Вирощування, заготівля та використання швидкозростаючих енергетичних культур

            Енергія є основою життя людського суспільства, і його прогресивний розвиток пов′язаний з безпосереднім зростанням енергоспоживання. Забезпечення енергоресурсами є важливим стратегічним моментом ефективного розвитку кожної держави, і України зокрема, які повинні докладати значних зусиль в галузі енергетики щодо використання власних відновлювальних джерел енергії.           Науковці підрахували, що в Україні до 2030 року реально довести річне їх використання в обсягах, еквівалентних 20 млн.т у.п.. Перехід  України до розширеного використання відновлювальних енергоресурсів дозволить вирішити низку проблем, пов′язаних із забрудненням довкілля, зменшить загрозу енергетичної та економічної кризи. Істотний внесок в цьому може забезпечити біоенергетика, яка базується на використанні біомаси.

            Ми вважаємо, що серед різних видів біомаси, які використовуються на Волині, заслуговує на увагу ще і «зелене паливо» - паливо рослинного походження. На нашу думку, саме енергетичні рослини, які вирощуються для отримання палива чи енергії, в найближчому майбутньому створять конкуренцію газу чи дизелю.

            Мета нашої наукової роботи полягає у вивченні перспектив розвитку і використання   швидкозростаючих енергетичних культур, зокрема енергетичної верби в нашому регіоні. Саме енергетична верба є найбільш сприятливою рослиною для отримання твердих біопалив. Це екологічно чиста і дешева сировина для виробництва палива, використання якого не призводить до підсилення глобального парникового ефекту. Тому дослідження вирощування, заготівлі і застосування енергетичної верби в нашому регіоні є актуальним.           Новизна роботи зумовлена тим, що технології вирощування верби SALIX вивчались у Володимир-Волинському районі Волинської області. Період дослідження – 2007-2009р.р.

            Дослідження проводились на базі науково-дослідного фермерського господарства  Євгена Колача с. Амбукова, ДП «Володимир-Волинське лісо-мисливське господарство» та на власній міні –експериментальній ділянці.

            Етапи та сутність дослідження:

• вивчено технологію вирощування і заготівлі  верби; деякі виробничі показники цих процесів;
• обчислено вміст окремих хімічних елементів в її біомасі;
• запропоновано та доведено доцільність використання біомаси верби як альтернативного джерела енергії;
• з′ясовано енергетичні технології використання біомаси верби;
• обгрунтовано можливість застосування цього виду палива для роботи котельні гімназії.

            Нами встановлено, що енергетична верба може рости на грунтах різного типу. Супіщані та суглинисті грунти нашого району, що забезпечують хороше водопостачання, є найбільш прийнятними для цього. На експериментальних ділянках фермерського науково-дослідного господарства Колача на 1га висаджується приблизно до 40 тис. однорічних вербових прутиків з міжряддями 75см та відстанню в ряду – 30см (додаток А). Прутики довжиною 20см втикаються машиною прямо в землю, так, що над поверхнею залишається 1-3см (додаток Б). Перед висаджуванням кінці черенків занурюються на 2-3 дні у воду.

            На своїй міні-експериментальній ділянці ми спробували інший метод посадки: шляхом горизонтального розподілу матеріалу, порізаного на прутики, і після цього внесення його в канавки у грунті. Цей метод показав, що таким шляхом, витрати на посадку можуть бути зменшені на 50%.  Етапи вирощування енергетичної верби на власній ділянці нами зафіксовано на фотографіях (додатки В, Г).

            Збирають вербу після закінчення вегетації з жовтня-листопада по березень-квітень. У перші два роки зібрану вербу можна використовувати на посадковий матеріал, а в наступні роки – на біомасу. Рослини зрізають на рівні грунту за допомогою спеціальної техніки, завдяки чому виростає не один стовбур, а багато тоненьких пагонів. З одного й того ж місця врожай можна збирати до шести раз на кожні три роки. Нами досліджено, що у першому році з саджанця виростає 1-3 пагони, які досягають висоти 1-2,5м і завтовшки 7-13мм. У другому році кількість пагонів збільшується до десятка і більше, при чому вони мають висоту 3м і товщину – 13-15мм (додаток Д). Збирання верби виконується за допомогою секаторів і пил (додаток Ж). У третьому році рослини стають вже 4,5м заввишки і 20мм завтовшки.

            Нами проведено основний аналіз енергетичної верби SALIX VEMINALIS ( додаток З). В таблиці подано вміст хімічних елементів у біомасі верби (% сухої речовини):

             Врожай біомаси та сухої деревини, вологість залежить від генотипу енергетичної верби. Ми проаналізували ці параметри верби SALIX VEMINALIS  для окремих генотипів:

                        З′ясовано окремі виробничі параметри  вирощування верби:

            Ми встановили, що енергетична ефективність виробництва вербової деревини на ріллі була найвища у трьохрічному циклі.

            Врожай з енергетичних плантацій може використовуватись у спеціальних котлах для спалювання біомаси. Для цього деревинну біомасу з поля транспортують до сховищ (додаток И), подрібнюють, утворюючи тріски чи роблять гранули (додаток І). Цю біомасу висушують на повітрі під навісами протягом 3-4 місяців. Такий продукт має 23-28% вологості з енергетичною цінністю 16-18 ГДж/т.

            З 1 кубічного метра сухої енергетичної верби можна отримати 2,5 куб.м трісок або 0,5 тонн гранул. Гранули-пресовану біомасу різних порід дерев сьогодні  отримують в цехах ДП «Володимир-Волинське лісо-мисливське господарство». Експериментальні зразки біогранул  з верби вже виготовлені на цьому ж підприємстві.

