Энергетический потенциал отходов сельскохозяйственного производства южных регионов России (Волгоградская область, Республика Крым)

Введение. Биоэнергетика в настоящее время обеспечивает наибольшую долю генерации тепловой и электрической энергии среди всех возобновляемых источников энергии. В значительной степени это объясняется тем, что для производства энергии часто используют отходы, требующие утилизации. Иными словами решаются две проблемы - рентабельное производство энергии и уничтожение отходов, что очень актуально для широкого класса регионов (в том числе и России), включая удалённые от централизованного энергоснабжения, и рекреационные объекты, где использование традиционных источников энергии невозможно или нежелательно. Выполненные исследования по интегральным оценкам ресурсов, валового и технического потенциала биоэнергетики для субъектов РФ [1-3] выявили значительные объёмы энергетического потенциала отходов муниципального и сельского хозяйства, лесного и деревоперерабатывающего производства. Однако для принятия проектных решений относительно переработки органических отходов в энергетических целях требуется детализация расчётов, по крайней мере, до уровня муниципальных образований. В этой связи актуальным представляется проведение таких оценок для южных регионов России, которые характеризуются высокоразвитым сельским хозяйством, большой плотностью населения и значительным рекреационным потенциалом. Представленная работа отражает проведенные авторами оценки энергетического потенциала отходов сельскохозяйственного производства Волгоградской области и Республики Крым с детализацией до административных районов этих регионов. Для характеристики пространственного распределения составлены карты энергопотенциала биомассы отходов.

Методика исследований. Использованные в данном исследовании методы проведения оценок были ранее изложены в [1] и развиты в работах авторов [2, 3]. Энергетический потенциал отходов растениеводства и животноводства рассчитывался по отдельным видам сельскохозяйственных культур и направлениям животноводства. Масса ежегодно образующих- ся органических отходов сельскохозяйственного производства Mi определялась как

М, = N, -Ц,          <1)> где /V/ — годовой урожай растительных культур и (или) поголовья скота, рассчитывается на основе статистических данных [4];

L - экспериментально определенная норма образования отходов [1, 5,];

І - вид растительных культур и (или) направление животноводства.

Энергетический потенциал отходов (валовый) рассчитывается из Mi и энергосодержания (низшей теплоты сгорания) данного вида отходов К,;

Q, =M_j -К,.           (2)

В качестве основного источника данных в работе использовались материалы Федеральной службы государственной статистики (Росстат), которые содержат валовые сборы сельскохозяйственных культур и поголовье скота для хозяйств всех категорий, и было детализировано: для сельскохозяйственных организа ций: крестьянских (фермерских) хозяйств и хозяйств индивидуальных предпринимателей; хозяйств населения. При оценках энергетического потенциала отходов сельского хозяйства необходимо рассчитывать доступный валовой потенциал сельскохозяйственных отходов, в котором не учитываются отходы хозяйств населения в силу практической невозможности их сбора.

Результаты и их обсуждение. Волгоградская область является одним из крупнейших производителей сельскохозяйственной продукции в Российской Федерации [6, 7], причем в структуре производства около 70% приходится на продукцию растениеводства. Базовой отраслью сельского хозяйства области является производство зерна, вторая культура по величине площади посевов - подсолнечник. При этом зерновые культуры и подсолнечник в области не выращиваются в хозяйствах населения [8]; поэтому расчёт валового доступного потенциала отходов проводился по данным для хозяйств всех категорий (таблица 1).

Таблица 1 - Объемы образующихся отходов зерновых и подсолнечника и их энергосодержание в Волгоградской области с дифференциацией по районам (в среднем за 2013-2014 гг.)

