Scientific journal

International Journal of Experimental Education

ISSN 2618–7159

ИФ РИНЦ = 0,425

Введение

При существующем уровне научно-технического прогресса энергопотребление может быть покрыто [1,8] лишь за счет использования органических топлив (уголь, нефть, газ), гидроэнергетики и атомной энергетики. Однако по результатам многочисленных исследований органическое топливо в ближайшее десятилетие сможет удовлетворить лишь часть запросов мировой энергетики, так как запасы ископаемых ресурсов – невозобновляемы, ограниченны и в скором будущем будут исчерпаны [3].

Широкое использование органических топлив является одной из главных причин наступающего экологического кризиса, который проявляется, прежде всего, сильным антропогенным загрязнением атмосферы и изменением климата. Изменение климата непосредственным образом связано с последствиями сжигания органического топлива и как следствие, образованием оксидов углерода, серы, азота, соединений свинца, сажи, углеводородов, в том числе канцерогенных и других веществ в твердом, жидком и газообразном состоянии [9].

Около 60% парниковых выбросов антропогенного происхождения приходится на энергетический сектор. В России эта доля достигает 85%. Снижение выбросов возможно путем реализации низкоуглеродных сценариев развития экономики страны, прописанных Энергетической стратегией - 2030.

Их основой является отказ от традиционных путей развития энергетики, реализация мероприятий по энергосбережению, повышению энергоэффективности и развитию возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

Методика исследования

В работе проведены исследования загрязнения атмосферного воздуха при эксплуатации мини-ТЭЦ с газопоршневыми двигателями мощностью 100 кВт с использованием традиционного энергоресурса (природного газа), а также возобновляемого источника энергии (биотоплива). Мини-ТЭЦ вырабатывает электро и теплоэнергию для жилых домов и фермы [2]. В качестве источника биотоплива используют навоз.

Для мини-ТЭЦ с газопоршневыми двигателями мощностью 100 кВт при использовании биотоплива необходим животноводческий комплекс на 700 коров, в котором образуется за год 8,9 тыс. т навоза. Для расчета суточное выделение экскрементов от одного животного выбрано в соответствии с ОНТП 17-81 «Общесоюзные нормы технологического проектирования систем удаления, обработки, обеззараживания, хранения, подготовки и использования навоза и помета».

В качестве источника энергии рассматривались газопоршневые установки (ГПУ) фирмы Caterpillar [6], специально предназначенные для сжигания биогаза и природного газа. Технические характеристики газопоршневых установок Caterpillar приведены в табл. 1. В паспортных данных завод изготовитель указывает уровни токсичности выхлопных газов (оксидов азота, оксида углерода и углеводороды) при работе на номинальном режиме.

Расчет максимальных значений приземных концентраций вредных веществ в атмосферном воздухе выполнен в соответствии с: ОНД-86 «Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий», «Руководство по контролю источников загрязнения атмосферы», « Методическое пособие по расчету, нормированию и контролю выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух», «Методика расчета выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от стационарных дизельных установок».

При сжигании органического топлива в энергетике в атмосферу будут выбрасываться: оксиды азота, оксид углерода, углеводороды. Согласно гигиеническим требованиям установлены предельно-допустимые концентрации (ПДК, мг/м3) вредных веществ, загрязняющих атмосферный воздух.

Предельно допустимые концентрации приняты согласно ГН 2.1.6.1338-03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест». Перечень загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу, и санитарно-гигиенические характеристики загрязняющих веществ, представлены в табл. 2. При проведении расчетов загрязнения атмосферы для углеводородов используется ОБУВ по керосину (код 2732).

Исследование влияния источников энергии на окружающую среду проводили для двух видов топлива - биогаз и природный газ для газопоршневых установок мощностью 1000 кВт для дымовых труб высотой 150 м и диаметра трубы 0,4 м для вредных веществ СО, NO2, NO, углеводородов. В соответствии с техническими характеристиками газопоршневых установок Caterpillar были рассчитаны валовые выбросы выбрасываемых вредных веществ.

Результаты экологического анализа

Результаты расчета валовых выбросов (г/с) загрязняющих веществ приведены в табл. 3.

Таблица 3- Результаты расчета валовых выбросов загрязняющих веществ газопоршневых установок Caterpillar

Оценка влияния газопоршневых установок осуществлялась по величине максимальной приземной концентрации вредного вещества, которая сравнивалась с ПДК. Расчет был выполнен в программном комплексе «Призма» НПП «Логус». Поле максимальных концентраций было рассчитано для прямоугольника: длина 1000 м, ширина 1000 м, шаг по длине 100 м. шаг по ширине 100 м. Координаты центра: X = 500 м, Y = 500 м. Высота: 0,0 м. Результаты расчета максимальных приземных концентраций вредных веществ (СО, NO2, NO, углеводородов) газопоршневых установок Caterpillar на биотопливе и природном газе представлены на рис. 1.

