25

Размещено на http://www.allbest.ru/

25

[Введите текст] [Введите текст] [Введите текст]

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ КАЛИНИНГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ

25.00.36. - геоэкология

РАГУЛИНА Изумруд Рамазановна

Калининград - 2007

Работа выполнена в Российском государственном

университета имени Иммануила Канта

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических

наук, профессор

Краснов Евгений Васильевич

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических

наук, профессор

Покровский Альберт Викторович

доктор географических наук,

профессор

Петров Кирилл Михайлович

Ведущая организация: Московский государственный

университет имени М.В. Ломоносова

Защита состоится « 7 » ноября 2007 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.084.02 при Российском государственном университете имени Иммануила Канта на факультете географии и геоэкологии по адресу: 236040, г. Калининград, ул. Университетская, 2, ауд. 206; e-mail: ecogeography@rambler.ru

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале научной библиотеки Российского государственного университета имени Иммануила Канта (ул. Университетская, 2).

Автореферат разослан « 5 » октября 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Г. М. Баринова

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Истощение запасов ископаемых видов топлива ввиду роста их потребления определяет неизбежность перехода к альтернативным источникам энергии. Необходимость экономии природных ресурсов в условиях глобальных изменений климата и обострения экологических проблем (загрязнение атмосферы СО₂, СН₄ и др. парниковыми газами, разрушение озонового слоя и т.д.) становится важнейшим условием экологизации природопользования. Концепция экологически сбалансированного (устойчивого) развития основывается на увеличении доли использования возобновляемых источников энергии, среди которых биоэнергетика играет все более значительную роль.

Использование биоэнергетического потенциала во многих государствах осуществляется на основе Киотского протокола, согласно которому промышленно-развитые страны и страны с переходной экономикой к 2012 гг. должны сократить совокупные выбросы парниковых газов по меньшей мере на 5% по сравнению с уровнем 1990 г. В странах Западной Европы, США, Бразилии, Японии, Китае все шире, наряду с энергией солнца, ветра, воды, используется биотопливо.

Биотопливо (по Н.Ф. Реймерсу, 1990) - любая биомасса (органические вещества растительного и животного происхождения), превращаемая при сгорании в тепловую энергию. В эту категорию входят также органическая часть твердых бытовых отходов (ТБО), отходы животноводства и птицеводства и др., выделяющие тепловую энергию при брожении.

Из биомассы в мире ежегодно получают порядка 2 млрд. т у.т. энергии, что составляет около 14 % общего потребления первичных энергоносителей. В развивающихся странах этот показатель превышает 30%, (иногда доходит до 50-80%), однако в промышленно развитых государствах он составляет в среднем 2-3%. Вклад биомассы в общий энергобаланс Европейского Союза в 2004 г. составлял 3,6%, а к 2010 г. его планируется увеличить до 12%. В Финляндии биотопливом покрывается 19,6% общего потребления первичной энергии, в Швеции -16,1%, в Австрии - 11%, в Дании - 10,3%, в Польше - 4,5%, в Германии - 2,1% и т.д. Значительных успехов достигли Латвия (28%), Эстония (10,5%), Литва (7,6%). В России доля биоэнергетики в общем балансе составляет всего лишь 0,56 %, а в Калининградской области - 0,4%.

Топливно-энергетический комплекс (ТЭК) этого эксклавного региона России в настоящее время получает энергию, вырабатываемую на основной территории страны и передаваемую по электрическим сетям Белоруссии и Литвы (86,4% от общих объемов потребления в 2005 г.). Кроме того, в октябре 2005 г. здесь запущен первый энергоблок ТЭЦ-2 мощностью 450 МВт, работающей на природном газе, но и это не обеспечивает полностью энергетической независимости Калининградской области. Неопределенности, связанные с транзитными поставками природного газа и вероятностью закрытия Игналинской АЭС в Литве, уже в 2009 г. могут обострить ситуацию в ТЭК региона. Использование биотоплива способно диверсифицировать производство энергии, привести к ресурсосбережению, утилизации отходов и значительному сокращению выбросов парниковых газов в атмосферу.

Цель работы - оценка значения биоэнергетического потенциала Калининградской области для повышения эколого-экономической эффективности регионального развития.

Для достижения этой цели автором решались следующие задачи:

1. Оценить распространение и биоэнергетический потенциал древесных отходов лесопромышленного комплекса на территории региона.

2. Выявить эколого-географические предпосылки создания короткоцикловых ивовых плантаций с учетом ландшафтной дифференциации территории.

3. Обосновать эколого-экономическую целесообразность использования возобновимых ресурсов торфа в региональной теплоэнергетике без ухудшения условий окружающей среды.

4. Изучить распространение и возможности утилизации отходов животноводства и птицеводства на территории области.

5. Оценить значение городских свалок ТБО региона для получения тепловой энергии с учетом воздействия на окружающую среду.

Объект исследования - биоэнергетические ресурсы Калининградской области. отход плантация утилизация лесопромышленный

Предмет исследования - эколого-географическая оценка биоэнергетического потенциала Калининградской области.

Научно-методологическая основа: теоретико-методологические основы геоэкологии и природопользования (С.П. Горшков, Г.Н. Голубев, К.М. Петров, А.Г. Емельянов, Н.Ю Куражковский, Н.Ф. Реймерс, Т.Г. Рунова, И.Н. Волкова, Т.Г., Нефедова, П.Я. Бакланов и др.); оценка значения биомассы для производства энергии (J. Twidell, T. Weir, J.A. Stasiek, Т. B. Johansson, D.O. Hall, H. Kelly, A.K.N. Reddy, R.H. Williams, J. Woods, А.А. Соловьев, С.И. Зайцев, Н.А. Рустамов, П.П. Безруких, и др.), в том числе древесных отходов (M. Parrika, Г.А. Борисов, Г.И. Сидоренко,); изучение перспектив создания ивовых плантаций (P.F. Randerson, К.L. Perttu, P.J. Kowalik, А. Koppel, Е.Г. Победимова, А.К. Скворцов), возможностей использования торфа (И.И. Лиштван, С.Н. Тюремнов, В.Д. Марков, А.С. Оленин, А.В. Лазарев, В.В. Орленок), биогаза (H. Schulz, B. Eder, Е.С. Панцхава, Е.Е. Мариненко), твердых бытовых отходов (В.И. Гурвич, Г.Г. Гелетуха, Г.А. Заварзин, А.Б. Лифшиц, А.Н. Мирный и др.).

