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.
Таблица 1- Технические характеристики ГПУ Caterpillar
Топливо |
природный газ |
биогаз |
Электрическая мощность установки (кВт), |
125 |
103 |
Рабочий объем (л) |
69 |
69 |
Номинальная частота вращения (об/мин) |
1500 |
1500 |
Температура выхлопных газов, °С |
448 |
479 |
Расход топлива: биогаза (нм³/ч) |
286 |
526 |
Объем воздуха на образование смеси, нм³/мин |
78,6 |
67,9 |
Температура выхлопных газов |
485 |
479 |
Объем выхлопных газов, нм³/мин |
84,2 |
78,8 |
Газовоздушная смесь/объем топлива |
17,7 |
9,0 |
Уровни токсичности выхлопных газов |
||
NOx при содержании O2 5% (мг/нм³) |
250 |
500 |
CO при содержании O2 5% (мг/нм³) |
1180 |
1119 |
HC (всего) при содержании O2 5% (мг/нм³) |
3014 |
1375 |
Содержание O2 (сухой) в выхлопных газах (%) |
8,1 |
6,5 |
Габариты и масса |
||
Длина (мм) |
4918 |
4906 |
Ширина (мм) |
2204,8 |
2155,4 |
Высота (мм) |
2011,7 |
2051,2 |
Отгрузочная масса (кг) |
11 813 |
11 814 |
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).
Таблица 2 - Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест
№ код |
Наименование вещества |
Формула |
Величина ПДК (мг/м3) |
Класс опасности |
|
максимально разовая |
средне- суточная |
||||
4 |
Азота диоксид |
NO2 |
0,2 |
0,04 |
2 |
6 |
Азот (II) оксид |
NO |
0,4 |
0,06 |
3 |
521 |
Углерод оксид |
СО |
5 |
3 |
4 |
2732 |
Углеводороды |
CH |
1,2 |
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
Топливо |
Вредные вещества |
|||
СО |
NO2 |
NO |
СН |
|
Валовые выбросы, г/с |
||||
биогаз |
0,551 |
0,197 |
0,032 |
0,677 |
газ |
0,621 |
0,105 |
0,017 |
1,586 |
Валовые выбросы, т/год |
||||
биогаз |
17,38 |
6,21 |
1,01 |
21,36 |
газ |
19,58 |
3,32 |
0,54 |
50,02 |
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.
Рис. 1. Приземные концентрации вредных веществ при высоте дымовой трубы 15 м
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.
Таблица 4 - Исходные данные по вариантам
Природный газ |
Биогаз |
|
Caterpillar G3406 (модель) |
DM5447 |
DM8660 |
Электрическая мощность, кВт |
125 |
103 |
Стоимость ГПУ, тыс. руб |
5625 |
4635 |
Удельные затраты на топливо, руб/кВт.ч |
1,34 |
0,69 |
Стоимость биогазовой установки, тыс.руб |
- |
14520 |
Себестоимость выработки биогаза, руб/м3 |
- |
1,9 |
Таблица 5-Расчет удельных затрат на топливо ГПУ
Мощность установки, кВт |
Расход, м³/ч на 1 час |
Кол-во часов для выработки 1000 кВт.ч, час |
Расход, м³/ч на 1000 кВт.ч |
Удельная стоимость газа, руб/м3 |
Удельные затраты на топливо, руб/кВт.ч |
|
ГПУ на биогазе |
103 |
37,6 |
9,7 |
365 |
1,9 |
0,69 |
ГПУ на природном газе |
125 |
39,0 |
8,0 |
312 |
4,3 |
1,34 |
Таблица 6 - Сравнительный анализ вариантов
Параметры |
Природный газ CAT |
Биогаз CAT+(БИОЭН-1-400) |
Эл. мощность установки, кВт |
125 |
103 |
Стоимость установки, тыс.руб |
5625 |
19155 |
Удельные затраты на топливо, руб/кВт.ч |
1,34 |
0,69 |
Себестоимость выработки биогаза, руб/м3 |
1,9 |
|
Годовая выработка электроэнергии, кВт.ч/год |
1095000 |
902280 |
Годовые затраты на топливо,тыс. руб/год |
1467,30 |
622,57 |
Штрафы за загрязнение воздуха,тыс. руб/год |
896,88 |
1858,02 |
Штрафы за загрязнение почвы, тыс.руб/год |
2210,76 |
|
ИТОГО годовые экспл. затраты, тыс.руб/год |
4574,94 |
2480,59 |
Коэффициент приведения, 1/год |
0,12 |
0,12 |
Годовые приведенные затраты, тыс.руб/год |
5249,94 |
4779,19 |
Доходы (условно) от: |
||
продажи эл.энергии, тыс.руб/год |
4927,50 |
4060,26 |
продажи теплоэнергии, тыс.руб/год |
1315,15 |
1083,69 |
продажи излишек биогаза, тыс.руб/год |
483,79 |
|
утилизация жидкой фракции, тыс.руб/год |
2210,76 |
|
продажи удобрения, тыс.руб/год |
5340,00 |
|
ИТОГО доходов (условно), тыс.руб/год |
6242,65 |
13178,49 |
Годовой эффект, тыс.руб/год |
1667,72 |
10697,90 |
Эффективность, руб/руб |
0,30 |
0,56 |
Таблица 7 - Зависимости годовых приведенных затрат от коэффициента приведения
Коэффициент приведения, 1/ год |
||||||
0,06 |
0,08 |
0,1 |
0,12 |
0,14 |
0,16 |
|
Годовые приведенные затраты CAT, тыс.руб/год |
4912 |
5025 |
5137 |
5250 |
5362 |
5475 |
Годовые приведенные затраты CAT+БИОН-1, тыс.руб/год |
3630 |
4013 |
4396 |
4779 |
5162 |
5545 |
Рис. 2. Зависимости годовых приведенных затрат 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)
Рис. 3. б) - Вариант на биогазе (CAT+БИОН-1))
Рис. 4. Графики окупаемости проектов
Таблица 8
Интегральные показатели достоинства проектов за 10 лет
Показатель |
Природный газ |
биогаз |
Ставка дисконтирования, % |
14,00 |
14,00 |
Период окупаемости - PB, мес. |
25 |
29 |
Дисконтированный период окупаемости - DPB, мес. |
30 |
37 |
Чистый приведенный доход – NPV, тыс.руб |
11 598 |
27015 |
Индекс прибыльности - PI |
3,12 |
2,52 |
Внутренняя норма рентабельности - IRR, % |
83,48 |
66,54 |
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.
Библиографическая ссылка
Маслеева О.В., Пачурин Г.В., Головкин Н.Н. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МИНИ-ТЭЦ, РАБОТАЮЩИХ НА ПРИРОДНОМ И БИОГАЗЕ // Международный журнал экспериментального образования. – 2014. – № 1-1. – С. 86-92;URL: https://expeducation.ru/ru/article/view?id=4523 (дата обращения: 17.08.2024).