№ 5
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2008
УДК 620.09
© 2008 г. КАРАЕВА Ю.В.
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК В АПК РЕСПУБЛИКИ ТАТАРСТАН
Работа посвящена перспективам применения биоэнергетических установок в системе энергоснабжения агропромышленного комплекса региона. В результате численных исследований для Республики Татарстан определено биоэнергетическое оборудование, использующее альтернативный вид топлива - биогаз. Рациональная компоновка энергетического оборудования, определенная на основании разработанной математической модели, позволит обеспечить мощность 226 МВт и полную ежегодную утилизацию 18 млн. т органических отходов.
Введение. В последние годы большое внимание уделяется энергии солнца, биомассы, ветра, геотермальных источников. Они приобретают особое значение в агропромышленном комплексе (АПК), где общий уровень энергопотребления сравнительно невысок, и энергоисточники сконцентрированы в месте производства сельскохозяйственной продукции. Развитие нетрадиционной энергетики позволит АПК стать одним из основных поставщиков нетрадиционных возобновляемых источников энергии [1, 2].
Одним из старейших направлений получения топлива из возобновляемого сырья является переработка методом анаэробного сбраживания бытовых отходов, отходов птице- и животноводства, завершающаяся получением биогаза.
Перспективным методом утилизации отходов животноводства является метод метанового сбраживания, который следует оценивать как улучшающее энергетический баланс животноводческого комплекса локальное природоохранное мероприятие [3].
В процессе анаэробного сбраживания получают биогаз, обезвоженный шлам, фугат.
Биогаз - это горючая газовая смесь, состоящая из 50-70% метана (CH4), 30-40% углекислого газа (CO2), небольшого количества сероводорода (H2S), аммиака (N2), водорода (H2) и оксида углерода (CO).
Обезвоженный шлам не имеет запаха исходного сырья, не содержит патогенную микрофлору, всхожесть семян сорных трав сведена к нулю, это высококонцентрированное, обеззараженное, дезодорированное органическое удобрение, пригодное для непосредственного внесения в почву. Шлам может использоваться как сырье для получения биогумуса.
Фугат - обеззараженная, дезодорированная жидкость, ее можно использовать в качестве органической подкормки для полива или орошения различных сельскохозяйственных культур.
Внедрение анаэробной биотехнологии в энергетическое хозяйство агропромышленного комплекса одновременно решает несколько проблем: энергосбережение за счет использования местного альтернативного источника энергии и утилизация отходов с получением качественных органических удобрений.
В области расчета и проектирования систем утилизации органических отходов на животноводческих комплексах накоплен значительный опыт. Однако отсутствуют работы комплексного характера, в полном объеме рассматривающие эффективность
использования энергии биомассы в отдельном регионе. Известные методики расчета рассматривают только отдельную установку и не учитывают возможные варианты компоновочных решений в масштабах региона.
Методика. Для численного исследования возможности использования энергии биомассы в регионе разработана математическая модель, которая может быть рекомендована при решении задач модернизации энергетических хозяйств АПК. Использование этой модели позволяет:
- определять рациональную структуру потребления энергоресурсов при создании различных схем энергетического хозяйства с выполнением условий сохранения материального баланса;
- выбирать рациональную компоновку биоэнергетического оборудования для энергетического хозяйства АПК, которая обеспечит сбережение энергетических ресурсов и защиту окружающей среды;
- определять себестоимость энергии на любом участке энергетического потока от источников к потребителям энергии.
Основными элементами модели являются информационно-энергетическая сеть топливно-энергетического баланса АПК и база данных биоэнергетического оборудования.
Информационно-энергетическая сеть топливно-энергетического баланса представляет энергетическое хозяйство в виде совокупности объектов различного типа, обменивающихся потоками энергии. Исходной информацией для исследования являются данные, характеризующие энергетический баланс по стадиям энергетического потока (добыча, переработка, преобразование, транспорт, хранение и конечное использование).
Стадии энергетического потока представлены в узлах сети. Линии, соединяющие узлы, соответствовали потокам энергии между узлами. Каждому типу узла информационной сети энергетического баланса соответствует свой вычислительный блок в виде системы нелинейных уравнений.
Для всех узлов выполнялось уравнение сохранения потока энергии (уравнение материального баланса).
Для узлов преобразования и транспорта энергии уравнение материального баланса имеет вид
I N
вых вх
I = I ОЦтГр (1)
I =1 п=1
где и - количество энергии на выходе и входе из узла преобразования г (или транспорта энергии) в год t для всех энергопреобразующих технологийкВт ■ ч; / - КПД процесса преобразования; !вых - количество выходных линий; - количество входных линий.
Для узлов резерва энергии материальный баланс записывается
аГ = еГ1, (2)
где еГ, ев1 - количество энергии на входе и выходе из узла резерва энергии г в год t, кВт ■ ч.
Построенная информационная энергетическая сеть топливно-энергетического баланса АПК региона сочетает в себе простоту и возможность гибкой настройки модели с учетом реально наблюдаемого поведения рынка. Используя эту модель в качестве базы, и корректируя ее в зависимости от поставО.ленных целей и наличия исходной информации, можно исследовать различные аспекты топливно-энергетического
хозяйства АПК региона, необходимые при выработке рекомендаций для принятия соответствующих решений.