В основу диссертации положены аналитические и статистические данные об объемах лесозаготовок (2001-2005 гг.), добычи торфа (1998-2006 гг.), твердых бытовых отходов; о численности поголовья домашнего скота и птицы, а также картографические материалы из «Географического атласа Калининградской области» (2002), «Схемы охраны природы Калининградской области» (2005), «Карты горючих полезных ископаемых (торф, бурые угли) Калининградской области» (2000), «Пространственного, территориального и ландшафтного планирования в Калининградской области» (2006). Использовались информационно-аналитические и статистические данные территориального органа Федеральной службы госстатистики Калининградской области, отчеты о состоянии окружающей природной среды Калининградской области, отчеты Агентства лесного хозяйства и Ростехнадзора; результаты экологического мониторинга, отчеты и технико-экономические обоснования проектов производственных предприятий, в том числе проект ТАСИС «Поддержка деятельности в сфере обращения с отходами в Калининградской области», а также ресурсы Internet.

Основные методы исследования - сравнительно-географический, расчетно-статистический и картографический. Обработка статистических данных осуществлялась с помощью табличного процессора EXEL. В качестве программного обеспечения применялись Adobe Photoshop 7.0, CorelDraw 11.

Научная новизна:

Впервые количественно оценен суммарный энергетический эквивалент биотоплива Калининградской области (древесных отходов, торфа, биогаза, твердых бытовых отходов и др.) и картографически отображены особенности распространения биоэнергетических ресурсов в регионе.

Впервые дано эколого-ландшафтное обоснование размещения ивовых плантаций, перспективных для получения биотоплива.

Разработана типология территории области по биоэнергетическим показателям, основанная на возможностях практического использования ресурсов биотоплива.

Обоснована геоэкологическая значимость использования биотоплива без ухудшения качества окружающей среды региона.

Практическое значение работы определяется острой необходимостью решения энергетических проблем Калининградской области без ухудшения экологической ситуации. Диссертация носит научно-практический характер и направлена на развитие биоэнергетики, внедрение экологически более чистых технологий в производство тепловой и электрической энергии.

Предложенные количественные оценки биогаза из отходов животноводства и птицеводства, использованы региональным Министерством сельского хозяйства в Целевой программе «Основные направления развития агропромышленного комплекса Калининградской области на 2007- 2016 годы». Основные положения диссертации внедрены в учебный процесс при чтении лекционных курсов «Экология» и «Экологические риски региона» студентам и курсантам Балтийской государственной академии рыбопромыслового флота.

Личный вклад. В основу диссертации положено непосредственное участие в сборе, систематизации и обработке фактических данных. Для обоснования вариантов использования биоэнергетических ресурсов проводилось обследование ключевых участков, выполнялись прогнозные расчеты и оценки.

Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на межвузовской конференции аспирантов, докторантов и соискателей Балтийской государственной академии рыбопромыслового флота (Калининград, 2001 г.), IY региональной конференции «Геоэкология и природные ресурсы Калининградской области и Балтийского моря» (Калининград, 2002 г.), Восьмой польско-датской конференции «Биомасса для энергии» (Гданьск, 2003 г.), международной научно-технической конференции «Энергосбережение. Энергооборудование. Энергопотребление» (Калининград, 2006 г.), международной научно-практической конференции «Проблемы управления социально-экономическими процессами региона» (Калининград, 2006, 2007 гг.). По результатам исследования опубликовано 10 работ.

Основные защищаемые положения:

Значимость биоэнергетического потенциала Калининградской области (отходов лесопромышленного производства, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности и др.) в качестве альтернативы традиционным источникам энергии на основе количественных оценок.

Эколого-географические предпосылки создания короткоцикловых ивовых плантаций для производства биотоплива с учетом ландшафтной дифференциации территории региона.

Возможность использования возобновляемых ресурсов торфа в качестве источников биотоплива с эколого-экономических позиций.

Типология территории Калининградской области по биоэнергетическим показателям.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы и 5 табличных приложений общим объемом 162 страниц, включая 26 рисунков и 37 таблиц. Список литературы включает 154 наименования, в том числе 35 на иностранных языках.

Основное содержание диссертации

Под биоэнергетическим потенциалом автором предлагается понимать количественно выраженный ресурс энергии, заключенный в биотопливе (биомассе), который может быть реально вовлечен в хозяйственную деятельность при существующих технических и социально-экономических возможностях общества с условием сохранения благоприятной среды обитания.

Использование биомассы в России осуществляется при термохимической конверсии дров и древесных отходов, твердых бытовых отходов (ТБО), торфа (прямое сжигание, газификация, пиролиз и пр.) и биотехнической конверсии отходов сельского хозяйства, осадков канализационных очистных систем, полигонов ТБО (биогаз).

Целесообразность развития биоэнергетики в Калининградской области обусловлена ее геополитическим положением, природными и социально-экономическими условиями. Основные биоэнергетические ресурсы региона - древесные отходы лесного хозяйства, целлюлозно-бумажной и мебельной промышленностей, торф, органические отходы сельскохозяйственного производства, ТБО и т.д. Их рациональное использование позволит решать не только энергетические, но также экологические и социальные проблемы (решение проблемы парниковых газов, ТБО, оптимизация лесозаготовок, создание новых рабочих мест, пополнение регионального и местного бюджетов и пр.).

Биоэнергетический потенциал лесопромышленного комплекса

Площадь государственного лесного фонда Калининградской области составляет 281,3 тыс. га, покрытая лесом - 242 тыс. га, запасы насаждений - 48,6 млн. м³ (по состоянию на 01.01.2006 г.). Ежегодный общий прирост древесины - 920 тыс. м³. Всего спелого леса на корню насчитывается около 5 млн. м³ (6% от общей площади лесного фонда).

Средняя лесистость - 18,5%, в отдельных районах она варьирует от 5,5 до 40,5%. Так, в Неманском районе лесистость - 5,5%, Зеленоградском - 8,7%, Озерском - 10,3%. Наиболее покрытые лесами районы: Полесский - 40,5%, Нестеровский - 26,8%, Славский - 22,3%. До 50% видового состава лесов представлено мягколиственными породами, 28% - хвойными, 22% - твердолиственными. Средний возраст древостоя - 56 лет.

