК–2000. – Режим доступа: http://www.ipcc-nggip.iges.or.jp/public/gp/russian/.

Климатические изменения все больше представляют угрозу для жизни людей. В 1992 году Организацией Объединённых Наций (ООН) была принята Всеобщая конвенция «О климатических изменениях». Конвенция признаёт, что вследствие деятельности человека в атмосфере значительно увеличилась концентрация газов, вызывающих парниковый эффект. Использование биомассы в качестве возобновляемого энергоресурса вместо каменного угля и нефтепродуктов является одним из способов уменьшения концентрации вредных выбросов. Объем углекислого газа, выделяемый при горении биомассы, имеет нейтральное воздействие на окружающую среду. Использование древесных отходов в процессе производства тепла не только положительно влияет на окружающую среду, но и является экономически эффективным решением вопросов теплоснабжения [4].

В Республике Коми, как и во многих других регионах России, имеется высокий энергетический потенциал, но при этом наблюдается дефицит электрической и тепловой энергии в районах, удаленных от основных промышленных и энергетических центров республики. В структуре топливного баланса Республики Коми преобладает природный газ – 68 %, на долю угля приходится 24 %, мазут составляет 7 % и древесное топливо – около 1%. Использование привозного мазута и угля с высокими транспортными затратами на их доставку формирует высокие тарифы для населения Республики, средний тариф по Республике 1274 руб. в месяц за Гкал. Учитывая прогнозируемый рост цен на газ и экономические ограничения сплошной газификации территории Республики, можно предусматривать устойчивую роль биотоплива в муниципальной энергетике лесных районов [7].

Общая площадь земель лесного фонда в Республике Коми на 1 января 2014 г. составляет 36264,9 тыс. га, или 87,2 % территории Республики [1]. В последние годы энергетическое использование древесных отходов рассматривается как альтернатива традиционным видам топлива. Это связано с тем, что древесные отходы являются нейтральными по отношению к выбросу диоксида углерода, имеют низкое содержание серы, относятся к возобновляемым источникам энергии.

Внедрение системы использования древесных отходов в качестве топлива в индивидуальной системе теплоснабжения учебно-лабораторного центра Сыктывкарского лесного института (СЛИ) является важным для решения проблем, связанных с повышением энергетической эффективности и энергосбережения, согласно основным положениям федерального закона № 261-ФЗ [6].

Во всем мире постепенно отказываются от котельных, работающих на видах топлива, загрязняющих окружающую среду (угле и мазуте) [2]. Кроме экологического риска причиной этому служат малая эффективность и высокие эксплуатационные расходы, особенно стоимость топлива, для традиционной энергетики [3].

Получение готовой продукции из древесины сопровождается выработкой большого количества древесных отходов. Типичное лесоперерабатывающее предприятие превращает около 60 % древесины в доски, при этом 12 % уходит в опил, 6 % – концевые обрезки и 22 % – горбыль и обрезки кромок. Объем опила и стружки на этапе деревообработки достигает 12 % от исходного сырья. За 2012 г фактическая заготовка древесины по Республике Коми составила 7 638 тыс. куб. м. [1]. Отходы лесозаготовок при объеме заготовки 7,6 млн куб. м древесины примерно составляют 1,4 млн куб. м, из них 0,5 млн куб. м в виде сучьев, веток и прочих отходов остается на лесосеках. В составе заготавливаемой древесины 1,5 млн куб. м приходится на дровяную древесину. Сегодня производство биотоплива в Республике Коми находится на начальном этапе развития. В Республике Коми слабо используется имеющийся потенциал сжигания древесины в качестве энергетического топлива. При этом основное количество древесины сжигается в печах населением и на различных муниципальных объектах.

