05.14.02 Электрические станции и электроэнергетические системы
УДК 620.952
Шульган Владимир Игоревич, Харитонов Максим Сергеевич
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗМЕЩЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ГЕНЕРАЦИИ
НА ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДАХ В КАЛИНИНГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ
Современные тенденции развития европейской энергетики, в частности возможный
переход прибалтийских государств в европейское синхронное энергообъединение, создают
предпосылки для повышения энергетической независимости Калининградской области.
Обеспечение энергобезопасности изолированных систем достигается за счет комплекса
решений, включающих использование местных возобновляемых ресурсов, в частности
биомассы.
В статье рассмотрены вопросы использования древесной биомассы для
развития распределенной генерации на территории Калининградской области. Дана оценка
объёмов производства древесных отходов региональной лесной промышленностью.
Определены потенциальные места размещения объектов распределенной генерации с
учетом расположения центров питания и величины электрических и тепловых нагрузок.
Ключевые слова: биоэнергетика, распределенная энергетика, твердые древесные
отходы, электроэнергетика, технология переработки, потенциал биомассы
Vladimir Shulgan, Maxim Kharitonov
PROSPECTS FOR DEVELOPMENT OF DISTRIBUTED GENERATION
BASED ON WOOD WASTE IN THE KALININGRAD REGION
Current trends in the development of European power sector, in particular the possible
transition of the Baltic states to the European synchronous power system, create prerequisites for
increasing the energy independence of the Kaliningrad region. Ensuring the energy security of
isolated systems is achieved through a set of measures that include the use of local renewable
resources, in particular biomass. The paper deals with the use of wood biomass for the development
of distributed generation in the Kaliningrad region. An estimation of solid wood waste production
by the regional forest industry is given. Potential locations for distributed generation facilities are
determined, taking into account the location of power consumers and electrical and heat loads.
Keywords: bioenergy, distributed generation, solid wood waste, electric power, processing
technology, biomass potential
Введение / Introduction. В процессе лесозаготовки только 60-80% объема
древесины используется на следующей стадии деревообработки, а оставшиеся 20-40% в виде
коры, древесной пыли, стружки, ветвей, опилок, реек сжигаются или складируются.
Проблема утилизации отходов лесозаготовки актуальна для всех предприятий, которые
осуществляют лесодобычу. Древесные отходы также образуются на последующих стадиях
лесопиления и обработки древесины, а их количество зависит от типа предприятия.
Среди
существующих
решений
проблемы
утилизации
древесных
отходов,
образующихся на предприятиях лесопромышленного комплекса, целесообразно рассмотреть
сооружение мини-ТЭЦ, использующей древесную биомассу в качестве топлива. При
использовании современных технологий мини-ТЭЦ позволяет обеспечить электро- и
теплоснабжение предприятия и близлежащих территорий по принципу распределенной
генерации, обеспечивая снижение потерь на передачу электроэнергии в удаленные
населенные пункты. Помимо этого, использование принципа когенерации позволит частично
заместить наименее эффективные и устаревшие котельные новыми объектами генерации.
Важнейшим аспектом проектирования систем распределенной генерации является
выбор мест сооружения электростанций. В статье рассмотрен комплексный подход к анализу
возможных мест расположения объектов генерации и выбраны наиболее подходящие из них
для дальнейшей проработки. Результаты проведенных исследований являются актуальными
в соответствии с Энергетической стратегией России в контексте развития распределенной
генерации и создания условий для расширения производства электрической энергии на
основе возобновляемых источников [1].
Материалы и методы / Materials and methods. Локальные системы
распределённой генерации представляют собой децентрализованные, подключенные к сети
или внесетевые энергетические системы, расположенные в непосредственной близости к
месту использования электрической энергии. Распределенные энергосистемы, как правило,
имеют мощность менее 20 МВт [2].
Поскольку объекты распределенной генерации размещаются вблизи нагрузок, то
системы данного типа позволяют избежать одного из главных недостатков крупных
централизованных систем производства и распределения энергии: высокие потери при
передаче по длинным электрическим линиям и тепловым трассам.
Образуемые в населенном пункте или на предприятии древесные отходы могут быть
использованы в качестве топлива для снабжения электрической и тепловой энергией
местных потребителей. Такой подход решает одну из главных проблем использования
древесных отходов в качестве топлива – необходимость их транспортировки на большие
расстояния. На рисунке 1 показаны преимущества использования принципа когенерации,
который может быть осуществлен при расположении ТЭЦ в районе потребителей тепловой
энергии [2]. Анализ данных рисунка свидетельствует о существенном сокращении
потребления первичного энергоресурса в системе распределенной генерации при заданных
объёмах поставок электрической и тепловой энергии потребителю.