Леса отнесены главным образом к 1 группе, в них существенно ограничены рубки главного пользования, заготовка древесины осуществляется при рубках промежуточного пользования (санитарных, рубках ухода и др.), а также при лесовосстановлении. На территории области ежегодно добывается более 450 тыс. м³ ликвидной древесины, образуется 100-140 тыс. м³ древесных отходов, которые чаще всего сжигают на лесосеках.

В 2005 г. было вырублено 522,6 тыс. м³ древесины, что в 1,5 раза больше по сравнению с 2001 г. Это связано с тем, что нормы вырубки расчетной лесосеки (с 2003 г.) были увеличены с 178,8 до 214,7 тыс. м³. В 2001 г. по отношению к рубкам главного пользования расчетная лесосека была освоена лишь на 39%, а в 2005 г. - на 57,8% (рис.1).

Рис. 1. Использование ликвидной древесины и древесных отходов

Объемы лесных древесных отходов для основных лесхозов области, рассчитанные на основе данных Агентства лесного хозяйства Калининградской области об объемах лесозаготовок и анализа сортиментных таблиц для различных видов деревьев (сосны и ели; дуба и ясеня; березы, ольхи и осины) с учетом разряда высот, диаметра и высоты ствола, варьируют от 8,0 до 37,4 тыс. м³ (рис. 2).

Количество дров и древесных отходов (по всем видам рубок) в 2005 г. составило 43,3% от вырубаемой древесины (в т.ч. дрова - 25,9%, отходы 17,4%). Наибольшее количество древесных отходов образуется в Полесском (37,4 тыс. м³), Краснознаменском (30,1 тыс. м³), Нестеровском (29,3 тыс. м³) и Черняховском (27,6 тыс. м³) лесхозах.

Энергия [МДж], накопленная в процессе фотосинтеза, для однородных по свойствам фракций лесной биомассы лесных древостоев оценивалась по формуле:

E = V • с • Q_Н, (1)

где V - объем древесной биомассы [м³]; с - плотность древесины [кг/м³];

Q_Н - низшая (полезная) теплота сгорания влажного топлива [МДж/кг].

Рис. 2. Объемы ликвидной древесины и древесных отходов (тыс. м³), 2005 г.

Низшая теплота сгорания в зависимости от содержания влаги и золы рассчитывалась по методике, предложенной шведским стандартом SS 187182), согласно которой низшую теплоту сгорания (Q_Н) влажного топлива (древесное топливо и торф) вычисляют путем уменьшения высшей теплоты сгорания () на количество энергии, расходуемое на испарение влаги, содержащейся в топливе, при его подаче в котельную.

, (2)

где - высшая теплота сгорания в обеззоленном сухом веществе, [МДж/кг]; W - содержание влаги, %; А^С - содержание золы в сухом веществе, %; 2,442 - теплота парообразования воды [МДж/кг]. Высшая теплота сгорания () древесины принималась равной 19,2 МДж/кг.

Энергетический потенциал лесосечных отходов и дров естественной влажности в 2005 г. составил 917,5 ТДж (Т=10¹²) - 3,8% от потребляемой областью тепловой энергии, что эквивалентно 31,3 тыс. т у.т (условного топлива).

С целью оценки репрезентативности результатов расчеты биоэнергетического потенциала лесосечных дров и отходов, образующихся при рубках главного пользования, также велись по методике, применявшейся для оценки валового и технического энергетических потенциалов биомассы лесов Карелии (Г.А. Борисов, Г.И. Сидоренко, 2002). Результаты двух способов расчетов оказались вполне сопоставимыми. Энергетический потенциал лесосечных отходов и дров естественной влажности, образующихся при рубках главного пользования, рассчитанный на основе табличных сортиментных данных с использованием шведского стандарта составил 239,7 ТДж, по методике Г.А. Борисова и Г.И. Сидоренко - 229,5 ТДж.

Целлюлозно-бумажная и мебельная промышленность Калининградской области работает как на местном, так и на привозном сырье (из Карелии и Архангельской области). До апреля 2007 г. в регионе действовало 3 целлюлозно-бумажных предприятия: СП ЗАО «Цепрусс» в г. Калининграде, АООТ «Советский ЦБЗ» в г. Советске, ООО «Неманский ЦБК» в г. Немане. В апреле 2007 г. СП ЗАО «Цепрусс» прекратил свою основную деятельность во многом из-за несоблюдения экологического законодательства. Ранее в 1997 г. прекратилось производство на ЦБК «Дарита» (бывший КЦБК-1), однако древесные отходы (120 тыс. т) на его территории остаются не использованными до настоящего времени.

Ежегодно на деревообрабатывающих предприятиях области образуется более 80 тыс. т древесных отходов IV и V классов опасности. В 2005 г. количество древесных отходов IV класса достигло 54,876 тыс. т, из них 96,2% - кора целлюлозно-бумажных предприятий (ЦБП); V класса - 26,563 тыс. т, из них 64,3% - опилки. Излишки древесных отходов на деревообрабатывающих предприятиях большей частью сбрасываются в ручьи, реки и придорожные канавы. Часть отходов самовозгорается или сжигается, еще больше ухудшая состояние воздушной среды.

Для 81,4 тыс. т древесных отходов при влажности в среднем 40-50% и низшей теплоте сгорания - 9,0 МДж/кг ежегодный энергетический потенциал составляет 732,9 ТДж, что соответствует 3,1% потребляемой областью тепловой энергии, эквивалентно 25 тыс. т у.т. Из опилок, стружки, древесной коры и щепы, накапливающихся на целлюлозно-бумажных комбинатах области, возможно изготовление биогранул (древесных пеллет). Основные характеристики биогранул: высшая теплота сгорания - 19,0 МДж/кг; диаметр - 8 мм, длина - 10-20 мм; зольность - 2-3% в гранулах из коры и 0,5% в гранулах из опилок; влажность - 2-10%.