            Характеристика гранул:

• діаметр-6-10мм; довжина-5-30мм;
• густина насипу-500-600куб.м; густина-1000-1400кг/куб.м;
• кількість попелу – менше 1,5%, сірки – 0,08%, хлору – 0,03%.

           Енергія 2кг гранул еквівалентна енергії 1л мазуту, а 1,5 т гранул замінює 1т вугілля. Перехід на гранули зменшує викиди оксиду карбону на 2,5кг на кожному зекономленому в такий спосіб 1л мазуту. Для нагрівання будинку (однокімнатної квартири) потрібно для однієї сім′ї приблизно 5 т гранул.

            Біомасу з енергетичної верби як опалювальний матеріал можна використовувати централізовано або для опалювання окремих приватних будинків. Саме котли на біомасі можуть швидко замінити природний газ для виробництва теплової енергії з найнижчими інвестиційними затратами і найкоротшими термінами окупності проектів.

            Ми підрахували енергію палива та енергію тепла при спалюванні біомаси в котлі. Для цього потрібно знати паливну цінність біомаси при різній вологості та оцінку кількості деревини в об′ємі.  Один метр просторового об′єму всієї деревини разом з повітрям для вербової тріски становить 0,5 куб.м, для гранул – 0,3куб.м.

            Приклад підрахунку енергії біомаси (для вербової тріски):

- при 20% вологості верби паливна цінність рівна 6,44ГДж/куб.м, тоді :

            0,5×6,44ГДж/куб.м = 3,22ГДж енергії;

- при спалюванні вербової тріски в котлі з ККД, наприклад, 50% отримаємо:

            3,22ГДж×0.50 = 1,66ГДж енергії.

            Обчисливши енергію палива і тепла при різній вологості та ККД котлів, ми отримали такі результати ( для тріски):

Енергія палива (ГДж)

Енергія тепла (ГДж)

            Вартість біомаси верби як палива у перерахунку на одиницю енергії (ГДж) суттєво менша вартості природного газу. При цінах на  паливо з верби у 80 грн./т вартість 1ГДж енергії складатиме для деревини приблизно 7грн.. При цінах на природний газ у 700грн./куб.м вартість 1ГДж енергії буде рівна близько 20грн.. Таким чином біопаливо верби приблизно в 2,8 рази дешевше за природний газ.

            Заміна природного газу в котлах на біомасу питання актуальне і перспективне. Результати техніко-економічного аналізу показують, що виробництво теплоти з біомаси верби є конкурентноспроможним навіть при використанні зарубіжного обладнання. При застосуванні обладнання українського виробництва терміни окупності складають 2-3 роки для котлів на деревині.

            Нами підраховано основні експлуатаційні характеристики котлів на біомасі верби, ми впевнені у можливості застосування цього виду палива  для роботи котельні гімназії. Зараз в котельні  Володимир-Волинської гімназії працює 4 котли на природному газі теплопродуктивністю 96кВт/год кожний.

Технічний опис проекту

            Вибір котла базується на його потужності та доступній кількості біомаси.

Основне обладнання проекту:

- котел для біомаси (вербової тріски або гранул) потужністю 1,5МВт (додаток Й);

-приміщення для зберігання біомаси.

Експлуатаційні характеристики котла:

- річний експлуатаційний період – 4608год/рік;

- річне виробництво енергії – 5184МВт год/рік (при ККД котла 75%);

- необхідна річна кількість палива – 3373,9куб.м/рік;

(1кг деревини верби 15% вологості еквівалентний 0,45куб.м газу і володіє15,8МДж енергії або 4,39кВт год, густина вербової тріски 350кг/куб.м, отже отримаємо спосіб підрахунку:

            5184000кВт год : 4,39кВт год = 1180865,6(кг),

            1180865,6кг : 350кг/куб.м = 3373,9куб.м ).

            Перевагами використання біомаси  верби з енергетичним призначенням як опалювального матеріалу є:

– значне зниження викидів парникових газів та шкідливих речовин у навколишнє середовище; можливість внесення в якості добрива попелу із спаленої біомаси;

- необмеженість енергосировини, зниження втрат на транспортування енергії;

- можливість використання місцевих паливних ресурсів та біомаси у єдиному високоефективному технологічному процесі.

            Питання енергозбереження, пошуку та розвитку відновлювальних енергетичних джерел зараз є актуальним як для всієї нашої держави, так і для кожного регіону. Шукаючи дешеві джерела енергії, держава повинна піклуватись про довкілля, зокрема про охорону навколишнього середовища від шкідливих викидів в атмосферу.

            Дослідження вирощування, заготівлі та використання екологічно чистого біопалива, які були розглянуті в даній науковій роботі, є гарною перспективою для нашого Володимир-Волинського району, а також для зони Полісся Волинської області, де чималі площі земель, придатних для вирощування енергетичної верби, поки що облогують.

            Слід відмітити, що депутати Волинської обласної ради у Комплексній програмі енергозбереження, що прийнята на 2007-2010 роки, передбачили розробку заходів щодо створення плантацій із вирощування енергетичної лози і організації переробки її біомаси. Сподіваємось, що Волинь стане піонером у розвитку біоенергетики.

ВИКОРИСТАНА ЛІТЕРАТУРА

1. Кириллин В.А. Энергетика сегодня и завтра. – М.; Педагогика,2001 –с.125

2.Szczukowski S.  Stolarski M. Wierzba energetyczna, Krakow, 2006

3.Szczukowski S. Wierzba – roslina energetyczna, Biblioteka praktycznego ekologa, Olsztyn, 2003

4. www. bape. com. Pl