Введение
Биоэнергетика является крупным направлением возобновляемой энергетики. Значимой ресурсной базой биоэнергетики в настоящем и ещё более перспективной в будущем являются органические отходы: коммунальные, отходы сельского хозяйства и промышленных производств. Положительный опыт использования сельскохозяйственного сырья для производства тепловой и электрической энергии накоплен как в странах, испытывающих дефицит ископаемого углеводородного топлива (Евросоюз, Китай, Бразилия), так и в странах с большой долей нефти, угля и газа в энергобалансе, например, США.
Одним из основных видов отходов сельскохозяйственного производства, широко использующихся в энергетических целях, является солома зерновых культур. Лидером в использовании соломы в этих целях является Дания. Среднегодовой объём образующейся соломы в Дании составляет более 6,3 млн тонн. На топливные нужды идёт 12,5% от общего количества (из них фермерские котлы — 7,2%, тепловые станции — 4,2%, электростанции — 1,1%), на нужды сельского хозяйства (подстилка скоту и корм) направляется 36,5% от общего количества. Остаток соломы (48%) является ресурсным потенциалом для использования в энергетических целях [1]. В Великобритании эксплуатируется более 80 электростанций на биомассе общей мощностью более 4000 МВт [2]. В стране успешно эксплуатируются самые большие в мире ТЭЦ на соломе: Sleaford Renewable Energy Plant (с 2014 года), Brigg REP (с 2016 года) и Snetterton REP (с 2017 года) мощностью 38, 40 и 44 МВт, соответственно. Практически во всех странах Европы производится и используется твёрдое биотопливо из растительных остатков в виде гранул, брикетов и тюков: в фермерских котлах малой мощности (около 100 кВт), в средних котельных в системе централизованного теплоснабжения (0,5–7 МВт) и на крупных теплоэлектростанциях (ТЭС/ТЭЦ).
Из всех видов биотоплив в России формирование рынка идёт в основном в сегменте твёрдого биотоплива (технологическая щепа, топливные пеллеты и брикеты, торфяные брикеты и т. д.). Некоторая активность связана с переработкой отходов и выработкой биогаза и генераторного газа [3]. В то же время отходы сельского хозяйства в Российской Федерации являются значительным ресурсом для производства электрической и тепловой энергии, моторного топлива.
Например, масса образующейся соломы злаковых и крупяных культур в России за год составляет более 100 млн тонн, а используется лишь 10% всего объёма соломы: бóльшая часть в животноводстве, в качестве подстилки скоту и как добавка в корма. Часть соломы запахивают в почву для повышения плодородия, но также нередко остатки соломы сжигают, нанося вред окружающей среде и инициируя лесные пожары [4, 5].
В этой связи актуальным является рассмотрение энергетического потенциала сельскохозяйственных отходов Республики Крым как рекреационного региона с достаточно сложной логистикой и развитым сельским хозяйством, которое является одной из важнейших отраслей экономики региона. По данным управления Федеральной службы государственной статистики по Республике Крым и городу Севастополю на сельское хозяйство в 2020 году приходилось 5,9% валовой добавленной стоимости региона. Доля растениеводства в производстве продукции составляет 65%. В структуре растениеводства Республики Крым основную роль играют сельскохозяйственные организации, на долю которых в 2021 году приходилось 57,2% от общего объёма произведённой продукции, что может обеспечить сбор отходов производства и дальнейшее использование их, в том числе при получении энергии для местных нужд. Анализ объёмов и динамики урожая позволяет выделить те сельскохозяйственные культуры, которые превалируют в Крыму и дают основную массу отходов.
По данным Росстата, 75% посевной площади в Крыму (всего 762,471 тыс. га) используется под зерновые и зернобобовые культуры. Под технические культуры используется 20,1% всей площади. Остальная часть — картофель и овощебахчевые культуры (1,5%), кормовые культуры (3,4%). Основными по валовому сбору также являются зерновые культуры, которые обеспечили в 2021 году 1354,6 тыс. тонн зерна (в весе после доработки) [6, 7].
Целью данной работы являлась оценка энергопотенциалов отходов растениеводства Крыма (как пропашных, так и многолетних культур) и возможности теплоснабжения населения путём использования биомассы растительных остатков.