Алгоритм решения базируется на информационной сети и является итерационной процедурой, состоящей из пяти этапов.
1 этап. Оценка энергоресурсов для базового года.
В каждый узел энергоресурса в год t по цене Pit поступает энергоресурс, количество энергии в котором равно Qit. Зависимость между количеством энергии Qit иценой ресурса Pit описана с помощью кривой предложения, определенной в результате анализа статистических данных. Для года t уравнение кривой предложения имеет вид [4, 5]
Pit = Ait( 1 + ait) + BitQit _1 + cQ (3)
где Pit - цена энергоресурса i в год t, руб./ кВт ■ ч; ait - темп прироста стоимости энергоресурса; Ait - цена энергоресурса в предыдущем году, руб./ кВт ■ ч; Bit, Cit - коэффициенты кривой предложения; Qit - 1 - количество энергоресурса i в (t - 1) год, кВт ■ ч.
Количество биомассы Qit, образовавшейся на животноводческом комплексе в год t, определяется [6]
Qit = Qit + о: + Q7 + Qit, (4)
0э 3 ^т.в
it - количество экскрементов, м ; Qit - расход воды на технологические нужды (мойка оборудования, помещений, животных и т.д.), м3; Q,tH - расход воды на удале-
3 /1п 3
ние навоза, м ; Qit - расход подстилки, остатки кормов, м .
Количество экскрементов от различных половозрастных групп животных рассчитывается по формуле [6]
q2 = Li Ai+ L2 a2+ ■ ■ ■ + Lnan, (5)
где L1, L2, ..., Ln - число животных по половозрастным группам, голов; a1, a2, an - количество экскрементов в год от единицы поголовья соответствующей группы живот-
3
ных, м .
2 этап. Решение ценовых уравнений в направлении движения энергетического потока, начиная с узлов энергоресурсов и завершая расчет в узлах спроса ("прямой ход").
В ценовых уравнениях всех узлов, связанных с преобразованием и транспортом энергии, используется метод дисконтированных интегральных издержек, за расчетный период принят нормативный срок службы оборудования. Принято условие, что капиталовложения осуществляются единовременно, а эксплуатационные издержки постоянны по годам расчетного периода (Tc). Расчетная формула дисконтированных интегральных издержек для энергоустановки j имеет вид [7, 8]
P,bix = (PBX/ fj) + Uj + (365Kj в j/ Qjhj), (6)
где P,™ - дисконтированные интегральные издержки, руб./кВт ■ ч; Pj - цена энергоресурса (энергии), руб./кВт ■ ч; Uj - среднегодовые эксплуатационные издержки без амортизационной составляющей, руб./кВт ■ ч; Kj - полные капитальные затраты, руб.; Pj - коэффициент приведения разновременных затрат к одному моменту времени; Qj -годовая выработка энергии энергоустановки j, кВт ■ ч; hj - фактическое время эксплуатации установки, дн.
Коэффициент приведения Pj определялся выражением [7, 8]
P, = 1 + q¡ )cc/[(1 + q¡ fcj~1 ], (7)
где qj - норма дисконта; Тсу - нормативный срок эксплуатации технологии у, лет. Норма дисконта
qi = 1Я + МЯЯ¡Я1, (8)
где 1Я - темп инфляции, отн. ед.; МЯЯ у - минимальная реальная норма прибыли, отн. ед.; Я1 у - коэффициент, учитывающий степень инвестиционного риска, отн. ед. 3 этап. Оценка спроса на энергоресурсы.
Количество энергии, необходимое для покрытия потребности в год г, определено по формуле:
еГ = ^ еП (1+^, (9)
-^потр _ ^^ ^потр г = 1
где бпг°тр - необходимое количество энергии в год г, кВт ■ ч; - количество энер-
гии, потребленное в (г - 1) год, кВт ■ ч; - темп прироста потребления энергоресурса (энергии) в год г.
4 этап. Последовательное решение уравнений материального баланса в обратном порядке, начиная с узлов спроса и заканчивая узлами энергоресурсов ("обратный ход").
Принципиальной основой для нахождения равновесного рыночного развития системы является предположение, что доли энергетических ресурсов на рынке обратно пропорциональны их ценам. Для расчета рыночной доли энергоресурса формула из [8]
N
= Р7и/£ (10)
}
где Рг - цена г-го энергоресурса, руб./кВт ■ ч; Ру - сумма цен энергоресурсов, рассматриваемых в данном узле, руб./кВт ■ ч; Д - доля г-го энергоресурса на рынке, = = 1; г - вид энергоресурса; - количество входных линий узла; и - коэффициент ценовой чувствительности, он имеет значения от 0 до 15. Значение и = 0 соответствует наименьшей степени ценовой чувствительности, при которой доли всех энергоресурсов на рынке одинаковы. Значение и > 0 усиливает зависимость рыночной доли от значения относительной цены и приближает ситуацию
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.