Запасы коры и других древесных отходов в Калининграде (450 тыс. т), Советске (535 тыс. т) и Немане (42,5 тыс. т) достигают 1,0 млн. т. Этого количества достаточно для производства биогранул более чем на 10 лет при годовом выпуске порядка 60 тыс. т, что соответствует 1140 ТДж энергии. При этом запасы отходов действующих ЦБК ежегодно пополняются в среднем на 30-40 тыс. т.

Осуществление предложенного Госкомэкологией России инвестиционного проекта «Организация малоотходного производства биогранул с утилизацией короотвалов целлюлозно-бумажной и деревоперерабатывающей промышленности» в г. Калининграде позволило бы отказаться от сжигания 42 тыс. т угля в котельных и ТЭС и снизить загрязнение атмосферного воздуха выбросами СО₂ на 99834 т/год, а SO₂ - на 504 т/год.

Ивовые плантации - перспективное направление биоэнергетики

В ряде европейских стран (Англия, Дания, Швеция, Польша, Эстония и др.) быстрорастущие виды ивы (Salix viminalis, S. dasyclados и др.) широко культивируются для короткоциклового воспроизводства энергетической биомассы. Скашивают прутняк (высотой 4-7 м) в среднем раз в 3-4 года, затем перерабатывают стебли в щепу, которую сжигают как в традиционных, так и в специальных установках для получения тепла и электроэнергии. Полное время функционирования продуктивной плантации после ее закладки составляет 24-25 лет, после чего корни ивы полностью измельчаются, почва рекультивируется и готовится под новую плантацию или посадку другой культуры.

В Польше и Швеции годовой урожай сухой древесной биомассы ивы достигает в среднем 10-12 т/га (теплота сгорания 1 т сухой массы соответствует 16-19 ГДж) и энергетически эквивалентен 7 т каменного угля или 5,5 т мазута.

SWOT-анализ перспективности использования ивовых плантаций в условиях Калининградской области

Сильные стороны 1. Широкое распространение ивовых (род Salix), высокое мелиоративное значение 2. Использование малопродуктивных земель для выращивания ивы в течение 20-25 лет 3. Снижение зависимости от поставок природного газа, угля, мазута 4. Возобновляемость ресурсов	Слабые стороны 1. Блокирование дренажных систем корнями ивы 2. Длительный период окупаемости (10-12 лет) 3. Необходимость государственной поддержки (дотаций, субсидий и пр.) 4. Плохая сохранность измельченной ивы
Возможности 1. Комплексное использование ивовых плантаций для очистки сточных вод, осушения заболоченных земель 2. Для создания плантаций пригодны почвы избыточно увлажненнные 3.Использование для повышения урожайности плантаций в качестве удобрений недоочищенные сточных вод ЖКХ, животноводческих ферм и пр. 4. Сжигание влажной щепы в котельной сразу после заготовки в зимнее время	Угрозы 1.Нарушение работы мелиоративной сети 2. Затруднительная механизированная уборка на переувлажненных почвах в связи с положительными температурами в зимнее время 3. Недостаточная изученность долгосрочного воздействия сточных вод на физико-химические свойства почв 4. Разложение (возгорание) измельченной щепы при длительном ее хранении

Для развития этого направления биоэнергетики в регионе имеется ряд благоприятных предпосылок. В ходе ревизии представителей рода Salix учеными кафедры ботаники РГУ им. И. Канта выявлено 13 видов ив, из которых 11, включая S. viminalis L., встречаются в различных ландшафтах по всей территории области (Г.Г. Кученева, 1983; А.И. Халаим, 1999). Производство биомассы ивовых рода Salix весьма перспективно организовывать на пустующих сельскохозяйственных и избыточно увлажненных землях в поймах рек, на заболоченных лугах побережий Куршской и Вислинской лагун.

Кустарниковые ивы быстро растут на нарушенных землях - отвалах вскрышных пород горных выработок (карьеров), на эродированных землях, заброшенных пастбищах. В Славском, Нестеровском и Правдинском районах нарушенные земли образуются после карьерных разработок месторождений торфа, песчано-гравийных материалов и др. Такими землями в области занято 4426 га, рекультивация их осуществляется крайне медленно. Площадь эрозионно-опасных сельскохозяйственных угодий составляет 140 тыс. га.

В соответствии с целевой программой «Основные направления развития агропромышленного комплекса Калининградской области на 2007-2016 гг.» площадь неиспользуемых сельскохозяйственных земель к 2016 г. составит 39 тыс. га, в настоящее время она достигла 300 тыс. га, в том числе не используемая пашня - 146 тыс. га, луга и пастбища - 154 тыс. га. Энергетический потенциал ивовых плантаций, учитывая площадь неиспользуемых сельскохозяйственных и эродированных земель к 2016 г., может ежегодно составить 2100 ТДж (65,4 тыс. т у.т.), принимая, что годовой урожай сухой древесной массы - 10 т/га и её теплота сгорания - 16 МДж/кг (при сборе урожая один раз в три года).

Типичные для Калининградской области выровненный рельеф, избыточное количество осадков, тяжелые почвогрунты способствуют переувлажнению земель и благоприятны для произрастания ивы. С учетом анализа новейших ландшафтной и почвенной карт (Н.Н. Лазарева, 2002; 2004); карт целей экологически ориентированного использования территории, природно-экологического каркаса и конфликтов природопользования Калининградской области, составленных при разработке Ландшафтной программы коллективом географов, биологов, гидрологов и др. (В.П. Дедков, Г.М. Федоров, 2006), выделены участки, перспективные под ивовые плантации (рис. 3). При этом исключались особо охраняемые и предлагаемые к охране природные территории (Схема охраны…, 2004), лесные, высоко и средне продуктивные сельскохозяйственные угодья.

Полевое обследование территории (с использованием метода ключевых участков) позволило выделить по значимости три категории урочищ (перспективных для создания ивовых плантаций) - высокую, среднюю и низкую. К высоко перспективным отнесены урочища моренных равнин (в частности, пологоволнистых равнин на карбонатной суглинистой морене, низких моренных равнин); озерно-ледниковых глинистых равнин; дельтовых равнин; долин крупных рек (не входящих в состав ООПТ и предлагаемых к охране). Менее значимы урочища пологоволнистых и возвышенных волнистых равнин на бескарбонатной суглинистой морене. Наименьшее значение для плантаций имеют урочища краевых грядово-холмистых морен, флювиогляциальных равнин, эоловых образований.

