Posouzení potenciálu peletové energetiky v Rusku – Energetická politika

Neustále rostoucí spotřeba energie vyžaduje zahrnutí stále většího počtu všech aktuálně dostupných zdrojů paliv a energie do bilance globální spotřeby energie [1,2]. Roční růst celosvětové spotřeby energie od roku 2011 do roku 2021. činil minimálně 1,3 % ročně [3].
Biopalivo je jedním z alternativních zdrojů energie k tradičním zdrojům energie. V pevné formě se používá ve formě biomasy s přirozenou vlhkostí (u dřeva cca 50 %) a v rafinované formě zejména ve formě pelet (vlhkost cca 10 %) [4]. Spalování biomasy o přirozené vlhkosti je účinné v kotlích, zejména kotlích vyráběných společnostmi Geyser, Teploresurs, Sojuz Proekt z města Kovrov, které mají analogy od rakouských výrobců. Díky dobře rozvinuté vnitřní konkurenci důstojně reprezentují ruský trh kotlů na spalování biomasy o přirozené vlhkosti. Účinnost těchto kotlů s čistým výměníkem je přibližně 86%, při znečištění klesá přibližně o 10-15%, v souvislosti s tím je jejich nevýhodou absence samočistícího systému výměníku v základní konfiguraci, což vede ke snížení jeho účinnosti během provozu.
Slova D. I. Mendělejeva „Spalování ropy je jako topení v kamnech bankovkami“ se nejlépe hodí k charakterizaci pelet vyrobených z biomasy. Velký chemik navrhl nejprve z něj izolovat všechny užitečné komponenty a teprve potom přeměnit zbytky na vhodné palivo. Mezi výhody pelet patří:

1. Nízká vlhkost – štěpka a palivové dříví mají vlhkost 50 %, vlhkost pelet se pohybuje od 8–12 %.
2. Úspora na dopravě – přepravovat palivové dříví a štěpku na vzdálenosti větší než 50–100 km se ekonomicky nevyplatí, přičemž pelety se vozí po silnici tisíce kilometrů.
3. Pokud rozdíl ve výhřevnosti dubového a borového palivového dřeva dosáhne 50 %, pak se výhřevnost dubových a borových pelet neliší o více než 5 % [5].
4. Vysoká účinnost při spalování v kotlích. Dřevěné pelety na rozdíl od uhlí neobsahují síru ani fosfor. Při topení uhlím je nutné udržovat teplotu spalin nad 200 ºС, jinak při kondenzaci plynů vzniká kyselina siřičitá a fosforečná, což vede ke zničení kotle. V důsledku toho účinnost uhelného kotle nepřesahuje přibližně 82 %. Teplota spalin kotle na pelety je přibližně 100 ºС, což znamená, že účinnost je výrazně vyšší, přibližně 94 %.
5. Možnost automatizace procesu spalování paliva. Díky stabilním geometrickým rozměrům pelet je proces spalování snadno automatizován a synchronizován s procesy čištění hořáku a výměníku tepla. Velký externí sklad pelet poskytuje měsíce autonomního provozu.
6. Pelety jsou jediným ekonomicky životaschopným příkladem zelené energie, který může existovat bez dotací i v Rusku, kde jsou náklady na energii pro konečného spotřebitele v současnosti jedny z nejnižších na světě [6].

Rusko je díky svému rozsáhlému území jedním ze světových lídrů v zásobách biopaliv, včetně takových zdrojů, jako jsou zbytky ze zpracování kulatiny na komerční dřevo, sušená sláma a zelená hmota každoročně sklizených obilných plodin a plevy z výroby slunečnicového oleje. Tento článek přináší hodnocení energetické hodnoty pelet vyrobených z výše uvedeného biologického odpadu na základě dat za rok 2020.

V posledních letech Rusko zaznamenává stálý nárůst těžby komerčního dřeva s dynamikou růstu v období od roku 2009 do roku 2021. znázorněno na Obr. 1 [7].

Jak vyplývá ze schématu na Obr. 1, v Rusku dochází k trvalému růstu nákupu kulatiny, což se vysvětluje růstem poptávky po komerčním dřevu. Vzhledem k tomu, že od 1. ledna 2022 vláda Ruské federace zavedla zákaz vývozu kulatiny ze země, probíhá nyní zpracování kulatiny na komerční dříví přímo v zemi. To umožňuje využít odpad ze zpracování dřeva, a to i pro výrobu energie.

Posouzení zbytků po zpracování řeziva z kulatiny na řezivo čtvercového průřezu bylo provedeno na základě skutečnosti, že připravená kulatina může mít tři tvary kmene: válcový, komolý kužel a komolý paraboloid rotace – jejichž objemy se vypočítají pomocí vzorců [8]:

– kulatý válcový předmět:

– kulatý kus ve tvaru komolého kužele:

– kulatý objekt ve tvaru komolého rotačního paraboloidu:

Objem komerčního dřeva ve formě dřeva čtvercového průřezu se vypočítá podle vzorce:

kde:
D – průměr spodní (větší části) části kmene upravené kulatiny, m;
d – průměr horní (menší části) kmene upravené kulatiny, m;
L – délka opracované kulatiny, m.
Objem odpadu se tedy vypočítá pomocí vzorce:

Výsledky výpočtu podílů odpadů jsou shrnuty v tabulce 1.

