Биоэнергетический миф Украины: анализ рынка переработки биомассы

11 Июн

Основной объем биомассы в Украине производит агропромышленный комплекс на возделываемых угодьях. Леса занимают только около 15% территории страны, а в мировой практике основным сырьем для производства топливных гранул является древесина. Украина — единственная страна в мире, на территории которой солому зерновых культур попытались переработать в промышленных масштабах с использованием оборудования, которое применяли в комбикормовой отрасли. Реализация подобных проектов привела к значительным технологическим, экономическим и управленческим ошибкам.

Украинский агросектор вскрыл очень большую проблему, попытавшись переработать солому в твердое биотопливо. Способы предварительной заготовки соломы в качестве сырья для дальнейшей переработки отлажены в значительной степени.  Перед нами была поставлена первоначальная задача по разработке технологии прессования биомассы из соломы, которая требует небольших энергозатрат. В процессе ее реализации нами были проанализированы различные технологические подходы и результаты их практической реализации. Было выявлено, что только на отдельных производствах получают стабильный результат переработки, при этом реальная доходность не превышает 15%, а большинство технических параметров оборудования, заявленных производителями, не выдерживают никакой критики.

К сожалению, большинство производителей твердого биотоплива только обещают дать ответ на этот вопрос о том, где находится стабильно работающий завод по переработке соломы. Положительных результатов добились лишь несколько фирм, остальных постигла неудача. На сегодня себестоимость переработки 1 тонны соломы составляет 550-1100грн/т, а древесины — 400-800 грн/т.

Очень сильно влияет на этот показатель фракционный видовой состав растений и влажность исходного материала. Такая разница в затратах вызвана технологическими ошибками при проектировании, допущенными в попытке сэкономить на стоимости оборудования. При составлении бизнес-планов часто встречается значение себестоимости 250-300грн/т., которое в 2-3 раза отличается от практических данных. Такие необоснованные экономически параметры приводят к ошибке и влияют на фактические сроки окупаемости инвестирования в строительство предприятий биоэнергетического комплекса.

Очень многие считают, что собственное сырье для производства пеллет может быть бесплатным. Это ошибочное мнение! Именно вопрос о том, кто является владельцем сырья, и какова его себестоимость являются основополагающими.

Как правило, для соломы и древесины используют классическую технологию переработки кормов с частичной адаптацией к виду биомассы. Но производство комбикормов по технологии значительно отличается от изготовления твердого топлива. Необходимо перерабатывать пористый органический полимер растительного происхождения, содержащий влагу.

Многие производители не уделяют внимание тому, что перерабатываемый органический полимер имеет специфические физико-химические характеристики и реологические свойства. В результате, машины работают при высокотемпературных режимах, с большими нагрузками, значительными энергетическими затратами, имеют низкую износостойкость рабочих органов.

Краеугольным камнем технологии оказалось измельчение соломы перед прессованием. В качестве основного элемента использовали низкоэффективную молотковую дробилку с КПД 5-10%, который зависит от влажности сырья. При этом почти никто не учел, что прочность межклеточных связей соломы соответствует величине межмолекулярных связей низкосортной стали. Получается, что при прессовании нужно прилагать такое же усилие, как и при переработке тонких стальных проволочек. В результате затраты мощности на одну тонну соломы составят 120-420 кВт, что сводит рентабельность производства к нулю. Поэтому многие производители, которые не учитывают этот фактор, несут убытки и отказываются от дальнейшей работы с соломой.

Большинство производителей оборудования не могут объяснить физику процессов, происходящих при переработке биомассы. Фундаментальными научными исследованиями в этой области мало кто занимается.

При переработке остро стоит вопрос о стоимости тонкого помола сырья. Для  расчета процессов переработки необходимо хорошо понимать физико-химические свойства исходного материала.

Проблема выбора прессующего оборудования зависит от свойств перерабатываемого материала. В связи с тем, что переработке подвергают полимер, обладающий свойствами бингамовского тела (нетекучестью), необходимо применять только шнековые специализированные прессы. Применение ударного воздействия для прессования низкоэффективно, и не учитывает реологические свойства перерабатываемого материала. Эффективность же работы роликового пресса снижается при переработке материалов имеющих низкую насыпную плотность. При переработке комбикорма она составляет 70%, древесины — менее 30%, соломы – менее 10%.