Рис. 3. Участки, перспективные для выращивания ивовых плантаций

Для выращивания ивы из всех выделенных категорий участков потенциально перспективны урочища на дерново-слабоподзолистых глееватых и глеевых суглинистых почвах на карбонатных моренных суглинках; дерново-скрытоподзолистых глееватых и глеевых почвах на озерно-ледниковых глинах с избыточным увлажнением и неблагоприятными агротехническими свойствами; на дерново-глеевых почвах на аллювиально-озерных отложениях. Урочища, предлагаемые для создания ивовых плантаций, занимают значительную площадь в северной, центральной и северо-восточной частях территории области.

Менее пригодны для выращивания ивы легкие дерново-слабоподзолистые глееватые почвы, формирующиеся на легких моренных отложениях (супесчаного и суглинистого механического состава), которые занимают полого-волнистые равнины (юго-запад области), возвышенные волнистые равнины (северо-запад) и полого-волнистые равнины на легкой карбонатной суглинистой морене (юго-восток области).

Еще менее значимы для плантаций ивы почвы супесчаного и песчаного механического состава, долины рек с глубоко врезанными поймами, с крутыми уклонами. К этой части территории относятся Вармийская и Виштынецкая и Самбийская возвышенности, Прегольско-Инстручская гряды, характеризующиеся расчлененным рельефом, высоким содержанием валунного материала, слоистостью песчано-гравийных отложений.

Биоэнергетический потенциал биомассы ивы на площади 4,5 тыс. га ежегодно достигает 810 ТДж (27,6 тыс. т у.т.), что эквивалентно 3,4% потребляемой областью тепловой энергии, а также сжиганию 32,3 тыс. т угля или 19,3 тыс. т мазута. Для ивовых плантаций в первую очередь целесообразно использовать пустующие малопродуктивные земли вблизи действующих котельных (Калининград, Правдинск, Полесск и др.).

Торф как биотопливо

Торф относится к частично возобновляемым природным ресурсам, его обычный ежегодный прирост в высоту варьирует от 0,4 до 2-3 см (Г.Н Ельцина, 1999), поэтому возможно неистощительное использование этого вида биотоплива в пределах величин прироста. Торфяные болота занимают 6% территории области, из них менее распространены верховые болота - 32,5% (от их общей площади), значительно больше низинных болот - 64%, а переходных - 3,5% от общей заболоченной территории. Наиболее заболочены северо-западные районы, приуроченные к Нижненеманской низменности и северной части Полесской равнины. Степень заторфованности здесь доходит до 20%.

На площади 64978 га в области насчитывается 282 месторождения торфа с промышленными запасами 311 млн. т. Общие запасы торфа - более 3,0 млрд. т (В.В. Орленок, 1997). Наибольшие залежи сосредоточены в Славском, Полесском, Гурьевском районах. Запасы торфа на 10 разрабатываемых месторождениях составляют 33,739 млн. т (по состоянию на 01.01.2006). Среднегодовые объемы добычи торфа на освоенных месторождениях в 1997-2006 гг. составляли 40-50 тыс. т (условная влажность 40%), из них топливного - 5-7 тыс. т (рис. 4).

Рис. 4 Динамика добычи торфа в Калининградской области

Мощность торфа на месторождениях - 3-5 м, однако, иногда она увеличивается до 6-9 м. Большинство торфяных залежей нормальнозольные (зольность менее 12 %), со средней степенью разложения 25-30%. Низинные залежи содержат до 60% углерода и отличаются более высокой теплотворной способностью - 23,3 МДж/кг (для сухого вещества) по сравнению с залежами переходного и верхового типов - 22,5 МДж/кг, но с большей зольностью (от 5 до 25%). Зольность переходных и верховых залежей 5-6% и ниже.

Торф низинных болот по теплотворной способности практически не отличается от бурых углей. В связи с этим для сельских районов целесообразна добыча и переработка торфа на топливо. В довоенное время (до 1945 г.) в Восточной Пруссии торф брикетировали и широко использовали для отопления городов и сел.

При оценке месторождений, пригодных для добычи топливного торфа, учитывался ряд критериев: зольность - до 23% (норм. до 12%); степень разложения для торфяников верхового и переходного типа от 15% и выше, низинного типа - от 10% и выше; содержание влаги - меньше 52% (в соответствии с ГОСТ Р 50902-96). Этим критериям удовлетворяют 29 месторождений (включая действующие) общей площадью 16,06 тыс. га (в пределах промзалежи) и запасами 54,2 млн. т, в т.ч. 16 месторождений низинного типа с общей площадью 12,7 тыс. га и запасами 49,6 млн. т (рис. 5).

Рис. 5. Разрабатываемые и перспективные месторождения топливного торфа

При этом исключались месторождения, подлежащие сохранению в естественном состоянии на особо охраняемых и предлагаемых к охране природных территориях.

При ежегодной добыче 2,0 тыс. т торфа (40% влажности) на каждом из 29 месторождений общий биоэнергетический потенциал составит 585,8 ТДж (20,0 тыс. т у.т.), что эквивалентно 2,46% потребляемой областью тепловой энергии, а также сжиганию 23,3 тыс. т угля или 14,0 тыс. т мазута.

Расчеты низшей (полезной) теплоты сгорания (см. формулу 2) торфа производились согласно шведскому стандарту SS 187182. Высшая теплота сгорания (, МДж/кг) рассчитывалась:

для низинного и переходного торфа:

; (3)

для верхового торфа:

, (4)

где А^С - содержание золы в сухом веществе, %; R - степень разложения торфа (И.И. Лиштван, 1989).

Неистощительное использование в пределах величин ежегодного прироста позволяют добывать топливный торф на основных действующих предприятиях Нестеровского, Краснознаменского, Полесского, Славского районов (по 10-50 тыс. т/год) многие десятки лет.