Hustota jehličnatých a jehličnatých listnatých stromů je přibližně 850 kg/m³ a hustota listnatých stromů z tvrdého dřeva je asi 1000 kg/m³ [9]. Vzhledem k nedostatku informací o struktuře těženého dřeva v zemi předpokládají následující výpočty průměrnou aritmetickou hustotu dřeva přibližně 925 kg/m³. Objem vytěženého dřeva v roce 2020 byl převzat z grafu na Obr. 1. Ve výpočtech byla počáteční vlhkost dřeva odhadnuta na 65 % [10], pelety jsou vyrobeny ze dřeva o vlhkosti 8 až 12 % [10], měrné spalné teplo pelet z dřevního odpadu je odhadováno na cca 17,17 MJ/kg [5]. Výsledky výpočtů jsou shrnuty v tabulce 2.

Z tabulky 2 vyplývá, že průměrná energetická účinnost pelet z lesního zpracování odpadu – kulatiny na komerční dřevo – v Rusku se podle údajů za rok 2020 odhaduje na přibližně 25,6 milionů tun ropného ekvivalentu. e., která je srovnatelná s roční produkcí ropy PJSC Tatneft [11].

Dalším perspektivním zdrojem pro výrobu pelet jsou odpady z produkce obilnin, jejichž objem sběru v Rusku neustále roste. Pro posouzení energetické hodnoty pelet z odpadu z produkce obilnin pomocí diagramu na Obr. Bylo vybráno 2 5 plodin, které zaujímají největší osevní plochy: pšenice (ozimá a jarní) – 36,9 %, ječmen (zimní a jarní) – 10,7 %, slunečnice – 10,6 %, kukuřice na zrno – 3,6 %, oves – 3,1 % [12].

V roce 2020 bylo v Rusku sklizeno více než 133 milionů tun obilných plodin [13]. Pro posouzení energetické hodnoty zbytků biomasy ze sklizených obilných plodin byly stanoveny následující předpoklady: poměr slámové hmoty u plodin jako je pšenice, ječmen a oves je od 0,75 do 1,4 klasové hmoty. Poměr zelené hmoty stébla a listů kukuřice je od 1,2 do 2,5 k hmotnosti kukuřičného klasu. Poměr hmotnosti slunečnicového stonku k hmotnosti slunečnicových semen je od 2,5 do 3,1 [14]. Vzhledem k tomu, že 1 kg pelet slámy uvolňuje při spalování přibližně 14,5 MJ/kg [5] energie, byly provedeny výpočty, jejichž výsledky jsou uvedeny v tabulce 3.

Jak vyplývá z tabulky 3, průměrná energetická účinnost pelet z odpadu z produkce obilí v Rusku se podle údajů za rok 2020 odhaduje na přibližně 63,1 milionů tun ropného ekvivalentu. e., což je více než úroveň produkce ropy PJSC Surgutneftegas [11].
V roce 2020 Rusko vyprodukovalo 13,3 milionů tun slunečnice [13]. S přihlédnutím k tomu, že 1 kg pelet z odpadu z výroby slunečnicového oleje uvolňuje při spalování cca 18,1 MJ/kg [5], byly provedeny výpočty, jejichž výsledky jsou shrnuty v tabulce 4.

Souhrnné údaje o energetické hodnotě biologických zbytků z produkce komerčního dřeva, obilí a slunečnicového oleje v Rusku v roce 2020 shrnuje tabulka 5.
Provedené hodnocení energetické hodnoty ukazuje, že energetika pelet v Rusku má obrovský rozvojový potenciál – jen v roce 2020 by energie, kterou by bylo možné získat spalováním pelet z odpadu z výroby komerčního dřeva, obilí a slunečnicového oleje, činila více než 90 milionů tun ropného ekvivalentu. e., což je přibližně o 22 % vyšší než roční produkce ropy PJSC LUKOIL ve stejném roce [11].

Náklady na tepelnou energii získanou spalováním různých zdrojů paliva (rubly/kW h) v Rusku pro rok 2021 jsou uvedeny v diagramu na Obr. 3. Náklady na vytápění peletami jsou vypočítány na základě nákladů na dřevěné pelety ve výši přibližně 6 rublů/kg a na pelety z plev přibližně 3 rubly/kg [15].