Муниципальные образования (районы и городские округа)	Отходы зерновых (солома) за год		Муниципальные образования (районы и городские округа)	Отходы производства подсолнечника (стебли, лузга) за год
	-0 н о 6 £ £ О	I 2 и 0 5 3		1 іІ І Д:з Is Е 1		5 и - О )5 2		3 -42 *" О 5- 2	к со 5Н ф У ф , ze р ZT о CD О со
Котовский	321	136	Новониколаевский	114		183		11	194
Новоаннинский	238	101	Новоаннинский	97		155		9	164
Еланский	217	92	Еланский	89		143		9	151
Новониколаевский	211	90	Урюпинский	83		133		8	141
Урюпинский	206	88	Киквидзенский	64		103		6	109
г, Михайловка	205	87	г, Михайловка	53		85		5	90
Клетский	186	79	Жирновский	42		66		4	70
Октябрьский	172	73	Нехаевский	40		63		4	67
Киквидзенский	162	69	Руднянский	34		54		3	57
Чернышковский	153	65	Даниловский	31		50		3	53
Даниловский	134	57	Алексеевский	30		48		3	51
Котельниковский	132	56	Иловлинский, Серафимовичский Кумылженский Фроловский Клетский г. Урюпинск Котовский Ольховский и др.	28         4       0        5 и менее
Серафимовичский	126	54
Алексеевский	121	52
Нехаевский	117	50
Руднянский, Калачевский, Ольховский и др.	116 и менее	49 и менее
Всего:	3501	1488							1254

Видно, что 17 районов области имеют урожаи зерновых более миллиона центнеров, что соответствует энергосодержанию отходов более 42,5 тыс. т ул./год. Отходы производства подсолнечника значительны, и суммарно по области их энергосодержание (валовой потенциал) лишь на 15,7% меньше энергосодержания зерновых культур. При расчетах валового энергетического потенциала отходов подсолнечника учитывалось, что выход стеблей и корзинок составляет 350% массы урожая (семян подсолнечника), а лузги -18%. Теплотворная способность воздушно-сухих отходов влажностью 1820% для стеблей подсолнечника составляет

3200 ккал/кг, для лузги - 3750 ккал/кг [5]. Дифференцированная оценка энергосодержания стеблей и лузги (1187 и 67 тыс. т у.т. соответственно для области в целом) имеет принципиальное значение, поскольку их переработка в энергопродукты требует различных технологий и разнесена территориально. В Волгоградской области зерновые культуры и подсолнечник выращиваются повсеместно (рисунок 1), однако районы с максимальной урожайностью расположены на севере и северо-западе области, а районы с минимальными сборами - на востоке и юго-востоке области.

Рисунок 1 - Распределение валового энергопотенциала отходов растениеводства на территории Волгоградской области

Овощи и картофель выращиваются во всех районах области, но, в отличие от зерновых культур и подсолнечника, наибольшие объемы этих культур собираются в хозяйствах населения: около 90% - картофеля и 40% -овощей. Исключением являются районы, близкие к крупным городам области (Городищенский район). В целом по области доступный валовой энергопотенциал отходов овощей и картофеля существенно уступает отходам зерновых и подсолнечника, но в некоторых районах (Светлояр- ский, Городищенский) достигает значительных величин - порядка 500 т у.т./год и более.

Основными направлениями животноводства Волгоградской области являются: разведение крупного рогатого скота (КРС) и птицы, свиноводство, овцеводство и козоводство. В таблице 2 показаны результаты расчетов энергосодержания отходов жизнедеятельности скота по районам и городским округам области. Важно отметить, что в хозяйствах населения области выращивается большая часть животных по сравнению с сельскохозяйственными организациями и крестьянскими (фермерскими) хозяйствами. Например, по данным Росстата (01.10.2016 г.) в этих хозяйствах выращивается 70,7% всего поголовья КРС, 40,3% - свиней, 59,7% - овец и коз, 41,7% - птицы [9]. Поэтому оценка ресурсов и энергетического потенциала животноводческих отходов рассчитывалась только по поголовью животных и птицы, выращиваемых в сельскохозяйственных организациях и крестьянских (фермерских) хозяйствах. В Волгоградской области животноводческие хозяйства этого сегмента сосредоточены в центральных, восточных и южных районах области.