Проведенные исследования влияния параметров газопоршневых установок, на уровень загрязнения атмосферного воздуха показали, что:

- при сжигании биотоплива и природного газа образуются СО, NO2, NO, углеводороды,

- основным вредным веществом является NO2;

- уровень загрязнения оксидами азота при использовании биотоплива примерно в 2 раза выше, чем при сжигании природного газа;

- уровень загрязнения СО примерно одинаковый для обоих видов топлива;

- уровень загрязнения углеводородами при использовании природного газа примерно в 2 раза выше, чем при сжигании биотоплива;

- при диаметре дымовой трубы 0,4 м и высоте дымовой трубы 15 м максимальные приземные концентрации всех вредных веществ не превышают ПДК.

Результаты экономического анализа

Рассмотрим теперь с экономической точки зрения выгодность применения того или иного вида топлива для газо-поршневой мини-ТЭЦ на базе Caterpillar. Сравнение двух вариантов производится с вариантом питания природным газом от центральной сети по соответствующим тарифам. В варианте с биогазом в расчетах принималась биогазовая установка БИОЭН-1 ООО «ГРИНТЕК», г.Москва, г.Н.Новгород, емкостью 400 м3 [4]. Производительность данной установки несколько превышает потребность в биогазе для мини-ТЭЦ, поэтому излишки газа условно приняты для продажи по себестоимости. Стоимость ГПУ принята на основании [5]. В табл. 4 приведены исходные данные для расчета технико-экономических показателей сравниваемых вариантов.

При расчете расходной части по вариантам учтены штрафы за загрязнение атмосферного воздуха и почвы жидкими фракциями экскрементов. При расчете доходной части учитывалось, что будет продажа удобрений; ликвидация штрафов за загрязнение почвы жидкими фракциями экскрементов за счет их утилизации.

Расчет удельных затрат на топливо ГПУ приведен в табл. 5.

Анализ проводился двумя методами: статическим и динамическим. Статический метод предполагает, что параметры проектов из года в год не меняются и поэтому в качестве критериев выбраны: годовые приведенные затраты, годовой экономический эффект и эффективность капитальных вложений.

Результаты расчетов статическим методом приведены в табл. 6.

Как следует из анализа результатов, представленных в табл. 6 эффективность варианта ГПУ на биогазе почти в два раза выше.

Что касается годовых приведенных затрат, то они зависят от коэффициента приведения капитальных вложений. В условиях плановой централизованной экономики этот коэффициент был нормативным и для энергетики принимался равным 0,12 1/год. В условиях рыночной экономики нормативного коэффициента не существует, а есть понятие «альтернативная стоимость», на основании которой рассчитывается реальный коэффициент приведения (реальная процентная ставка r) по формуле:

r=(Eн-b)/(1+b), (1)

где Ен – номинальная процентная ставка (альтернативная стоимость), b – средний уровень инфляции.

В табл. 7 и на рис. 2 приведены зависимости годовых приведенных затрат по вариантам от коэффициента приведения.

Как видно из табл. 7 и рис. 2 при коэффициенте приведения менее 0,16 1/год выгоднее вариант на биогазе, в противном случае – вариант на природном газе.

 Рис. 3. а) Вариант на природном газе (CAT)

Динамический анализ – это анализ движения денежных потоков в реальном времени [7]. На рис. 3 представлены условные прогнозные календарные планы-графики реализации проектов по вариантам.

Графики окупаемости проектов представлены на рис. 4.

Интегральные показатели достоинства проектов приведены в табл. 8

Выводы

1 - мини-ТЭЦ на биогазовых установках более дорогостоящие, чем работающие на природном газе;

2 - эффективность капитальных вложений при использовании мини-ТЭЦ на биогазовых установках почти вдвое выше, чем работающих на природном газе;

3 - в случае проектов продолжительностью до 12-13 лет выгоднее использовать природный газ;

4 - для долгосрочных проектов более 13 лет преимущество имеют биогазовые установки;

5 - биогазовые установки - выгодное средство для вкладывания денег на перспективу в сельском хозяйстве;

Таким образом, анализ интегральных динамических показателей проекта за период 10 лет показывает, что вариант на природном газе выигрывает. Однако при горизонте расчета в 13 и более лет выгоднее становится вариант на биогазе.