Snížení nákladů na vytápění peletami je možné pouze při konstantní účinnosti kotle cca 94 %, což je přípustné pouze při automatickém systému čištění výměníku, a to minimálně jednou za hodinu. Při ručním čištění jednou denně klesá účinnost kotle o 5–10 % při čištění jednou týdně bude rozdíl účinnosti 15–20 %, což vede ke zvýšení nákladů na vytápění [15].
Kotel musí mít systém čištění roštu a je možné spalovat nejen bílé, ale i šedé průmyslové pelety, které jsou levnější než bílé o cca 1,5 rublů/kg. Pelety z plev jsou levnější než průmyslové o 2–3 rubly/kg v závislosti na sklizni slunečnice.
Kotel musí zajistit dokonalé spalování pelet, bez usazování pryskyřic na stěnách spalovací komory, k čemuž musí mít kotel vysokoteplotní spalovací komoru, znázorněnou na Obr. 4, zajišťující úplné spálení jakýchkoli pelet, jak průmyslového dřeva, tak slámy nebo slupek [15].

Na Obr. 5 je znázorněno schéma systému čištění hořáku a potrubí a také protipožární zámek, jehož přítomnost je povinnou podmínkou pro bezpečný provoz kotle [15].
Na Obr. 6 je znázorněno schéma kotle, který poskytuje poměrně nízké náklady na teplo pro konečného spotřebitele a náklady na údržbu díky automatizaci procesu spalování pelet [15].

Pokud kotel na pelety podobné systémy nemá, bude jeho provoz dražší z důvodu vyšší spotřeby pelet a nákladů na mzdu topiče, případně času, který stráví čištěním kotle samotný spotřebitel. Rozdíl v ceně pelet spalovaných za sezónu u ručních kotlů a kotlů s automatizovaným systémem čištění převyšuje rozdíl v ceně těchto kotlů [15].
Provoz kotlů na pelety je usnadněn přítomností externího skladu, jehož přibližné uspořádání je na Obr. 7. Tento sklad je schopen skladovat několik tun pelet, které je z logistického hlediska výhodnější nakupovat v 1000 kg baleních než v 30 kg pytlích, což v praxi snižuje náklady o 0,5 rublů/kg. A pokud použijete „letní dodávku“, pak úspora bude přibližně 1 rubl/kg, protože v letním období mají výrobci pelet problémy s prodejem a dostupností skladových prostor pro skladování hotových výrobků [15].

Přibližné uspořádání skladu průmyslové kotelny je na Obr. 8 [15].
Srovnávací analýza dostupnosti automatického čisticího systému pro kotle na pelety je uvedena v tabulce 6.

Kotle na pelety „Svetlobor“ mají stejnou úroveň automatizace jako rakouští výrobci, což dává další výhodu rozvoji energetiky na pelety v Rusku. Za zmínku stojí, že ruské kotle na pelety „Roteks“ mají protipožární zámek, který také zvyšuje stupeň automatizace provozu kotle.
Z hlediska biologických ekosystémů dochází při spalování pelet k emisím srovnatelným s přírodním pozadím, a proto jsou ekologické důsledky využívání energie pelet minimální. Plynná směs vypouštěná do atmosféry neobsahuje prakticky žádnou síru (0,1 %) a emise oxidu uhličitého jsou 10–50krát nižší než u jakéhokoli jiného typu tradičního paliva. Co se týče tuhého odpadu, spalováním pelet vzniká pouze 1,5 % popela z celkového objemu použitých pelet [16].
V posledních letech věnuje ruská vláda stále větší pozornost rozvoji východních oblastí země. Zavedení energie z pelet pro zajištění pohodlných životních podmínek pro lidi, dodávky tepla pro soukromé a bytové domy, společensky významná zařízení, obecní a regionální výrobní zařízení, jakož i těžko dostupné a odlehlé oblasti by podle [17], odstavec 6 [18] hrálo obrovskou roli v rozvoji regionů sibiřských a dálněvýchodních federálních distriktů.
Také přechod na vytápění peletami místo dodávek tepla spalováním plynu a ropy zvýší dodávky uhlovodíkových surovin zahraničním partnerům, což pomůže přilákat další finanční prostředky do rozpočtu země.

1. Vytvoření ruského trhu s peletovým vytápěním je složitý úkol, který vyžaduje efektivní interakci mezi státem, výrobci pelet a výrobci kotlů.
2. Suroviny pro výrobu pelet jsou dostupné prakticky na celém území Ruska odhady ukazují, že potenciál biomasy pro výrobu pelet je v Rusku obrovský. Díky tomu je energie z pelet dostupná téměř ve všech koutech naší obrovské země.
3. Hodnocení energetického potenciálu pelet v Rusku na základě údajů z roku 2020 ukázalo, že potenciál je kolosální a lze jej odhadnout na desítky milionů tun ropného ekvivalentu ročně.
4. Hlavním ukazatelem energie jsou náklady na teplo pro konečného spotřebitele, v souvislosti s nimiž poměrně jednoduchá a levná výroba peletových kotlů i kotlů na pelety, jakož i minimální logistické náklady na rozvoz pelet spotřebitelům po veřejných komunikacích všech kategorií, umožňují efektivní využití pelet k zásobování energií širokému spektru spotřebitelů, zejména v odlehlých a těžko dostupných oblastech.
5. Energie pelet je šetrná k životnímu prostředí, umožňuje zachování přirozeného ekologického pozadí biologických přírodních ekosystémů a městského prostředí.