Местная нагрузка
Станция
(Топливо: 114 о.е.)
114
Котельная
(Топливо: 53 о.е.)
53
Электроэнергия 40
Тепло 45
40 Электроэнергия
45
Тепло
100
Комбинированное
производство тепла
и электроэнергии
Без применения
принципа когенерации
ТЭЦ
(Топливо: 100 о.е.)
74
8
15
82
Потери
Потери
Рис. 1. Сравнение эффективности вариантов электро- и теплоснабжения местной нагрузки: слева
рассматривается классическая газотурбинная электростанция; cправа – газопоршневая ТЭЦ
Выбор места расположения объектов распределенной генерации выполняется на
основе анализа энергопотребления ближайших к источнику древесных отходов населенных
пунктов и предприятий. Величину нагрузки населенных пунктов возможно оценить по
нагрузке силовых трансформаторов соответствующих центов питания 110 кВ. Преимущества
системы распределенной генерации в полной мере раскрываются с удалением потребителя
от существующих крупных электростанций, поэтому потребители, находящиеся вблизи
таких объектов генерации, при выборе места сооружения не рассматриваются. Предприятия,
подключенные к сетям среднего напряжения соответствующих населенных пунктов, также
не рассматриваются, так как учитываются при оценке нагрузки центров питания.
Анализ крупных промышленных потребителей в Калининградской области выявил
отсутствие на территории региона предприятий, расположенных вблизи мест образования
древесных отходов и вдали от традиционных источников энергии [3].
Карта лесничеств региона с нанесением мест нахождения подстанций 110 и 330 кВ, а
также электростанций представлена на рисунке 2 [3,4]. Из рассматриваемых вариантов
исключаются подстанции, находящиеся вблизи существующих источников энергии или вне
районов интенсивного образования древесных отходов. По результатам анализа исходной
информации к дальнейшему рассмотрению принят ряд подстанций (рисунок
расположенных вблизи мест образования древесных отходов (таблица 1).
3),
Рис. 2. Карта лесничеств с отображением подстанций и электростанций
Рис. 3. Рассматриваемые места сооружения объектов распределенной генерации и
предполагаемые зоны сбора древесных отходов
Анализ данных таблицы позволяет выявить центры питания в районах с наибольшими
объёмами образования древесных отходов: ПС О-40 «Чистые пруды», ПС О-22
«Краснознаменск», ПС О-19 «Полесск» и ПС О-50 «Междуречье». Уточненные зоны сбора
отходов для указанных центров питания приведены на рисунке 4. Данные по объёмам
производства древесных отходов в границах уточненных зон приведены в таблице 2.
Таблица 1 – Оценка количества отходов в местах сооружения объектов распределенной
генерации
Доля
Объем древесных
Подстанция
Лесничества в зоне
лесничеств в
отходов, тыс. м3
зоне, %
ПС О-40 Чистые пруды
Нестеровское
90
15,12
ПС О-22 Краснознаменск
Краснознаменское
98
16,46
Славское,
55
ПС О-23 Охотное
5,19
Полесское
5
ПС О-25 Вишневка
Славское
40
3,32
Полесское,
90
ПС О-19 Полесск
13,62
Гвардейское
30
ПС Черняховск
Черняховское
35
4,52
Черняховское,
35
ПС О-50 Междуречье
Железнодорожное,
25
9,44
Гвардейское
25
ПС О-41 Железнодорожная
Железнодорожное
40
4,6
ПС О-13 Енино
Багратионовское
30
0,99
ПС О-9 Светлогорск
Калининградское
18
1,17
ПС Храброво
Калининградское
30
1,95
Гвардейское,
25
ПС О-43 Ушаковская
3,03
Калининградское
15
Рис. 4. Зоны сбора отходов в районах расположения центров питания
Таблица 2 – Уточненное количество отходов в местах сооружения объектов распределенной
генерации
Доля лесничеств в
Объем древесных
Подстанция
Лесничества в зоне
зоне, %
отходов, тыс. м3
ПС О-40 Чистые пруды
Нестеровское
90
15,12
ПС О-22 Краснознаменск
Краснознаменское
98
16,46
Полесское,
100
ПС О-19 Полесск
Гвардейское,
55
19,4
Славское
30
Черняховское,
60
ПС О-50 Междуречье
Железнодорожное,
25
13,49
Гвардейское
35
Результаты и обсуждение / Results and discussion. Электрический КПД
объектов распределенной генерации при применении наиболее современного метода
газификации древесных отходов и использовании газа в газопоршневом двигателе может
достигать 40%. Тепловой КПД такой мини-ТЭЦ составит до 45% [5]. При высоких
показателях эффективности максимальная мощность таких объектов генерации не
превышает нескольких десятков мегаватт ввиду ограниченной мощности газификаторов и
газопоршневых двигателей.