При расчетах технического потенциала отходов растениеводства и животноводства ис пользовалась методика [1, 2]. В качестве основы принимались результаты оценки доступного валового энергетического потенциала отходов производства подсолнечника, овощей, картофеля и животноводства. Предполагалось, что получение электроэнергии и тепла может проводиться с помощью мини-ТЭС с прямым сжиганием биомассы или мини-ТЭС на биогазе -для отходов растениеводства (коэффициент преобразования в электроэнергию 35%, потребление на собственные нужды 3%; коэффициент преобразования в тепловую энергию 80%, потребление на собственные нужды 14%) и мини-ТЭС на биогазе - для отходов животноводства (те же коэффициенты преобразования и затрат).

Таблица 2 - Энергосодержание отходов скота и птицы в сельскохозяйственных организациях и крестьянских (фермерских) хозяйствах районов и городских округов Волгоградской области, т у.т./год (в среднем за 2012-2013 гг.)

Муниципальные образования (районы и городские округа)	КРС	Муниципальные образования (районы и городские округа)	Свиноводство	Муниципальные образования (районы и городские округа)	Птицеводство
Палласовский	4394	Иловлинский	2439	Городищенский	5396
Суровикинский	2660	Городищенский	1499	Светлоярский	4105
Фроловский	2590	Михайловский	734	Среднеахтубинский	3567
Октябрьский	2571	г. Михайловка	657	Николаевский	2931
Старополтавский	2553	Суровикинский	416	Урюпинский	1047
Николаевский	2422	Урюпинский	268	Кумылженский	590
Калачевский	2416	Алексеевский	69	Ленинский	319
Клетский	2321	Нехаевский и др.	65 и менее	Котовский и др.	264 и менее
Светлоярский	2320
Быковский	2068
Иловлинский	1711
Среднеахтубинский	1456
Урюпинский	1362
Котельниковский и др.	1067 и менее
Всего:	39249		6536		18566

В таблице 3 представлены полученные результаты. Выполненная оценка энергетического потенциала отходов сельского хозяйства выявила, в первую очередь, неравномерность распределения различных типов отходов биомассы, что связано с особенностями землепользования, распределением населения по территории и т.п.

При этом установлено, что значительное число северных и западных районов области обладают большим энергетическим потенциалом отходов растениеводства зерновых культур и подсолнечника, а районы Городищенский, Свет-лоярский, Быковский, Ленинский и Среднеахтубинский - отходов картофеля и овощей. Центральные, восточные и юго-восточные районы области характеризуются значительным энергетическим потенциалом отходов животноводства.

Таблица 3 - Результаты оценки технического потенциала отходов животноводства и растениеводства районов и городских округов Волгоградской области (в среднем за 2012-2013 гг.)

Муниципальные образования (районы и городские округа)	Отходы растениеводства		Муниципальные образования (районы и городские округа)	Отходы животноводства
	Электроэнергия, млн кВтч/год	Тепловая энергия, тыс. Гкал/год		Электроэнергия, млн кВтч/год	Тепловая энергия, тыс. Гкал/год
Новониколаевский	661	1151	Городищенский	21	36
Новоаннинский	593	1033	Светлоярский	18	31
Еланский	544	949	Николаевский	15	26
Урюпинский	511	891	Среднеахтубинский	14	24
Киквидзенский	397	691	Палласовский	12	21
г. Михайловка	369	643	Иловлинский	11	20
Нехаевский	254	443	Суровикинский	9	15
Жирновский	242	421	Урюпинский	7	13
Руднянский	225	393	Фроловский	7	13
Даниловский	225	393	Октябрьский	7	12
Алексеевский	213	371	Старополтавский	7	12
Серафимовичский	171	299	Калачевский	7	12
Клетский	137	239	Клетский	6	11
Кумылженский	131	229	Быковский	6	10
Октябрьский и др.	104	181	Ленинский и др.	3	5
	И менее			И менее
Всего:	3408	5939		106	184

Специализация сельского хозяйства регионов России определяется, прежде всего, физико-географическими особенностями. В силу этого сельскохозяйственное производство Волгоградской области и Крыма имеют много общих черт. Так же как Волгоградская область, Крым имеет благоприятные агроклиматические условия для сельскохозяйственного производства, а именно: длинный безморозный период, протяженный период положительных температур свыше 10 °C и значительное число часов солнечного сияния. Для большей части территорий обоих субъектов основной проблемой для сельскохозяйственного производства является дефицит влагообеспечения (44% территории Крыма являются зоной с очень засушливыми и 33% - с засушливыми условиями). Поэтому зерновое хозяйство всегда было и остаётся важнейшей отраслью агропромышленного комплекса - как Волгоградской области, так и Крыма. В структуре посевных площадей этих регионов доминируют озимые культуры - озимая пшеница и озимый ячмень, - которые развиваются за счёт зимне-весенних запасов влаги и успевают сформировать урожай до наступления жаркой и сухой погоды.

Проведенные нами исследования показали, что основной энергетический потенциал биоэнергетики для территории Крыма определяется отходами производства зерновых культур (солома). Суммарный валовой энергетический потенциал соломы для Крыма составляет около 457 тыс. т у.т./год (2014 год). Муниципальные районы с максимальным производством соломы: Красногвардейский - порядка 70 тыс.т у.т./год, Ленинский - 45 , Нижнегорский - 40, Джанкойский - 40 (таблица 4). Подобно Волгоградской области, значительный энергопотенциал биоэнергетики обеспечивают отходы подсолнечника (лузга и стебли) - около 180 тыс. т у.т./год для всего Крыма. Существенным энергетическим потенциалом характеризуются отходы, образующиеся при обрезке виноградной лозы,- более 25 тыс. т у.т./год. В таблице не отображены результаты расчетов отходов кукурузы на зерно и сои, энергопотенциал которых незначителен и составляет для всего Крыма 4 и 1,5 тыс. т у.т./год, соответственно.

Таблица 4 - Энергосодержание отходов растениеводства в хозяйствах всех категорий муниципальных образований Республики Крым, тыс. т у.т./год (по данным 2014 г.)

Муниципальные образования (районы и городские округа)	Название растительной культуры
	Зерновые (солома)	Подсолнечник (стебли и лузга)	Рапс озимый	Картофель	Овощи	Виноград	ИТОГО
Красногвардейский	68,6	38,1	1,8	0,9	1,0	0,7	112,7
Джанкойский	40,5	33,0	0,2	1,4	2,0	0,1	77,6
Ленинский	45,1	13,2	0,5	1,7	0,7	0,1	61,3
Нижнегорский	41,3	12,0	0,6	1,0	1,0	0,1	56,3
Советский	38,3	12,8	1,7	0,3	0,6	0,2	54,0
Красноперекопский	24,1	23,8	0,8	о,б	0,9	0,0	52,8
Раздольненский	26,6	18,9	1,2	0,1	0,3	0,0	47,0
Симферопольский	32,9	2,8	1,6	1,3	1,3	4,3	44,5
Сакский	33,4	5,5	2,0	0,7	1,5	1,1	44,2
Первомайский	36,1	4,1	0,3	0,9	1,1	0,0	42,6
Кировский	23,0	7.2	0,5	0,5	0,6	2,1	33,9
Черноморский	23,6	3,4	0,6	0,4	0,3	0,2	28,4
Белогорский	19,2	3,9	1,0	0,7	0,5	0,0	25,4
Бахчисарайский	3,3	0,1	0,0	0,9	0,9	4,3	9.4
г. Севастополь	0,4	0,0	0,0	0,1	0,0	5,5	6.0
Феодосия	0,5	0,0	0,1	0,5	0,4	1,7	3,2
Судак	0,0	0,0	0,0	0,2	0,1	2,0	2,4
Алушта	0,0	0,0	0,0	0,2	0,2	1,9	2.3
Керчь	0,0	0,0	0,0	0,6	0,2	0,0	0.8
Ялта	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0	0,7	0.7
Симферополь	0,0	0,0	0,0	0,1	0,1	0,0	0.2
Евпатория	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0	0,1
Республика Крым (в целом)	456,8	178,7	12,9	13,1	13,9	25,0	706,1

По нашим оценкам, суммарный валовой энергетический потенциал отходов растениеводства региона превышает 700 тыс. т у.т./год. Это теоретическое энергосодержание отходов, и очевидно, что количество энергии, которое реально может быть извлечено из этой биомассы, будет значительно меньше. Тем не менее, рассчитанная величина ресурса значима для энергетики Крыма, так как годовое потребление электроэнергии оценивается в 1866 тыс. т у.т., а на производство тепла расходуется приблизительно 500 тыс. т у.т. [10, 11]. И, поскольку котельно-печное топливо практически полностью поставляется на полуостров с материка, энергоносители из отходов растениеводства в виде пеллет и брикетов способствовали бы энергонезависимости Крыма.

Пространственное распределение валового потенциала растениеводства (рисунок 2) показывает, что в связи с агроклиматическими и геоморфологическими условиями исследуемой территории энергетический потенциал отходов зерновых и подсолнечника сосредоточен в северной и северо-восточной частях полуострова, в то время как южные районы Крыма характеризуются высоким энергетическим потенциалом отходов виноградарства. Таким образом, значительная часть территории республики обеспечена сырьевыми ресурсами для развития биоэнергетики.

Рисунок 2 - Распределение валового энергопотенциала отходов производства зерновых культур, подсолнечника, кукурузы и виноградарства для территории Республики Крым

Выводы. Для двух регионов Юга России (Волгоградской области и Республики Крым) с развитым сельскохозяйственным производством, с одной стороны, и с различным уровнем энергообеспеченности, с другой, проведены оценки биоэнергетического потенциала отходов растениеводства.

Расчеты и анализ результатов позволил выделить сельскохозяйственные культуры, побочные продукты производства которых наиболее перспективны для использования в целях получения энергии. Для значительного числа северных и западных районов Волгоградской области наибольшим энергетическим потенциалом обладают отходы зерновых культур и подсолнечника. В 17 районах области урожаи зерновых превышают миллион центнеров, и энергосодержание незерновой части урожаев -свыше 40 тыс. т у.т. /год. Энергетический потенциал отходов подсолнечника в целом по области на 15,7% уступает отходам зерновых, но для некоторых районов превышает таковой. В работе получены дифференцированные значения энергосодержания отходов производства подсолнечника - стеблей и лузги - для районов и области в целом (для области - 1187 и 67 тыс. т у.т./год), что имеет принципиальное значение, поскольку их переработка в энергопродукты требует различных технологий и разнесена территориально.

Различные типы отходов биомассы, и, следовательно, их энергетический потенциал, неравномерно распределены по территории региона, что связано с агроклиматическими условиями, особенностями землепользования, распределением населения и т.п. При этом значительное число северных и западных районов Волгоградской области обладают большим энергетическим потенциалом отходов растениеводства зерновых культур и подсолнечника, а районы междуречья и левобережья Волги (Го-родищенский, Светлоярский, Быковский, Ленинский и Среднеахтубинский) - отходов картофеля и овощей. Центральные, восточные и юговосточные районы области характеризуются значительным валовым энергетическим потенциалом отходов животноводства. Но большая часть скота в области выращивается в хозяйствах населения, что объясняет невысокие значения доступного энергопотенциала отходов животноводства в районах области, который рассчитывался с учётом только производственного сектора. Соответственно, технический энергопотенциал отходов животноводства для районов и области в целом значительно ниже энергопотенциала отходов растениеводства.

Расчеты и анализ объемов органических отходов сельскохозяйственного производства Республики Крым позволили выявить специфику данного региона с точки зрения потенциального развития биоэнергетики. Энергетический потенциал отходов зерновых и подсолнечника сосредоточен в северной и северо-восточной частях полуострова Крым. В ряде районов этой части Крымского полуострова потенциал отходов зернового хозяйства достигает 40 тыс. т у.т.

в год и превосходит это значение. В то же время южные районы Крыма характеризуются высоким энергетическим потенциалом отходов виноградарства. Сопоставление валового потенциала растениеводства (более 700 тыс. т у.т./год) и ежегодного потребления тепловой энергии (500 тыс. т у.т./год) позволяет говорить о возможности частичного замещения котельнопечного топлива брикетами и пеллетами из растительных отходов.

Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ - проекты Na 16-05-01015, 15-0501788.