До реализации проекта теплоснабжение учебно-лабораторного центра осуществлялось от котельной, расположенной на его территории. Котельная предназначена для теплоснабжения трех зданий: общей площадью 1 760 кв. м., объемом 10 200 куб. м. В качестве топлива использовались каменные угли Печорского бассейна интинского месторождения Qнр= 20 500 кДж/кг. Древесные отходы местных лесопильных предприятий ввиду отсутствия мощностей по их утилизации вывозились на свалки. В котельной установлены два чугунных секционных котла типа «Универсал – 6М» поверхностью нагрева 33 кв. м. Номинальная мощность одного котла 422 кВт. Водогрейный котёл «Универсал – 6М» – это устройство, имеющее топку, обогреваемую продуктами сгорания топлива и предназначенное для нагревания воды, находящейся под давлением выше атмосферного и использующейся в качестве теплоносителя вне самого устройства. Теплоноситель – вода с температурой 95 – 70 °С.

Общее теплопотребление зданий учебно-лабораторного центра СЛИ составляет 856 007 кВт-ч/год, из них:566 402 кВт-ч/год – учебно-производственный корпус;263 300 кВт-ч/год – материально-технический склад;26 305 кВт-ч/год – лыжная база. Существующая схема теплоснабжения представлена на рис. 1.

Рис. 1. Теплоснабжение площадки (текущая ситуация)

Для реализации проекта был подобран комплекс котельной на базе котла КТУ-500 с топливным складом (ПО «Теплоресурс», г. Ковров), который удовлетворяет всем необходимым требованиям по тепловой мощности. В дальнейшем были рассмотрены 3 варианта: перевод котельной с угля на опилки, перевод котельной с угля на щепу, перевод котельной с угля на брикеты.

Чистая годовая экономия после реализации проекта при переводе котельнойс угля опилки составит 1 758 898 руб/год, с угля на щепу – 1 397 098 руб/год (табл. 1). При переводе котельной с угля на брикеты чистая годовая экономия представляет собой отрицательную величину и составляет – 255 292 руб/год. Таким образом, в данном варианте расходы превышают доходы. Учитывая показатель годовой экономии, из рассмотренных вариантов предпочтительным является Вариант 1: перевод котельной с угля на опилки, который имеет наибольшую экономию в год – 1 758 898 руб/год.

Таблица 1

Чистая годовая экономия

Элементы экономии

Текущая ситуация

После внедрения мероприятия

Чистая экономия

 

Кол-во

(руб/год)

Кол-во

(руб/год)

Кол-во

(руб/год)

Вариант 1.Перевод котельной с угля на опилки

Топливо (уголь), т

517

2 223 100

0

0

517

2 223 100

Топливо (опилки), т

0

0

1 316

197 400

-

- 197 400

Электроэнергия, кВт-ч

14 800

56 832

74 400

284 952

59600

- 228 120

Вода, м3

1 071

37 067

1 071

37 067

-

0

Плата за НВОС, т

63,405

11 904

15,140

7 025

48,265

4 879

Зарплата персонала, чел.

4

726 028

4

769 589

-

- 43 561

Общая чистая экономия по варианту 1

1 758 898

Вариант 2. Перевод котельной с угля на щепу.

Топливо (уголь), т

517

2 223 100

0

0

517

2 223 100

Топливо (щепа), т

0

0

932

559 200

932

- 559 200

Электроэнергия, кВт-ч

14 800

56 832

74 400

284 952

59 600

- 228 120

Вода, м3

1 071

37 067

1 071

37 067

-

0

Плата за НВОС, т

63,405

11 904

15,140

7 025

48,265

4 879

Зарплата персонала, чел.

4

726 028

4

769 589

-

- 43 561

Общая чистая экономия по варианту 2

1 397 098

Вариант 3.Перевод котельной с угля на брикеты.

Топливо (уголь), т

517

2 223 100

0

0

517

2 223 100

Топливо (брикеты), т

0

0

570

2 280 000

570

- 2 280 000

Электроэнергия, кВт-ч

14 800

56 832

56 544

216 563

41 744

- 159 710

Вода, м3

1 071

37 067

1 071

37 067

-

0

Плата за НВОС, т

63,405

11 904

15,140

7 025

48,265

4 879

Зарплата персонала, чел.