Расчет мощности объектов распределенной генерации ведется в тесной увязке с
фактическими электрическими и тепловыми нагрузками в районе сооружения. В таблице 3
обобщены данные по максимальным отчетным и прогнозируемым электрическим нагрузках
для выбранных центров питания.
Таблица 3 – Нагрузка силовых трансформаторов на рассматриваемых подстанциях
Подстанция
О-40 Чистые пруды
О-22 Краснознаменск
О-19 Полесск
О-50 Междуречье
Количество и тип
трансформаторов
2х110/15 6,3 МВА
2х110/15 6,3 МВА
2х110/15/10 16 МВА
2х110/15 6,3 МВА
Суммарная нагрузка трансформаторов.
Прогноз на 2026 год, МВА
2,386
2,542
11,726
6,111
Основными потребителями тепловой энергии от ТЭЦ и котельных являются
население и коммунально-бытовые предприятия. В 2020 году в Калининградской области
было отпущено 2877,7 тыс. Гкал тепловой энергии [3]. Количество отпущенной тепловой
энергии по ближайшим к выбранным районам городским округам представлено в таблице 4
[6]. По причине отсутствия в открытом доступе отчетной информации о потреблении
тепловой энергии по отдельным населенным пунктам, данные таблицы сформированы с
учетом численности населения и среднего показателя энергопотребления по региону [7,8].
Таблица 4 – Отпуск и спрос на тепловую энергию в рассматриваемых населенных пунктах
Калининградской области в 2018 г.
Отпуск тепловой энергии в
Спрос на тепловую мощность в
Населенный пункт
городском округе, тыс. Гкал
населенном пункте, Гкал/ч
Краснознаменск
7
2,10
Чистые пруды
7
0,23
Полесск
11
2,65
Междуречье
80
0,99
На основе обобщенной информации по методологии, изложенной в работе [9]
произведен расчет установленных мощностей объектов распределенной генерации для
четырех населенных пунктов с учетом применения разных способов получения энергии из
древесных отходов. Результаты расчетов приведены в таблице 5 и рисунке 5.
Таблица 5 – Результаты расчетов мощности объектов распределенной генерации
Место подключения
ПС О-40 Чистые пруды
ПС О-22 Краснознаменск
ПС О-19 Полесск
ПС О-50 Междуречье
Количество
древесных отходов,
кг⁄ч
604,1
657,6
775,1
539,0
Мощность электрическая/тепловая, МВт
Прямое
Быстрый
Газификация
сжигание
пиролиз
0,34/0,72
0,55/1,19
1,50/1,16
0,37/0,79
0,60/1,30
1,63/1,27
0,43/0,93
0,71/1,53
1,93/1,49
0,30/0,65
0,49/1,06
1,34/1,04
Рис. 5. Сопоставления перспективных мощностей электростанций при различных технологиях
Анализ данных таблицы 5 позволяет сделать вывод, что наибольшей эффективностью
с позиции производства электрической энергии является технология газификации древесных
отходов. Для дальнейшего анализа будут рассматриваться результаты расчетов мощностей
для объектов распределенной генерации на основе газификации.
Для поддержания эффективности функционирования Мини-ТЭЦ на высоком уровне
необходимо обеспечить требуемое соотношение между производством электрической и
тепловой энергии. В виду меньшей гибкости тепловой энергии с точки зрения обеспечения
заданной величины местной тепловой нагрузки за основу при выборе мощности мини-ТЭЦ
следует принимать потребность в тепловой энергии. В таблице 6 обобщена информация по
местной тепловой и электрической нагрузке, а также доступные максимальные мощности
объектов распределенной генерации в зависимости от количества топлива.
Таблица 6 – Результаты расчетов мощностей и анализа местных тепловых нагрузок
Тепловая мощность, Гкал/ч
Электрическая мощность, МВт
генерируемая на
местная
мини-ТЭЦ
нагрузка
1,63
2,542
1,50
2,386
1,93
11,726
1,34
6,111
Населенный
пункт
Краснознаменск
Чистые пруды
Полесск
Междуречье
генерируемая на
мини-ТЭЦ
0,28
0,30
0,36
0,25
местная
нагрузка
2,10
0,23
2,65
0,99
По результатам расчетов можно сделать вывод, что в Краснознаменске, Полесске и
Междуречье проектируемые объекты распределенной генерации смогут покрыть часть
местной тепловой нагрузки. Проектируемая мини-ТЭЦ на номинальной мощности в городе
Краснознаменск и поселке Чистые пруды сможет покрыть около 63% местной электрической
нагрузки. В поселке Междуречье мини-ТЭЦ покроет 22% электрической нагрузки, а в городе
Полесск – более 16%.