Возможности получения биогаза

В 2005 г. в Калининградской области насчитывалось 165 сельскохозяйственных организаций (в том числе 65 малых предприятий), 1107 крестьянско-фермерских хозяйств и индивидуальных предприятий. Около 50% объема сточных вод и отходов животноводческих ферм, зверохозяйств и птицефабрик используется в качестве удобрения, остальные вывозятся на поля без обработки, создавая угрозу распространения инфекционных болезней. Вместе с тем, на крупных птицефабриках (при поголовье птиц 600-650 тыс. штук) выход биогаза от сбраживания помета достигает 120 тыс. м³ в сутки. Основа получения биогаза - процесс анаэробной ферментации органического вещества под действием бактерий. Метановое брожение протекает при температурах от 10 до 55°С. В результате образуется газовая смесь, содержащая 60-70% метана, 30-35% углекислого газа, 2-3% азота, 1-2% водорода и др., с низшей теплотой сгорания 18,0-27,5 МДж/м³, а также экологически чистое органическое удобрение.

Возможное количество биогаза (Р) для районов Калининградской области (для крупных, средних и малых сельхозпредприятий) рассчитывалось по формуле (H. Schulz, B. Eder, 2001; Г.Г. Гелетуха, 2002):

Р [м³ СН₄/год] = N • C [т/год] • 0,62 • В [м³ СН₄/т], (5)

где N - количество голов скота и птиц, С - количество органического вещества (навоза, помета) на 1 голову в год, В - количество биогаза на одну тонну органического вещества (навоза, помета). Для исключения из расчета органических отходов, непригодных для анаэробного сбраживания, введен коэффициент доступности (0,62).

Энергетический потенциал биогаза (Q) рассчитывался по формуле:

Q [МДж] = Р [м³ СН₄/год] • 22 [МДж/м³], (6)

где 22 МДж/м³ - теплотворная способность биогаза.

В 2005 г. количество биогаза из отходов животноводства и птицеводства составило 18,3 млн. м³, его энергетический потенциал - 404,1 ТДж (13,8 тыс. т у.т.), что соответствует 1,69% тепловой энергии, ежегодно потребляемой областью (табл. 1).

Таблица 1 Биоэнергетический потенциал отходов животноводства и птицеводства (условная влажность 90-95%)

Учитываемые показатели	Крупный рогатый скот	Свиньи	Овцы и козы	Лошади	Куры
Кол-во голов (N) на 1.01.2006 г	57935	22633	5103	1069	1754023
Количество биогаза, (P) тыс. м3	10775,9	1052,4	56,5	79,5	6402,2
Энергетический потенциал биогаза, (Q) ТДж	237,1	23,2	1,2	1,7	140,8

Для утилизации помета на Калининградской птицефабрике (поселок А. Космодемьянского) существует цех компостирования, однако его мощность не достаточна, помет вывозится на поля без предварительного компостирования, что приводит к загрязнению почв, поверхностных и подземных вод, воздушной среды. На существующей базе животноводческих комплексов и птицефабрик вполне возможно создание биогазовых установок, которые позволят получать не только электрическую и тепловую энергию, но также экологически чистые удобрения. Биогазовые установки в Калининградской области целесообразно расположить в наиболее крупных животноводческих хозяйствах и птицефабриках области.

Биотопливо из твердых бытовых отходов

На территории области зарегистрировано более 160 свалок твердых бытовых отходов (ТБО) общей площадью 140 га. Все они расположены в неблагоприятных по геолого-гидрологическим условиям местах: на торфяниках и заболоченных участках, в песчаных карьерах. Большое число свалок существуют в водоохранных и рекреационных зонах, на берегах рек и заливов.

Общий объем ТБО области, накопленный к началу 2006 г., составил 9,6 млн. т (38,2 млн. м³). Организованная система сбора, учета, хранения, переработки и обезвреживания отходов в регионе отсутствует, существует острая потребность в создании полигонов для их утилизации. Самая крупная свалка области в поселке А. Космодемьянского находится в водоохранной зоне р. Преголя и оказывает крайне негативное влияние на поверхностные, грунтовые воды и атмосферный воздух выделениями метана и двуокиси углерода. Ежегодно на эту свалку вывозится около 300 тыс. тонн ТБО, из которых самопроизвольно образуется 10-11 млн. м³ свалочного газа, который содержит 60-70% метана, 30-40% углекислого газа, в незначительных количествах азот, кислород, водород и др. Его энергетический потенциал составляет 182,8 ТДж (6,2 тыс. т у.т.) в год. Свалочный газ целесообразно использовать, исходя не только из экологических, но и экономических соображений. Его утилизация в котельной поселка А. Космодемьянского позволила бы ежегодно экономить 7,3 тыс. т угля или 4,4 тыс. т мазута в течение 20-25 лет.

Всего в области ежегодно образуется более 400 тыс. т отходов производства и потребления: пищевые (36,75%), бумага и картон (13,83%), стекло (12,71%), строительные (8,74%), пластмасса (7,29%), дерево (5,65%), текстиль (4,82%) и др. По теплоте сгорания ТБО приближаются к низкокалорийным углям и рассматриваются как весьма распространенное и постоянно возобновляемое местное топливо. При низшей теплоте сгорания 5-8 МДж/кг энергетический потенциал горючей части ТБО, т.е. без учета пластмассы, стекла, металла, строительных отходов и т.п. составит 1141-1826 ТДж (на 2005 г.), что эквивалентно 4,8% тепловой энергии, ежегодно потребляемой областью, и может заменить сжигание 45,5 тыс. т угля или 27,2 тыс. т мазута.

Утилизация ТБО (дифференцированный сбор, современные способы сжигания, биоконверсия) даст возможность существенным образом улучшить экологическое состояние окружающей среды в Калининградской области.

Суммарный биоэнергетический потенциал региона

Суммарный потенциал ресурсов биомассы в регионе достигает 4591 ТДж (Т=10¹²) в год, что эквивалентно 156,7 тыс. т условного топлива (у.т.). Более полное использование может привести к увеличению его доли в теплоэнергетике региона с 0,4% до 19,2% (табл. 2).

Соотношение долей возможного использования биоэнергетических ресурсов: лесные отходы - 20,0%, отходы деревообработки - 16,0%, ивовые плантации - 17,6%, торф - 12,7%, биогаз - 8,8%, твердые бытовые отходы - 24,9%.

Таблица 2 Биоэнергетический потенциал Калининградской области (по состоянию на 01.01.2006 г.)