Методика
На основе методики [8], представленной коллективом авторов, был проведён расчёт валового и технического энергетического потенциалов отходов растениеводства (солома зерновых и рапса, лузги и стеблей подсолнечника, стеблей кукурузы и сои) по муниципальным районам и городским округам Республики Крым. При проведении расчётов отходов полевых культур были использованы статистические данные Федеральной службы госстатистики (Росстат и Крымстат) за период 2014–2021 годов [9]. Расчёты объёмов отходов и их энергетического потенциала проводились раздельно по каждому виду сельскохозяйственных культур в связи с тем, что различные виды отходов отличаются нормами образования и удельным энергосодержанием.
Коэффициенты, определяющие соотношение полезной части растения и отходов для каждой культуры, а также удельное энергосодержание отходов установлены по литературным данным. При расчёте энергетического потенциала использовались показатели валового сбора сельскохозяйственных культур, образующихся в хозяйствах всех категорий за вычетом данных хозяйств населения в силу невозможности централизованного сбора сельскохозяйственных отходов хозяйств такого типа. Учитывалось также, что помимо энергетических, существуют другие направления использования отходов растениеводства. Так, солома используется в животноводстве (подстилка для скота), запахивается в почву для повышения плодородия пашни и т. п. Предполагалось, что только 50% валового энергетического потенциала соломы может быть использовано для получения потребительских видов энергии. При расчётах технического потенциала отходов растениеводства рассматривались два направления их использования: получение электрической и тепловой энергии. Принималось, что отходы утилизируются в мини-ТЭС с прямым сжиганием, для которой коэффициент преобразования энергии КПт = 0,8, КПэ/э = 0,35; доля энергии на собственные нужды установки равна СНт = 0,14 и СНэ/э = 0,03 при получении тепловой и электроэнергии, соответственно.
В качестве сырья для производства энергии рассмотрены также древесные отходы ежегодной обрезки плодовых деревьев и лозы винограда, энергосодержание которых было рассчитано по данным 2021 года, поскольку площади многолетних насаждений остаются достаточно стабильными на протяжении нескольких лет.
Для отображения территориального распределения энергетических потенциалов отходов растениеводства по Крыму были применены методы геоинформационного картографирования ресурсов возобновляемой энергетики. В качестве топографической основы использовались векторные данные OpenStreetMap (OSM) по Республике Крым и Севастополю, предоставленные компанией NextGIS в формате ShapeQGIS [10]. Картографирование ресурсов биоэнергетики было выполнено в программной среде QGIS версия 3.16.13 Hannover. Основой для создания базы геоданных послужил векторный слой муниципальных районов и городских округов Республики Крым.
Результаты
За период 2014–2021 годов были рассчитаны валовый и технический энергетические потенциалы отходов растениеводства Крыма для муниципальных районов и городских округов согласно методике, описанной выше. Энергетический потенциал рассчитывался по основным видам сельскохозяйственных культур: зерновые (пшеница (озимая и яровая), рожь (озимая и яровая), тритикале (озимая и яровая), ячмень (озимый и яровой), просо (озимая и яровая), овёс, рис, гречиха, кукуруза) и масличные (подсолнечник, рапс (озимый и яровой), соя). Полученные результаты приведены в табл. 1.
В городских округах выращивается минимальное количество полевых культур, поэтому результаты по ним в табл. 1 не представлены, но в общей оценке энергопотенциала отходов производства сельскохозяйственных культур они были учтены. Проведённые исследования показали, что наибольшим энергетическим потенциалом из отходов полевых культур в Крыму обладает солома зерновых культур. Суммарный усреднённый валовый энергетический потенциал соломы для всех муниципальных образований Крыма составляет 437,8 тыс. тонн у.т/год.
Районы Республики Крым с наибольшим энергосодержанием: Красногвардейский — 58,5 тыс. тонн у.т/год, Джанкойский — 46,4 тыс. тонн у.т/год, Ленинский — 45,1 тыс. тонн у.т/год. Также значительным энергосодержанием обладают отходы производства подсолнечника (лузга и стебли) — 165,1 тыс. тонн у.т/год (для Крыма в целом). Рапс (в основном озимый) вносит незначительный вклад в энергопотенциал отходов полевых культур Крыма: 9,6 тыс. тонн у.т/год. Кукуруза и соя также не оказывают значительного влияния на формирование общего валового энергетического потенциала отходов производства сельскохозяйственных культур в Крыму.