4

726 028

4

769 589

-

- 43 561

Общая чистая экономия по варианту 3

-255 292

Инвестиционные затраты по проекту включают в себя следующие основные элементы: проектирование; управление проектом; оборудование и материалы; монтаж и пуско-наладочные работы; транспортные расходы; строительство; непредвиденные расходы. Инвестиционные затраты по вариантам 1 и 2 составляют 4752 900 руб, по варианту 3 –2 420 600 руб. В комплект оборудования по варианту 3 не вошли топливный склад и система топливоподачи, так как они предназначены только для автоматизированного приема сыпучего топлива.

Ежегодные эксплуатационные затраты после введения котельной в эксплуатацию включали следующие элементы: топливо; электроэнергия; вода; заработная плата. Годовые затраты по проекту по варианту 1 составили – 1 289 008 руб/год, по варианту 2 – 1 650 808 руб/год, по варианту 3 – 3303 219 руб/год. Увеличение затрат по вариантам 2 и 3 по сравнению с вариантом 1 обусловлено тарифами на эти виды топлива: опилки – 150 руб/т; щепа – 600 руб/т; брикеты – 4000 руб/т.

Рентабельными являются варианты 1, 2, нерентабелен вариант 3 (табл. 2). Оптимальным признан вариант 1, т.к. при одинаковых с вариантом 2 инвестиционных затратах он приносит большую годовую экономию, более короткий срок окупаемости и более высокую доходность. Вариант 1 будет использован для дальнейшей реализации.

Таблица 2

Рентабельность проекта

Показатель

Вариант 1

Вариант 2

Вариант 3

Итого, инвестиции, руб.

4 752 900

4 752 900

2 420 600

Чистая экономия, руб./год

1 758 898

1 397 098

- 255 292

Окупаемость, лет

2,7

3,4

-

Чистая текущая стоимость (NPV), руб.

8 608 908

5 860 316

-

Внутренняя норма доходности (IRR), %

34,4

25,6

-

Условия: экономический срок эксплуатации = 10 лет.

После реализации проекта негативное воздействие на окружающую среду снизится за счет уменьшения вредных выбросов котельной при переходе от сжигания угля на сжигание опилок. Ниже приведено сокращение потребления угля, увеличение потребления электроэнергии, а также сокращение количества древесных отходов, размещаемых на свалках.

Расчетная экономия:

Снижение потребления топлива (угля), необходимого для получения тепловой энергии

=

2 533

Гкал/год

=

517

т/год

Увеличение потребления электроэнергии за счет внедрения механизации подачи топлива

=

59 600

кВт-ч/год

 

 

 

Уменьшение количества древесных отходов, размещаемых на свалках

 

 

 

=

1 316

т/год

Важной особенностью древесной биомассы, как топлива, является отсутствие в ней серы и незначительное содержание внутренней золы – не более 1%. Существующее количество образования золошлаков от сжигания углей составляет 137 т/год. Образование золы от сжигания древесных отходов после реализации проекта составит 16 т/год.

Реализация проекта приведет к снижению вредных выбросов в атмосферу (рис. 2). Данные для рисунка 2 рассчитаны на основе: сокращения потребления угля (517 т/год), а также сокращения количества древесных отходов, размещаемых на свалках (1 316 т/год).

Рис. 2. Снижение вредных выбросов в атмосферу от внедрения проекта(т/год)

Реализация проекта приведет к сокращению выбросов парниковых газов от сжигания ископаемого топлива и анаэробного разложения древесных отходов на свалках. Анаэробное разложение древесных отходов на свалках сопровождается выделением CH4. Уменьшение количества выбросов метана составит 121 т/год. Расчет эмиссии метана с полигонов (табл. 3) выполнен на основании руководящих указаний МГЭИК по эффективной практике и учету факторов неопределенности в национальных кадастрах парниковых газов, 2000) [8]:

ЕСН4 = (MSW ∙ MCF ∙ DOC ∙DOCf∙ F ∙ 16/12 - R) ∙ (1-OX),

где ЕСН4 – выброс метана, Гг/год; MSW – общее количество отходов, захороненных на свалках за год; MCF – коэффициент коррекции потока метана, доля (0,6); DOC – потенциально разлагаемое органическое вещество (определяется по составу отходов); DOCf – доля DOC, которая фактически разлагается (типичное значение 0,77); F – доля метана в образующихся на свалках газа (типичное значение 0,5); 16/12 – коэффициент преобразования С в СН4; R – утилизированный метан (Гг/год); ОХ – коэффициент окисления (обычно = 0).