Вид биотоплива	Потенциал, ТДж (Т=1012)	% от потреб. тепловой энергии	Эквивалент, тыс. т.	Снижение эмиссии (угольный эквивалент), т/год
			углю	мазуту	условному топливу	СО2	SO2
Лесные отходы	917,5	3,85	36,6	21,9	31,3	86249	433,08
Отходы деревообработки	732,9	3,07	29,2	17,5	25,0	68896	345,95
Щепа ивы	810,0	3,39	32,3	19,3	27,6	76140	382,32
Торф	585,8	2,46	23,3	14	20,0	55061	276,47
Биогаз	404,1	1,69	16,1	9,6	13,8	37982	190,72
ТБО	1141,1	4,78	45,5	27,2	38,9	107265	538,61
Итого	4591,4	19,24	182,9	109,6	156,7	431593	2167,1

Рис. 6. Интегральная оценка территории Калининградской области по биоэнергетическим показателям

На основании интегральной оценки биоэнергетического потенциала с учетом всех видов биотоплива в Калининградской области выделены 4 типа территории: с относительно высоким биоэнергетическим потенциалом - 250-350 ТДж, средним - 150-250 ТДж, низким - 100-150 ТДж и наиболее низким - менее 100 ТДж (рис. 6).

Территория относительно высокого потенциала выделена в северной и центральной частях области (Неманский, Нестеровский, Полесский, Правдинский, Славский и Черняховский районы) (43,7% всей территории области). Для нее перспективны использование отходов лесопромышленного комплекса и выращивание ивы в силу значительного распространения ландшафтов, благоприятных для этой цели.

К территории со средним потенциалом отнесены западная и северо-восточная части области, включающие Багратионовский, Гурьевский, Зеленоградский, Краснознаменский и Озерский районы (43,9%), где также перспективно создание ивовых плантаций. В Зеленоградском районе потенциал ресурсов биотоплива определялся использованием ТБО, в Гурьевском - отходов птицеферм, в Багратионовском и Краснознаменском ведущее положение занимают лесные древесные отходы и месторождения торфа. Более низкий биоэнергетический потенциал характерен для Гвардейского и Гусевского районов (9,6% территории), а самый низкий показатель выявлен для Балтийского, Светловского и Светлогорского городских округов (1,3% территории). Самый высокий биоэнергетический потенциал характерен для г. Калининграда и его окрестностей, где преобладают отходы деревообрабатывающих предприятий, ТБО и отходы птицефабрик.

Эколого-экономическая оценка использования древесной биомассы в котельных г. Правдинска и г. Калининграда, в районной больнице г. Полесска (работавших ранее на угле и мазуте) выявила возможность экономии расходования условного топлива до 7 тыс. т в год. Перевод котельных на биотопливо способствовал снижению выбросов загрязняющих веществ в атмосферу - на 19175,1 т в год, в том числе СО₂ - на 19020 т; SО₂ - на 97,2 т; NО_х - на 10,3 т; твердых частиц - на 47,6 т. При переводе установок с угля и мазута на древесные отходы производство тепловой энергии практически не уменьшилось. Расчеты показали, что тепловая энергия, выработанная на биотопливе, почти в 3 раза дешевле мазута и в 2 - 2,5 раза - угля и в то же время в 1,2 раза дороже природного газа. Тепловую энергию для населения в настоящее время вырабатывают также короутилизаторы целлюлозно-бумажных заводов в г. Немане и г. Советске. Рассчитанная ежегодная экономия условного топлива при сжигании коры и опилок на ЦБЗ в Немане составляет 8,3 тыс. т, а в Советске - 5,0 тыс. т.

В котельных, работающих на торфе в городах Гурьевск, Нестеров, Черняховск, п. Свобода Черняховского района, цена тонны топливного торфа (400 руб./т) дешевле стоимости тонны угля - в 4-6 раз, мазута - в 9 раз, одной тыс. м³ природного газа - в 4 раза. Себестоимость одной Гкал, вырабатываемой при сжигании торфа (220 руб./ Гкал) дешевле, чем при использовании мазута - в 1,6 раз, угля - в 2 раза. Выбросы диоксидов серы в атмосферу при сжигании торфа по сравнению с углем меньше в 4-24 раза (в зависимости от зольности и угольного бассейна), с мазутом - в 8 раз.

Выводы

1. Потенциал ресурсов лесосечных отходов и дров, образующихся при различных видах рубок, на территории Калининградской области энергетически эквивалентен 31,3 тыс. т у.т. (917,5 ТДж, Т=10¹²). Наибольшее количество древесных отходов образуется в Полесском, Краснознаменском, Нестеровском и Черняховском лесхозах. Объемы лесных древесных отходов и дров составляют 230 тыс. м³ (на 2005 г.) и зависят в основном от экологического состояния лесных массивов (подтопление, пораженность вредителями), инфраструктуры дорожной сети и инвестиций.

Биоэнергетический потенциал лесосечных дров и отходов, образующихся в результате рубок главного пользования, оцененный двумя независимыми методами оказался вполне сопоставимым - 239,7 и 229,4 ТДж. Отходы деревообрабатывающих предприятий (в основном ЦБЗ Калининграда, Немана, Советска) ежегодно составляют более 80 тыс. т, их энергетический потенциал эквивалентен 25 тыс. т у.т. (732,9 ТДж).

2. С использованием дифференциации ландшафтов на уровне урочищ (по Н.Н. Лазаревой, 2004) выделены участки, пригодные для плантаций быстрорастущей ивы (S. viminalis L., S. dasyclados Wimm. и др.). В результате полевого обследования территории (с использованием метода ключевых участков) по значимости выделены три категории ландшафтных урочищ, перспективных для ивовых плантаций. При этом исключались особо охраняемые и предлагаемые к охране природные территории, лесные массивы, используемые высоко и средне продуктивные сельскохозяйственные угодья.

К наиболее перспективной категории для выращивания ивы отнесены урочища моренных равнин, озерно-ледниковых глинистых равнин, дельтовых равнин, долины крупных рек; к средней - урочища пологоволнистых равнин, возвышенных волнистых равнин; к низкой - урочища краевых грядово-холмистых моренных, флювиогляциальных равнин, эоловых форм. Территория, на которой могут быть созданы ивовые плантации составляет не менее 4,5 тыс. га. Потенциал ивовых плантаций эквивалентен 27,6 тыс. т у.т. (810 ТДж).