В трех рассматриваемых случаях осуществление принципа когенерации является
оправданным. В поселке Чистые пруды тепловая нагрузка меньше тепловой мощности
перспективной мини-ТЭЦ. Но по полученной от администрации городского округа
информации,
отопление
поселка
является
децентрализованным,
что
делает
нецелесообразным осуществление принципа когенерации. При этом ввиду использования на
объектах газопоршневых установок отказ от принципа когенерации снизит суммарный КПД.
Тем не менее электрический КПД в 40% не уступает показателем эффективности других
объектов генерации на территории региона. Также стоит обратить внимание, что поселок
Чистые пруды расположен в удалении от существующих электростанций. Это делает
целесообразным сооружение электростанции без осуществления принципа когенерации.
Заключение
/
Conclusion.
В
статье
была
проведена
оценка
возможности
использования систем распределенной генерации на древесных отходах в Калининградской
области. По результатам анализа источников древесных ресурсов на территории региона
были выбраны наиболее подходящие места для сооружения электростанций.
Для каждой электростанции была рассчитана возможная электрическая и тепловая
мощность при применении различных технологий получения энергии из древесных отходов.
Сооружение четырех электростанций, рассматриваемых в работе, позволит снизить
потери на передачу электроэнергии, покрыть часть местной электрической нагрузки,
утилизировать значительный объём производимых и покрыть тепловую местную нагрузку
при осуществлении принципа когенерации.
ЛИТЕРАТУРА И ИНТЕРНЕТ-РЕСУРСЫ
1. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года [Электронный ресурс]. –
Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/902187046 (дата обращения: 15.10.2020).
2. Onsite distributed generation systems for laboratories [Электронный ресурс]. – Режим
доступа: https://www.nrel.gov/docs/fy11osti/50686.pdf (Дата обращения: 12.10.2020).
3. Калининградская область. Губернатор Калининградской области. О схеме и
программе перспективного развития электроэнергетики Калининградской области на
2022-2026 годы и признании утратившим силу отдельных решений Губернатора
Калининградской области : Распоряжение Губернатора Калининградской области от
28.05.2021 года №19-р / Калининградская область. Губернатор Калининградской
области. – Текст : непосредственный // Губернатор Калининградской области. –
Калининград, 2021 – 261 с.
4. Калининградская область. Министерство природных ресурсов и экологии
Калининградской области. Лесной план Калининградской области : Указ Губернатора
Калининградской области 29.12.2018 года № 218 / Калининградская область.
Губернатор Калининградской области. – Текст : непосредственный // Губернатор
Калининградской области. – Калининград, 2018 – 215 с.
5. Буянов А.Б. Перспективы применения когенерационных газопоршневых
электростанций / Буянов А.Б., Комаров Д.Ю. – Текст : непосредственный // Известия
ПГУПС. – 2007. – № 1. – С. 116-135.
6. Калининградская область. Губернатор Калининградской области. О схеме и
программе перспективного развития электроэнергетики Калининградской области на
2020-2024 годы и признании утратившим силу отдельных решений Губернатора
Калининградской области : Распоряжение Губернатора Калининградской области от
30.04.2019 года №275-р / Калининградская область. Губернатор Калининградской
области. – Текст : непосредственный // Губернатор Калининградской области. –
Калининград, 2019 – 258 с.
7. Административно-территориальное деление Калининградской области. – URL:
https://ru.wikipedia.org/wiki/Административнотерриториальное_деление_Калининградской_области (дата обращения: 21.01.2021). –
Текст : электронный.
8. Населённые пункты Калининградской области. – URL:
https://ru.wikipedia.org/wiki/Населённые_пункты_Калининградской_области (дата
обращения: 21.01.2021). – Текст : электронный.
9. Харитонов М. С. Перспективы использования древесных отходов в системах
распределенной генерации на территории калининградской области / Харитонов М.
С., Шульган В. И. – Текст : непосредственный // Вестник молодежной науки. – 2020. –
№ 2 (24). – 14 c.