Таблица 3

Результаты расчета эмиссии метана из 1 316 т отходов и пересчет в эквивалент диоксида углерода CO2

Наименование

объекта отходов

Эмиссия метана,

т / т отходов

Количество

древесных отходов,

т/год

Эквивалент СО2,

т/ т отходов

Количество метана CH4, т/год

Эквивалент СО2,

т/ год

Полигон древесных опилок

0,092

1 316

1,941

121,07

2 554,356

Расчет платы за выбросы загрязняющих веществ в атмосферный воздух выполняется по формуле:

Пл = ∑(Мi∙Нплi∙Кэк),

где Пл – плата за выброс загрязняющего вещества, руб.; Мi – фактическая масса выброса загрязняющего вещества, т; Нплi – норматив платы, руб./т; Кэк – коэффициент, учитывающий экологические факторы.

Согласно Федеральному закону от 02.12.2013 № 349-ФЗ [5] нормативы платы за негативное воздействие на окружающую среду, установленные Правительством Российской Федерации в 2003 г. и в 2005 г., применяются в 2014 г. с коэффициентом соответственно 2,33 и 1,89. Сумма платы за загрязнение атмосферного воздуха представлена в табл. 4.

Таблица 4

Расчет платы за выбросы загрязняющих веществ

№ п/п

Наименование загрязняющего вещества

Кол-во ЗВ, т/год

Нормативы платы за выброс 1 т ЗВ, руб.

Коэф., учит. экол. фактор для районов Северо-Запада

Коэф. инфляции

Плата за год, руб.

при существующем уровне

1

NO

0,188

35

1,4

2,33

21,464

2

NO2

1,157

52

1,4

2,33

196,255

3

CO

17,598

0,6

1,4

2,33

34,443

4

SO2

24,196

21

1,4

1,89

1 344,475

5

Сажа

20,265

80

1,4

1,89

4 289,695

6

Бенз(а)пирен

0,0009

2 049 801

1,4

2,33

6 017,806

 

ИТОГО

11 904,138

после реализации проекта

1

NO

0,270

35

1,4

2,33

30,826

2

NO2

1,662

52

1,4

2,33

281,915

3

CO

13,206

0,6

1,4

2,33

25,846

4

Бенз(а)пирен

0,001

2 049 801

1,4

2,33

6 686,450

 

ИТОГО

7 025,037

Таким образом, реализация проектных мероприятий позволит: повысить качество и надежность теплоснабжения учебно-лабораторного центра; сократить вывоз древесных опилок на свалки; исключить потребление каменного угля в старой котельной учебно-лабораторного центра; сократить финансовые издержки на содержание котельной; снизить негативное воздействие на окружающую среду; сократить выбросы метана на свалках древесных отходов; сократить выбросы парниковых газов (ПГ).

Рецензенты:

ЧукреевЮ.Я., д.т.н., ведущий научный сотрудник, директор института социально-экономических и энергетических проблем Севера Коми научного центра Уральского отделения Российской академии наук, г. Сыктывкар;

Кочева Л.С., д.х.н., руководитель лаборатории химии минерального сырья Института геологии Коми НЦ УрО РАН, г. Сыктывкар.


Библиографическая ссылка

Леканова Т.Л., Андронов А.В. ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВНЕДРЕНИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ В ИНДИВИДУАЛЬНОЙ СИСТЕМЕ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 6.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=15630 (дата обращения: 21.08.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252