Статья: Анализ положений сквозной технологии на основе энергетических лесных плантаций

Естественные науки и лес

----------------------------------------------------------------

Анализ положений сквозной технологии на основе энергетических лесных плантаций

Сергей В. Фокин

Полина Ю. Медведева

Виктор П. Попиков

Источники биомассы, используемой для производства топлива, включают в себя разнообразные ресурсы, такие как остатки лесного и сельскохозяйственного производства, естественную растительность и специально выращиваемые энергетические культуры. Исходя из экологической перспективы, остатки и отходы лесного и сельскохозяйственного производства являются идеальным сырьем для производства биотоплива. Для повышения эффективности лесопромышленного комплекса, российские ученые предлагают использовать сквозные технологические процессы, которые объединяют различные этапы заготовки, транспортировки и переработки биомассы дерева. Конкретный выбор технологий и методов плантационного выращивания лесов играет важную роль в повышении эффективности деятельности лесопромышленных предприятий. Однако анализ зарубежных научных исследований в области энергетического лесного хозяйства показывает недостаток внимания, уделенного изучению технологических процессов получения конечного продукта плантационного лесовыращивания щепы. Включение новых образцов рубильного оборудования, соответствующего современным техническим требованиям, в сквозной технологический процесс плантационного лесовыращивания может обеспечить более надежную энергетическую безопасность, как предприятий лесного комплекса, так и потребителей, у которых отсутствует возможность централизованного обеспечения тепловой энергией. В работе выполнен статистический анализ различных пород деревьев, отличающихся плотностью выращиваемой древесины, для выбора наиболее энергоемкой породы, которую можно применить в плантационном лесовыращивании. Так же исследовались образцы рубильного оборудования для использования в рамках сквозной технологии лесовыращивания при переработке продукции энергетических лесов. Проведенное по методике Л.И. Загидуллиной экономическое обоснование проектируемых мероприятий, заключающееся в расчете затрат на закладку лесной плантации и получении дохода от продажи полученной продукции, позволило определить эффективность проведенных проектных мероприятий плантационного лесовыращивания в условиях в условиях степной и лесостепной климатических зон Поволжья.

Ключевые слова: энергетические леса, быстрорастущие породы, продукция плантационных лесов, сквозные технологии лесовыращивания, лесные плантации, рубильное оборудование, щепа.

Analyzing the provisions of cross-cutting technology based on energy forest plantations

Sergei V. Fokin, Рolyna Y. Medvedeva, Victor P.Popikov

Sources of biomass for fuel production include a variety of resources such as forest and agricultural residues, natural vegetation and specially grown energy crops. From an environmental perspective, forest and agricultural residues and residues are ideal feedstocks for biofuel production. In order to increase the efficiency of the forest industry complex, Russian scientists propose to use end-to-end technological processes that combine the various stages of harvesting, transportation and processing of wood biomass. The specific choice of technologies and methods of plantation forest cultivation plays an important role in improving the efficiency of forestry enterprises. However, the analysis of foreign scientific research in the field of energy forestry shows the lack of attention paid to the study of technological processes of obtaining the final product of plantation forest growing - wood chips. Therefore, it is necessary to conduct a technical and economic analysis of such technologies in order to fully unlock the potential of this area. The inclusion of new samples of chopping equipment that meet modern technical requirements in the end-to-end technological process of plantation forest growing can provide more reliable energy security, both for forest enterprises and consumers who do not have the possibility of centralized provision of thermal energy. In the work statistical analysis of different tree species, differing in the density of growing wood, was carried out to select the most energy-intensive species that can be used in plantation forestry. Samples of chopping equipment were also studied for use within the framework of end-to-end technology of silviculture in the processing of products of energy forests. The economic substantiation of the projected measures carried out according to the method of L.I. Zagidullina, which consists in calculating the costs of plantation forestry and obtaining income from the sale of products, allowed to determine the effectiveness of the projected measures of plantation forest growing in the conditions of steppe and forest-steppe climatic zones of the Volga region.

Keywords: energy forests, fast-growing species, plantation forest products, cross-cutting silvicultural technologies, forest plantations, chopping equipment, wood chips.

Введение

Ситуация, приведшая к энергетическому кризису, заставила людей искать новые источники первичной энергии, в том числе возобновляемые. Тема использования биомассы, в частности древесины, для производства энергии, активно изучается уже давно [1,2].

Энергетическое лесное хозяйство представляет собой территории, занятые быстрорастущими деревьями, предназначенными для получения древесины как возобновляемого топливного ресурса в течение короткого периода времени.

При этом быстрорастущие деревья или древесные породы специально выращиваются для получения биомассы (биотоплива) производства электро- и теплоэнергии, которые называют плантациями энергетической древесины или энергетический лес. [5,6].

Они предназначены для производства конечной продукции, которая впоследствии может переработана механическим или химическим способом. На таких плантациях производятся ценные породы древесины, которые отличаются красивой текстурой и могут быть использованы в различных отраслях промышленности, таких как биотопливо, производство мебели или строительные работы. Также на плантациях выращиваются растения, которые используются для производства различных изделий, например, для производства прутьев для плетения, коры для изготовления гутта и эфирных масел, пробки, танинов [6].

В России имеется значительный опыт плантационного выращивания лесных культур. В 1980-х годах было создано примерно 36 тысяч гектаров лесосырьевых плантаций. Однако в 1990-х годах объемы таких работ начали сокращаться и в конечном итоге почти полностью прекратились.

С появлением рынка биотоплива ряд исследований был посвящен экономической эффективности производства биомассы. Хотя с увеличением масштабов планетарной экономики возникает все большая потребность в эффективном использовании ископаемых ресурсов, особенно топлива и энергии. В связи с этим, развитые страны активно проводят исследования с целью поиска альтернативных источников энергии.

По прогнозам экспертов, доля ископаемого топлива в мировом энергобалансе должна снизиться до 45% к 2050 году и 30% к 2060 году. В последние годы особое внимание уделяется использованию древесного топлива, которое считается более экологичным, чем ископаемые источники [7,8].

Киотский протокол, принятый в 1998 году, стал важным катализатором процесса развития энергетики на основе древесного топлива.Швеция, Канада, Австрия и США - страны, которые успешно развивают энергетические плантации, специально выращивая леса для использования их биомассы в производстве тепловой и электрической энергии.

Первым к этому вопросу обратился финский математик О. Хеллманн, который в 1980 году рассмотрел вариант, включающий в себя сегментный состав плантации с числом элементов, равным периоду созревания пород [7].

Каждый год один из сегментов заготавливается весной и засаживается осенью. Впоследствии эта модель стала известна как финская. Позднее О. Хеллман усовершенствовал эту модель. Он поставил перед собой задачу найти оптимальный возраст заготавливаемой древесины.

В 1982 г. О. Хеллман рассмотрел тот же вопрос для энергетических плантаций, не требующих ежегодной новой посадки. Такая модель неосуществима, поскольку процент всхожести семян может оказаться незначительным, что обязательно отразится на положительном результате решаемой задачи. В условиях отсутствия дополнительных посадочных работ, рост древесины окажется бессистемным, а заготовка древесины, несомненно, усложнится.

Многочисленные исследования M. Borzecka-Walker, M. Nordborg, E. Rozenka, H. Krasuska, N. Krasuska, N. Rosenqvist, K. Havlickova были проведены с целью анализа стоимости биотоплива, полученного из энергетических культур, выращиваемых в различных странах, включая Швецию, Чехию и Польшу [7].

Авторами выполнено сравнительное исследование стоимости биотоплива, полученного из мискантуса, конопли и ивы. В свою очередь, Л. Кристерссон и Т. Эрикс исследовали влияние сельскохозяйственных мероприятий на скорость роста гибридов тополя и ивы в Швеции [8].

В России ученые так же работают над моделированием процессов роста и уборки биомассы. Они провели исследования по созданию функциональной модели биоэнергетического комплекса, которая позволила бы оптимизировать технологические процессы производства биотоплива и выбрать наиболее эффективные решения. Кроме того, они установили количественные соотношения между параметрами комплекса и техническими параметрами оборудования. Однако, экономические аспекты производства биотоплива авторами изучены не были [9,10,11].

Авторы монографии [12] исследовали современную ситуацию и перспективы развития лесных плантаций в разных странах и регионах. Они подробно описывают различные технологии и механизмы, которые применяются для подготовки участков, посадки, выращивания и заготовки древесины на лесных плантациях с разными целями и объемами срубки.

Проведенный анализ научных исследований по выращиванию энергетических плантаций позволяет сделать вывод, что проведены глубокие исследования по различным аспектам плантационного лесовыращивания, но лесорастительные условия различных регионов не одинаковы и оценить применимость той или иной технологии получения конечного продукта в виде щепы и применяемого при этом оборудования достаточно сложно.

На основании данного положения авторами проведен технико-экономический анализ мероприятий в рамках сквозной технологии плантационного лесовыращивания в условиях степной и лесостепной климатических зон Поволжья и целью данного исследования являлось проведение изысканий, направленных на улучшение работы лесного комплекса региона путем реализации наиболее эффективных положений сквозной технологии на основе энергетических лесных плантаций, включая мероприятия по выбору быстрорастущей породы деревьев, их уходу и выращиванию, а так же подбора средств для переработки полученной древесины с лесных плантаций в топливную щепу.

Материалы и методы

Объект и предмет исследования. Данная работа является теоретическим изысканием в области энергетического плантационного лесовыращивания. Объект исследования: сквозной технологический процесс выращивания энергетических лесных плантаций. Предмет исследования: технико-экономические показатели технологии по ускоренному выращиванию деревьев с дальнейшей их переработкой на топливную щепу, а так же породы и средства для измельчения конечной продукции в топливную щепу..

Сбор данных. Поиск и сбор материала осуществлялся в соответствии с концепцией предметного обзора [13,14]. Источниками послужили: единая библиографическая и сводная база данных рецензируемой научной литературы "Scopus"; многофункциональная поисковая платформа научных публикаций "Академия Google"; каталоги компаний Российской Федерации по продаже рубильных машин, размещенные в сети Интернет. Поиск осуществлялся по ключевым словам: «энергетические плантации», «топливная щепа», «переработка древесины на щепу», «мобильные рубильные машины», «сквозные технологии лесовыращивания» и их прямые английские эквиваленты. Для сложных запросов использовались соответствующие литеральные операторы поисковых систем [15].

Одной из главных задач создания энергетических лесных плантаций является ускорение процесса выращивания сельскохозяйственной продукции, улучшение ее качества и повышение эффективности использования земельных площадей.

Для ее решения предпринимается активное производство, которое включает химическую обработку, механизацию, мелиорацию и особые методы агротехники. Кроме того, для достижения оптимальных результатов производства, осуществляется тщательный подбор пород деревьев. [16,17].

Для проведения статистического анализа различных пород деревьев нами рассматривались образцы, которые отличались плотностью выращиваемой древесины, так как она является определяющим фактором для теплоты сгорания и интенсивности роста древесной биомассы на протяжении жизни насаждения. При этом учитывалась возможность произрастания данных пород в условиях степной и лесостепной климатических зон Поволжья. (табл.1).

Для проведения выбора породы использовался иерархический кластерный анализ, который позволяет выделить группы схожих наблюдений или переменных на основе заданных характеристик.

Таблица 1 Плотность древесины в абсолютно-сухом состоянии и теплота её сгорания [18]

Table 1 Density of wood in absolutely dry state and its heat of combustion

Источник: открытые данные Интернета

Source: OpenInternetdata

Процедура начиналась с рассмотрения каждого наблюдения или переменной как отдельного кластера, а затем постепенно объединяла кластеры до тех пор, пока не оставался только один.