Изучив детально эти проблемы, мы пришли к заключению, что применение «комбикормовой» технологии для прессования биомассы крайне неэффективно, что особенно ярко проявилось при переработке соломы. Производство комбикорма и топлива это разные задачи и процессы. Основным в этом процессе является учет межклеточных связей и физико-химических свойств перерабатываемого сырья.

Очень часто встречается два подхода к решению этой проблемы:

  1. Правильный и дорогостоящий с привлечением научного обоснования технологических процессов;
  2. Местные проекты, выполненные по наитию, без глубокого понимания происходящих технологических  процессов.

Проявляется интересная закономерность. Возьмем стоимость полных линий для переработки однотипного сырья различных производителей. Сравним стоимость оборудования в пересчете на производительность в одну тонну и энергозатраты. Оказывается что стоимость дешевых украинских предложений одинакова с известными фирмами. Инвестиционные затраты низки, а эксплуатационные высоки.

Предлагаю задуматься над интересным фактом: на рынке массово предлагают по различной цене оборудование для изготовления комбикорма, бывшее в употреблении. При этом никто не указывает главную причину отказа от его использования — экономические неудачи процесса эксплуатации и неверная оценка себестоимости конечной продукции. Ошибка в определении последней иногда достигает величины в 4 раз в сторону увеличения. Она и заставляет принять решение о прекращении работы на столь перспективном рынке.

Учет факторов, определяющих физику и химию процесса прессования, дает возможность точно определить стоимость необходимого оборудования и спрогнозировать конечный результат изготовления биотоплива.

Изучив условия, влияющие на качество твердого топлива из биомассы, мы пришли к выводу, что механическая прочность топливной гранулы зависит именно от твердофазной термохимической реакции полимеризации и низкотемпературной термодеструкции. Поэтому использование ударного воздействия при прессовании не эффективно, так как при нем не соблюдаются условия для полимеризации. Основным в переработке биомассы должен стать деформационный сдвиг ее слоев.

На сегодня при поставке из Украины в Европу 90% биотоплива бракуют по причине низкой механической прочности. Поэтому предприятия недополучают ожидаемую прибыль. Кроме этого на экспорт идет твердое биотопливо первого поколения, которое не подлежит длительному хранению. Из него невозможно создать стратегические запасы, потому что оно в процессе хранения рассыпается.

К сожалению, многие производители оборудования не в состоянии проводить научные изыскания в этом направлении. Поэтому говорить о промышленном и научно обоснованном производстве биотоплива в Украине пока рано. Его начнут через 3-4 года, когда будет отлажена новая, более эффективная технология получения твердого биотоплива второго поколения. Такие работы уже ведут в некоторых украинских НИИ с практической апробацией полученных результатов. Для массового внедрения разработанных технологий и конструкций оборудования необходимо определенное время для доводки и проведения промышленных испытаний. Но уже сегодня нужно понимать, что твердое биотопливо первого поколения можно получать только применяя «комбикормовые» технологии с высокими энергозатратами.

Использовав качественно новый подход, можно получить структурно видоизмененное торрефицированное твердое биотопливо второго поколения, которое будет обладать более высокими энергетическими показателями и прочностью, что позволит долго хранить его и создавать стратегические запасы.

Неурегулированные экономические и юридические аспекты очень сильно повлияли на развитие биотопливной отрасли в Украине. Некорректная расшифровка термина «биомасса» в нормативных документах затруднила легализацию работы как предприятий, производящих биотопливо, так и тех, которые используют его для генерации тепловой и электрической энергии. Очень сложно получить льготный «зеленый» тариф при работе с биомассой. А отсутствие стандартов на твердое топливо из соломы привело к тому, что цена на произведенную продукцию была снижена по причине ее некондиционной зольности 7-9%.

Дисбаланс цен на твердое биотопливо между внешним и внутренним рынками привел к тому, что экспорт для переработчиков стал убыточным. Сегодня из зарегистрированных в Украине 350 предприятий работает только 40. Основная масса переработчиков сумела выжить за счет переориентации продажи продукции на внутренний рынок по значительно более высокой цене 1200-1500 вместо 600 грн/тонну. Продавать твердое топливо из биомассы по цене 600-800 грн/тонну убыточно!

Переработка древесной биомассы имеет свою специфику. В первую очередь она связано с тем, что в основной массе древесина влажная, а биомасса, получаемая от производителя сельскохозяйственной продукции в момент уборки урожая – сухая. В процессе хранения она набирает влагу, а древесина – наоборот отдает. Вопрос удаления влаги из капиллярно-пористых структур, которыми являются растения, очень важен. Для существующих технологий получения твёрдого топлива узким местом является сушка биомассы до достижения влажности сырья 10-12% от абсолютной массы. К сожалению, поставщики оборудования часто не указывают количество энергии, необходимой для обеспечения качественного процесса переработки, считая сушку сырья условно «бесплатной». Но производителю биотоплива необходимо понимать, что для сушки одной тонны древесины с абсолютной влажностью 50-60% необходимо 5-7 МВт тепла. Затраты тепла на сушку также зависят от температуры окружающей среды, что объясняет причины сезонного колебания производительности и себестоимости продукции.

Пресс ролико-матричного типа (например, ОГМ) является одним из широко распространенных видов оборудования для переработки биомассы. Факторы, определяющие его низкую эффективность в этой области использования:

  • Высокая упругость прессуемого сырья (соломы);
  • Повышенный расход энергии на «прессование» материала между отверстиями матрицы;
  • Малый процент деформационных сдвигов.

Проведенный анализ показал, что в существующем оборудовании недостаточно учтены свойства сырья и особенности процессов, происходящих при производстве топлива. При разработке предлагаемой технологии увлажненного прессования исходное сырье рассматривалось как механическая и химическая смесь полимеров биологического происхождения капиллярно-пористой структуры, что и определило используемые подходы к его переработке.

Производство топливных гранул можно считать процессом повышения плотности исходного сырья. Рассматривая измельчение биомассы с этой точки зрения, и учитывая, что основной ее объем составляют клеточные структуры, можно сделать вывод: при измельчении характерный средний размер получаемых частиц вещества должен быть меньше характерного размера клетки.

В настоящее время в Украине можно реализовывать только те проекты, в которых выполнены такие условия:

  1. Заказчик является собственником сырья
  2. Биомасса образуется как отходы от основного производства
  3. Полученное топливо необходимо заказчику для решения собственных энергетических и технологических задач
  4. Заказчик сам способен финансировать реализацию проекта.

Самым важным фактором для возможности переработки биомассы в Украине является создание внутреннего рынка потребления, который напрямую будет зависеть от внутренней цены на твердое топливо (уголь), формируемой на основе цены на газ.

Продажа биомассы за пределы Украины приводит к экспорту органических ресурсов по бросовым ценам и подрыву экономики страны. Кроме того, вывоз каждой тонной биомассы из соломы означает потерю 80-100 кг веществ минеральной группы и нанесение трудновосполнимого ущерба земле. Решение этого комплекса проблем — в создании внутреннего потребления биотоплива, которое заменит дорогие импортные источники энергии. Путь строительства мощных стационарных заводов, расходующих более 20 т/ч, оказался низкоэффективным, потому что биомасса является распределенным по площади источником энергии. Правильным будет размещение оборудования малой мощности возле локальных мест производства/произрастания биомассы.

Очень актуален будет для Украины такой технологический подход: излишки биомассы необходимо гранулировать и закладывать на хранение, затем полученное топливо по мере необходимости термически разложить на синтез-газ (для получения тепловой энергии) и углеродный остаток (древесный уголь). Полученный «биочар» (мелкий отсев древесного угля) возвратить обратно в почву для восстановления плодородия. Такой подход разрешит конфликт между получением альтернативной энергии и правильной эксплуатацией земельных ресурсов.

Отдельно необходимо рассмотреть сжигание биомассы для получения тепловой энергии — основу внутреннего рынка потребления биотоплива. Попытки сжигать биомассу по угольной схеме оказались неэффективными в связи с неполным сжиганием биомассы. Правильно использовать биомассу можно приданием ей дополнительной энергии при термическом разложении с получением синтез-газа и сжигании его без охлаждения. Хорошим вариантом также является сжигание биомассы в плазме с газификацией продуктов сгорания. Эти способы позволят полностью извлечь энергию из сжигаемого материала.

Грануляция биомассы позволяет решать такие задачи:

  1. Изменение логистики перевозок
  2. Изменение логистики хранения
  3. Стандартизация параметров твердого топлива.

Полученные решения позволяют повысить экономическую эффективность и, не смотря на технические и экономические сложности, получить планируемую прибыль. Переработка биомассы является очень перспективной отраслью, которая позволит увеличить рентабельность аграрного и лесного сектора в несколько раз. Развитие этой отрасли напрямую зависит от создания ВНУТРЕННЕГО РЫНКА ПОТРЕБЛЕНИЯ БИОМАССЫ с максимальной глубиной степени переработки.

Автор: Владимир Бунецкий, аспирант ХНТУСХ