REFERENCES AND INTERNET RESOURCES
1. Energeticheskaya strategiya Rossii na period do 2030 goda (Energy strategy of Russia for
the period up to 2030) [Elektronnyi resurs], Rezhim dostupa:
http://docs.cntd.ru/document/902187046 (data obrashcheniya: 15.10.2020).
2. Onsite distributed generation systems for laboratories [Elektronnyi resurs], Rezhim dostupa:
https://www.nrel.gov/docs/fy11osti/50686.pdf (Data obrashcheniya: 12.10.2020).
3. Kaliningradskaya oblast'. Gubernator Kaliningradskoi oblasti. O skheme i programme
perspektivnogo razvitiya elektroenergetiki Kaliningradskoi oblasti na 2022-2026 gody i
priznanii utrativshim silu otdel'nykh reshenii Gubernatora Kaliningradskoi oblasti (About
the scheme and program for the prospective development of the electric power industry of
the Kaliningrad region for 2022-2026) : Rasporyazhenie Gubernatora Kaliningradskoi
oblasti ot 28.05.2021 goda No.19-r, Kaliningradskaya oblast'. Gubernator Kaliningradskoi
oblasti, Tekst : neposredstvennyi, Gubernator Kaliningradskoi oblasti, Kaliningrad, 2021,
261 p.
4. Kaliningradskaya oblast'. Ministerstvo prirodnykh resursov i ekologii Kaliningradskoi
oblasti. Lesnoi plan Kaliningradskoi oblasti (Forest plan of the Kaliningrad region) : Ukaz
Gubernatora Kaliningradskoi oblasti 29.12.2018 goda No. 218, Kaliningradskaya oblast'.
Gubernator Kaliningradskoi oblasti, Tekst : neposredstvennyi, Gubernator Kaliningradskoi
oblasti, Kaliningrad, 2018, 215 p.
5. Buyanov A.B. Perspektivy primeneniya kogeneratsionnykh gazoporshnevykh elektrostantsii
(Prospects for the use of cogeneration gas piston power plants), Buyanov A.B., Komarov
D.Yu., Tekst : neposredstvennyi, Proceedings of Petersburg Transport University, 2007,
No. 1, pp. 116-135.
6. Kaliningradskaya oblast'. Gubernator Kaliningradskoi oblasti. O skheme i programme
perspektivnogo razvitiya elektroenergetiki Kaliningradskoi oblasti na 2020-2024 gody i
priznanii utrativshim silu otdel'nykh reshenii Gubernatora Kaliningradskoi oblasti (About
the scheme and program for the prospective development of the electric power industry of
the Kaliningrad region for 2020-2024) : Rasporyazhenie Gubernatora Kaliningradskoi
oblasti ot 30.04.2019 goda No.275-r, Kaliningradskaya oblast'. Gubernator Kaliningradskoi
oblasti, Tekst : neposredstvennyi, Gubernator Kaliningradskoi oblasti, Kaliningrad, 2019,
258 p.
7. Administrativno-territorial'noe delenie Kaliningradskoi oblasti (Administrative-territorial
division of the Kaliningrad region), URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Administrativnoterritorial'noe_delenie_Kaliningradskoi_oblasti (data obrashcheniya: 21.01.2021), Tekst :
elektronnyi.
8. Naselennye punkty Kaliningradskoi oblasti (Settlements of the Kaliningrad region), URL:
https://ru.wikipedia.org/wiki/Naselennye_punkty_Kaliningradskoi_oblasti (data
obrashcheniya: 21.01.2021), Tekst : elektronnyi.
9. Kharitonov M. S. Perspektivy ispol'zovaniya drevesnykh otkhodov v sistemakh
raspredelennoi generatsii na territorii kaliningradskoi oblasti (Prospects of wood waste
based distributed generation systems in the Kaliningrad region), Kharitonov M. S.,
Shul'gan V. I, Tekst : neposredstvennyi, Vestnik molodezhnoi nauki, 2020, No. 2 (24), 14 p.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Шульган
Владимир
Игоревич,
студент
кафедры
энергетики
ФГБОУ
ВО
«Калининградский государственный технический университет», e-mail: st.kalcifer@mail.ru
Харитонов Максим Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры
энергетики ФГБОУ ВО «Калининградский государственный технический университет», email: mskharitonov@mail.ru
INFORMATION ABOUT AUTHOR
Shulgan Vladimir, student of the Power Engineering Department, Kaliningrad State
Technical University, E-mail: st.kalcifer@mail.ru
Kharitonov Maxim, Ph.D. (Eng), assistant professor of the Power Engineering Department,
Kaliningrad State Technical University, e-mail: mskharitonov@mail.ru
Дата отправки: 03.02.2022
Отзывы:
Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв