Научный журнал
Международный журнал экспериментального образования
ISSN 2618–7159
ИФ РИНЦ = 0,425

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МИНИ-ТЭЦ, РАБОТАЮЩИХ НА ПРИРОДНОМ И БИОГАЗЕ

Маслеева О.В. 1 Пачурин Г.В. 1 Головкин Н.Н. 2
1 ФГБОУ ВПО Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева
2 ФГБОУ ВПО Нижегородский государственный лингвистический университет им. Н.А. Добролюбова
Широкое использование органических топлив является одной из главных причин сильного антропогенного загрязнения атмосферы и изменения климата. Это непосредственным образом связано с последствиями сжигания органического топлива, образованием оксидов углерода, серы, азота, соединений свинца, сажи, углеводородов, в том числе канцерогенных и других веществ в твердом, жидком и газообразном состоянии. Около 60% парниковых выбросов антропогенного происхождения приходится на энергетический сектор. В России эта доля достигает 85%. На основе исследования загрязнения атмосферного воздуха при эксплуатации мини-ТЭЦ с газопоршневыми двигателями мощностью 100 кВт с целью выработки электро- и теплоэнергии для жилых домов и фермы с использованием традиционного энергоресурса (природного газа), а также возобновляемого источника энергии (биотоплива) в работе проведен экологический и экономический анализ эксплуатации мини-ТЭЦ мощностью 100кВт с газопоршневыми двигателями, сжигающими биогаз и природный газ. Рассчитан уровень, загрязнения атмосферного воздуха, срок окупаемости проекта. Так за период 10 лет вариант на природном газе выигрывает, а горизонте расчета в 13 и более лет выгоднее становится вариант на биогазе.
мини-ТЭЦ
биогаз
природный газ
вредные вещества
энергопотребление
энергосбережение
природные ресурсы
атмосферный воздух.
1. Маслеева О.В., Пачурин Г.В. Экологическая и экономическая целесообразность использования биотоплива // Фундаментальные исследования. – 2012. – №6 (1). – С. 139-144.
2. Маслеева О.В., Пачурин Г.В., Соснина Е.Н., Шалухо А.В. Анализ принципов работы биогазных установок // Экология и промышленность России. – 2012. – № 10. – С. 10-14.
3. Маслеева О.В., Пачурин Г.В., Соснина Е.Н., Шалухо А.В. Оценка уровня загрязнения атмосферного воздуха при сжигании биогаза на когенерационных установках // Экология и промышленность России. – 2012. – № 12. – С. 48-50.
4. О когенерации, малой энергетике и строительстве тепловых электростанций. http://www.cogeneration.ru/problems/accommodation-of-mini-tec/(дата обращения: 03.11.2013).
5. Биогазовые установки для сельского хозяйства фирмы АО Центр «ЭКОРОС». http://itk-energo.narod.ru/Predlogenie1.3.htm (дата обращения: 03.11.2013).
6. Газовые электростанции Caterpillar – газопоршневые установки Катерпиллар. http://www.manbw.ru/analitycs/caterpillar.html (дата обращения: 03.11.2013).
7. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиций. – М.: Экономика, 2000.
8. Соснина Е.Н., Маслеева О.В., Пачурин Г.В. Сравнительная оценка вариантов решения проблемы парниковых газов в энергетике // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – №3. URL: www.science-education.ru/109-9493 (дата обращения: 27.06. 2013).
9. Соснина Е.Н., Маслеева О.В., Пачурин Г.В., Филатов Д.А. Экологическое воздействие мини-ТЭЦ с газопоршневыми и дизельными двигателями на окружающую среду // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 6 (часть 1). – С. 72-75.

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.

missing image file

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

missing image file

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.

missing image file

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

Рис. 3. б) - Вариант на биогазе (CAT+БИОН-1))

missing image file

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: 29.03.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674