В результате доля зерновых в энергопотенциале отходов полевых культур Республики Крым составляет 71,0%, подсолнечника 26,7%, на рапс, кукурузу и сою приходится менее 2% на каждую культуру. Суммарный валовый энергетический потенциал отходов полевых культур рассматриваемой территории по муниципальным районам и округам Крыма составил 618,5 тыс. тонн у.т/год, а суммарный технический потенциал тепловой энергии — 1921,5 тыс. Гкал/год.
В Республике Крым развито производство плодовой продукции и винограда. Ежегодная обрезка растений в садах и виноградниках является значительным источником древесных отходов, которые обладают высоким энергосодержанием, низкой влажностью и высокотехнологичны с точки зрения получения твёрдого топлива (пеллет). Проведённые оценки на основе статистических данных показывают, что энергетический потенциал отходов многолетних насаждений по Республике Крым (включая Севастополь) составил 69,8 тыс. тонн у.т/год с наибольшими значениями в Бахчисарайском районе (5,5 тыс. тонн у.т/год), табл. 2.
В целом производство зерновых культур, подсолнечника, кукурузы, сои, рапса, плодовых культур, виноградных насаждений обеспечивает ежегодное образование отходов с валовым потенциалом 688,3 тыс. тонн у.т/год. Суммарный технический потенциал тепловой энергии отходов полевых и плодовых культур, виноградных насаждений — 2257,3 тыс. Гкал/год. Учитывая актуальность использования местных ресурсов для получения тепловой энергии, можно оценить потенциал замещения традиционного топлива отходами сельскохозяйственного производства, в частности, в производстве тепловой энергии для жилищного сектора Крыма.
В 2021 году населением Республики Крыма было потреблено 1563,7 тыс. Гкал тепла [11] при численности жителей 1901578 человек на 1 января 2021 года [12]. Следовательно, душевое потребление тепловой энергии составило 0,82 Гкал/год.
В табл. 3 приведены расчётные значения потенциального замещения традиционного топлива отходами зерновых культур, как наиболее значимых в общем объёме сельскохозяйственных отходов Крыма. Видно, что технический энергетический потенциал соломы (по тепловой энергии), с учётом её расходования и на другие хозяйственные нужды, перекрывает потребляемое населением края тепло в среднем в полтора раза. В десяти из 14-ти муниципальных районах Крыма это отношение больше единицы, что обеспечивает возможность полного покрытия потребности в теплоснабжении населения этих районов. Применение энергии биомассы отходов с использованием мини-ТЭС с технологией прямого сжигания позволило бы улучшить ситуацию с энергией в сельских районах Республики Крым, снизить экологическую нагрузку (сократило бы объёмы непроизводительного сжигания отходов сельскохозяйственного производства на пашне), способствовало бы развитию региона.
Результаты районирования технического энергетического потенциала (рис. 1) определяются неравномерностью распределения производства сельскохозяйственной продукции по территории Республики Крым.
Рис. 1. Территориальное распределение технических энергетических потенциалов отходов растениеводства в Республике Крым
Наибольшим техническим энергопотенциалом для производства тепловой энергии из отходов зерновых обладают северная, северо-восточная и центральная части республики, относящиеся к степной и лесостепной природным зонам. Районы с максимальными значениями потенциала: Красногвардейский (140,9 тыс. Гкал/год), Джанкойский (111,7 тыс. Гкал/год) и Ленинский (108,6 тыс. Гкал/год). В северной и центральной частях полуострова Крым отходы подсолнечника могут внести весомый вклад в возможную выработку тепловой энергии.
Районы с максимальными значениями: Красногвардейский (137,8 тыс. Гкал/год), Джанкойский (110,6 тыс. Гкал/год) и Красноперекопский (110,0 тыс. Гкал/год). Под рапсовые поля отведены площади на севере и северо-западе Крыма. Небольшую долю в потенциально возможное производство тепловой энергии также могут внести Раздольненский (9,0 тыс. Гкал/год) и Красноперекопский (6,6 тыс. Гкал/год) районы.
Плодовые сады произрастают почти по всей территории полуострова. Из древесных обрезков плодовых культур можно получить 141,9 тыс. Гкал/год тепловой энергии, причём наибольший потенциал этих видов отходов сосредоточен в Бахчисарайском районе (26,4 тыс. Гкал/год). Виноградники сконцентрированы в горном районе Крыма на юге полуострова. Из отходов виноградных насаждений (обрезки лозы) можно получить 193,9 тыс. Гкал/год тепла. Районами с максимальными значениями технического потенциала являются следующие: Бахчисарайский (41,7 тыс. Гкал/год), Симферопольский (33 тыс. Гкал/год) и городской округ Севастополь (37,1 тыс. Гкал/год).
Рис. 2. Изменение валового энергопотенциала отходов зерновых Крыма по годам
Анализ динамики валового энергетического потенциала отходов зерновых культур показал значительные колебания по годам (рис. 2). Валовый сбор урожая (и, следовательно, отходов) прямо пропорционален урожайности и площади посевов. Поскольку за рассматриваемый период (2014–2021 годы) заметных колебаний площади под зерновыми культурами не происходило, то основную роль в динамике образования отходов играют погодные условия, определяющие урожайность культур. В работе [13] отмечается, что определяющими для урожайности зерновых в Крыму являются уровень атмосферных осадков в апреле и температурный режим мая.
На основе статистических данных Росстата и интернет-портала «Погода и климат» был проведён корреляционный анализ урожайности зерновых культур, количества выпавших осадков в апреле и средней температуры мая в трёх районах Крыма с максимальными валовыми сборами сельскохозяйственной продукции. Для расчёта использовались данные наблюдений на ближайшей метеорологической станции.
Рис. 3. Зависимость урожайности зерновых от осадков за 2014–2021 годы
Корреляционный анализ показал тесную взаимосвязь урожайности с выпавшими осадками в апреле (рис. 3). Наименьший показатель урожайности зерновых (12 ц/га) был отмечен в Красногвардейском районе в 2018 году, наибольший (32 ц/га) — в 2019-м в том же районе. Для более достоверного анализа зависимости урожайности зерновых от температуры и осадков необходимо большее количество статистических данных.
В случае подтверждения высокой корреляционной связи это открывает возможность прогноза не только урожайности, но и энергетического потенциала отходов зерновых культур.
Выводы
1. Для регионов России, в частности, Республики Крым, со значительным развитием отрасли растениеводства и соответственно, с достаточными объёмами растительных отходов, актуальным является внедрение методов утилизации отходов с получением полезных продуктов, в том числе тепловой и электрической энергии. По данным 2014–2021 годов производство зерновых культур, подсолнечника, кукурузы, сои, рапса, плодовых культур, виноградных насаждений в регионе обеспечивает ежегодное образование отходов с валовым потенциалом порядка 688,3 тыс. тонн у.т/год. Суммарный технический потенциал тепловой энергии отходов полевых и плодовых культур, виноградных насаждений составляет 2257,3 тыс. Гкал/год.
2. Технический энергетический потенциал соломы (по тепловой энергии) Республики Крым с учётом её расходования и на другие хозяйственные нужды, в среднем в полтора раза превышает ежегодно потребляемую домохозяйствами региона тепловую энергию. В десяти из 14 муниципальных районах Крыма потенциальное замещение потребляемой тепловой энергии за счёт использования отходов зерновых (соломы) достигает 100%.
3. Территориальное распределение энергетического потенциала отходов растениеводства по территории Республики Крым крайне неравномерно. Наибольшим техническим энергетическим потенциалом отходов зерновых обладают северная, северо-восточная и центральная части полуострова Крым. Районы с максимальными значениями технического потенциала: Красногвардейский (140,9 тыс. Гкал/год), Джанкойский (111,7 тыс. Гкал/год) и Ленинский (108,6 тыс. Гкал/год). Муниципальные районы северной и центральной частей Крыма характеризуются значительным энергетическим потенциалом отходов подсолнечника (районы с максимальными потенциалами: Красногвардейский — 137,8 тыс. Гкал/год, Джанкойский — 110,6 тыс. Гкал/год и Красноперекопский — 110,0 тыс. Гкал/год).
4. Плодовые сады произрастают почти по всей территории полуострова. Из древесных обрезков плодовых культур можно получить около 141,9 тыс. Гкал/год тепловой энергии. Максимальное значение потенциально возможной энергии для производства тепла могут дать отходы плодовых насаждений в Бахчисарайском районе (26,4 тыс. Гкал/год). Виноградники сконцентрированы в горном районе Крыма на юге полуострова. Из отходов виноградных насаждений (обрезки лозы) можно получить 193,9 тыс. Гкал/год тепловой энергии. Районы с максимальными значениями технического энергетического потенциала: Бахчисарайский (41,7 тыс. Гкал/год), Симферопольский (33 тыс. Гкал/год) и городской округ Севастополь (37,1 тыс. Гкал/год).