3. На основании оценки торфяных месторождений 29 признано пригодными для получения топливного торфа. Их общий биоэнергетический потенциал может составить 20 тыс. т у.т. (585,8 ТДж). Показано, что на 10 уже разрабатываемых месторождениях запасы торфа составляют 33,7 млн. т (по состоянию на 01.01.2006 г.) и обеспечивают возможность его использования в качестве биотоплива в течение многих десятилетий.

4. Потенциал биогаза, который может быть получен из отходов животноводства и птицеводства достигает 18,3 млн. м³, что эквивалентно 13,8 тыс. т у.т. (404,1 ТДж). Биогазовые установки целесообразно сооружать на крупных животноводческих комплексах Правдинского, Славского, Нестеровского, Краснознаменского, Зеленоградском и Гусевского районов, птицефабриках в поселке А. Космодемьянского и в г. Гурьевске.

5. На 160 свалках твердых бытовых отходов (ТБО) области более половины объема составляют горючие материалы, по теплоте сгорания близкие к низкокалорийным углям. Энергетический потенциал 436 тыс. т ТБО (по данным за 2005 г.) составил 38,9 тыс. т у.т. (1141 ТДж). Закрытие главной свалки областного центра и последующая утилизация свалочного газа в котельной поселка А. Космодемьянского позволит ежегодно экономить 7,3 тыс. т угля или 4,4 тыс. т мазута в течение 20-25 лет, при этом будет достигнуто снижение эмиссии CO₂ на 17,4 тыс. т, а SO₂ - на 89,7 т в год.

6. На основании интегральной оценки ресурсов биотоплива территория Калининградской области подразделена на 4 типа: с относительно высоким биоэнергетическим потенциалом - 250-350 ТДж, средним - 150-250 ТДж, низким - 100-150 ТДж и наиболее низким - менее 100 ТДж. Самый высокий биоэнергетический потенциал определен для областного центра - г. Калининграда и его окрестностей, где могут быть широко использованы отходы деревообрабатывающих предприятий, ТБО и отходы птицефабрик. Относительно высокий потенциал характерен для северной и центральной части области (Неманский, Нестеровский, Полесский, Правдинский, Славский и Черняховский районы) (43,7% всей территории области). Здесь распространены значительные по объемам отходы лесопромышленного комплекса.

Средним потенциалом обладают западная и северо-восточная части области: Багратионовский, Гурьевский, Зеленоградский, Краснознаменский и Озерский районы (43,9%), где перспективно создание ивовых плантаций. В Зеленоградском районе потенциал ресурсов биотоплива определялся использованием ТБО, в Гурьевском - отходов птицефабрик, в Багратионовском и Краснознаменском ведущее положение занимают лесные древесные отходы и месторождения торфа. Более низкий биоэнергетический потенциал характерен для Гвардейского и Гусевского районов (9,6%), а самый низкий показатель - для Балтийского, Светловского и Светлогорского городских округов (1,3% территории области).

6. Общий региональный потенциал ресурсов биомассы составляет 156,7 тыс. т у. т. (4591,4 ТДж) в год. Его использование в теплоэнергетике региона позволит улучшить экологическую ситуацию в регионе, снизив выбросы CO₂ на 431,6 тыс. т, а SO₂ - на 2167 т в год, а также завоз каменного угля на 183 тыс. т или мазута - на 110 тыс. т.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в изданиях, рекомендованных в «Перечне…» ВАК:

1. Рагулина, И.Р. Экологические аспекты развития Калининградской энергетики // Проблемы региональной экологии, 2006, № 5. - С. 103-110.

Прочие публикации:

2. Рагулина, И.Р. Эколого-экономическая оценка использования торфа в теплоэнергетике //Экологические проблемы Калининградской области и Балтийского региона: сб. науч. тр. - Калининград. Изд-во КГУ, 2002. - С. 88-94.

3. Рагулина, И.Р. Биоэнергетика как перспективная отрасль получения тепловой энергии // Вестник КГУ, Вып.1: Сер. Экология региона Балтийского моря. - Калининград: Изд-во КГУ, 2003. - С. 41-46.

4. Ragulina, I.R. Possibilities of using of short rotation willow plantations for bioenergy development in the Kaliningrad region / E.V. Krasnov, I.R. Ragulina // Proceedings of the 8th Polish-Danish Workshops on Biomass for energy / - Poland, 2003. - P. 67-71.

5. Рагулина, И.Р. Возможности использования короткоцикловых ивовых плантаций для развития биоэнергетики в Калининградской области // III Кирилло-Мефодиевские чтения. Ч.2. - Санкт-Петербург: Изд-во СПб ГПУ, 2004. - С. 162-165.

6. Рагулина, И.Р. Эколого-экономическая оценка использования биомассы лесов и болот в Калининградской области // Вестник РГУ им. И. Канта, Вып.1:Сер. Естественные науки. - Калининград: Изд-во РГУ им. И. Канта, 2006. - С. 78-84.

7. Рагулина, И.Р. Перспективы создания ивовых плантаций для развития биоэнергетики Калининградской области и сопредельных странах // Проблемы управления социально-экономическими процессами региона: Материалы II Междунар. науч.-практ. конф., Ч.1, - Калининград, 2006. - С. 76-80.

8. Рагулина, И.Р. Экологизация энергетики - проблемы и перспективы Калининградской области //Вестник РГУ им. И. Канта, Вып.7: Сер. Естественные науки. - Калининград: Изд-во РГУ им. И. Канта, 2006. - С. 103-106.

9. Рагулина, И.Р. Древесные отходы в энергетическом потенциале региона (на примере Калининградской области) // Электрика, 2006, № 11. - С. 14-18.

10. Рагулина, И.Р. Потенциальные возможности использования биогаза в Калининградской области // Проблемы управления социально-экономическими процессами регионов: Материалы III междунар. науч.- практ. конф., - Калининград, 2007. - С. 179-184.

Подписано в печать 27.09.2007 г.

Бумага для множительных аппаратов. Формат 60Ч90 ¹/₁₆.

Гарнитура «Таймс». Ризограф. Усл. печ. л. 1,4. Уч.-изд. л. 1,2.

Тираж 100 экз. Заказ 160.

Отпечатано полиграфическим участком издательства

Российского государственного университета имени Иммануила Канта

236041, г. Калининград, ул. А. Невского, 14

Размещено на Allbest.ru

...