Экономический анализ выработки электроэнергии системами CBECCS. ( A ) LCOE для угольных электростанций, электростанций IGCC и систем CBECCS с ценой на углерод от 0 до 60 долларов за тонну CO ₂ . ( B ) Предельные затраты на производство электроэнергии как функция массовых соотношений цен на биомассу и углерод.Предельная стоимость CBECCS-CrB4 становится отрицательной при цене углерода выше 100 долларов за тонну CO ₂ . ( C ) Безубыточная цена углерода, чтобы сделать системы CBECCS конкурентоспособными по стоимости с установками ПК, в зависимости от цен и массовых соотношений смешивания биомассы. Цветные линии — это изокванты с одинаковыми безубыточными ценами на углерод. Массовая доля биомассы в топливном запасе колеблется от 0 до 100%.

На основе LCOE мы находим, что цена безубыточности на углерод составляет 42 доллара.0 и 52,0 долл. США за тонну CO _2, , чтобы сделать CBECCS с нулевыми выбросами парниковых газов (то есть конфигурацию CBECCS-CrB2) конкурентоспособной по стоимости по сравнению с угольными установками IGCC и SC-PC, соответственно.

Предельная стоимость систем CBECCS зависит от затрат на топливо, эксплуатационных расходов и затрат на техническое обслуживание (O&M), а также цены на углерод. При цене на углерод в 100 долларов за тонну система CBECCS-CrB4 со 100% биомассой будет производить электроэнергию с отрицательным выбросом углерода с отрицательными предельными затратами. (Рис.3 B ).Примечательно, что при такой высокой цене на углерод и высоком относительном соотношении биомассы краткосрочные предельные издержки CBECCS могут быть даже ниже, чем затраты на возобновляемую электроэнергию (т.е. практически равны нулю). Это означает, что при подходе к диспетчеризации с учетом требований, основанном на предельных затратах, CBECCS, как управляемый источник генерации, потенциально может иметь наивысший приоритет и отправляться первым среди всех источников генерации. Это может гарантировать высокий коэффициент мощности для блоков CBECCS, компенсируя связанные капитальные затраты и затраты на топливо.Однако в настоящее время решения об отправке в Китае не следуют процедурам экономического обоснования. Вместо этого правительство устанавливает фиксированные часы работы для каждого класса электростанций (41). В ближайшем будущем, поскольку CBECCS также использует уголь, вполне возможно, что электростанции CBECCS смогут следовать существующим правилам и практикам для угольных электростанций с гарантированными часами работы. В долгосрочной перспективе, по мере того как Китай продолжает текущую рыночную реформу электроэнергетического сектора (41, 42), переход к диспетчеризации с учетом требований может лучше отражать экономику и отдавать приоритет электроэнергии с отрицательными затратами, производимой с помощью CBECCS, с высокой ценой на выбросы углерода. и соотношение биомассы.

Однако на цену биомассы может влиять множество факторов, включая радиус сбора и затраты на транспортировку и хранение (более подробное обсуждение в SI Приложение , раздел S2.2). Здесь мы исследуем, при различных соотношениях биомассы, как цены на биомассу повлияют на безубыточную цену углерода, то есть уровень, на котором CBECCS-CrB2 становится рентабельным по сравнению с установками SC-PC (рис. 3 C). ). При отсутствии топлива из биомассы (т.е. CBECCS-CrB0) безубыточная цена углерода составляет около 63 долларов за тонну CO ₂ , независимо от цены биомассы.Как показано на рис. 3 C , при цене биомассы ниже 80 долларов за тонну безубыточная цена на углерод уменьшается в зависимости от соотношений смешивания биомассы. Это указывает на то, что добавление биомассы к сырью приводит к снижению затрат на сокращение выбросов CO ₂ . Например, при текущей цене растительных остатков 50 долларов за тонну безубыточная цена на углерод снижается с 63 долларов за тонну для CBECCS-CrB0, который использует только уголь, до 52 долларов за тонну для CBECCS-CrB2 с коэффициентом смешивания биомассы 35. %.Однако, если цена биомассы превышает 80 долларов за тонну, безубыточная цена углерода будет расти с увеличением доли биомассы.

Снижение выбросов углерода и повышение качества воздуха.

По сравнению с установками ПК или прямым сжиганием биомассы, производство электроэнергии с помощью систем CBECCS имеет более низкие выбросы углерода и загрязняющих веществ в атмосферу. Чтобы пролить свет на потенциальные выгоды для углерода и качества воздуха от развертывания CBECCS, мы разработали контрфактический сценарий на 2015 год, в котором CBECCS развертываются для вытеснения недавно построенных заводов по производству ПК в Китае, которые в основном являются сверхкритическими и сверхсверхкритическими установками.В мире с ограниченными выбросами углерода этим молодым угольным станциям, возможно, потребуется досрочно выйти из эксплуатации к середине века — вероятному временному горизонту, когда CBECCS может начать играть более важную роль. В частности, мы разрабатываем сценарий, в котором в общей сложности развернуты 150 ГВт блоков CBECCS с нулевыми выбросами ПГ (CBECCS-CrB2), исходя из масштаба прогнозируемых добавок угля Международным энергетическим агентством (43). В частности, мы предполагаем, что около 24,3% пожнивных остатков, имеющихся в материковом Китае, используются в качестве входящего топлива, что, таким образом, может поддерживать развертывание и эксплуатацию 366 установок CBECCS с нулевыми выбросами парниковых газов (т.е., CBECCS-CrB2) мощностью 410 МВт каждая (44). При коэффициенте мощности 80% для CBECCS этот сценарий может заменить 1051 ТВтч электроэнергии, вырабатываемой угольными электростанциями, что эквивалентно 18,1% от общего объема электроэнергии, произведенной в Китае в 2015 году (40). Замещение этого количества угольной электроэнергии, производимой сверх- или сверхкритическими установками, может снизить годовые выбросы CO ₂ на целых 0,88 Гт, что эквивалентно 9,3% от общих выбросов углерода в Китае (9,6 Гт) в 2015 году (рис. 4).

Сокращение общих годовых выбросов загрязнителей воздуха, достигаемое сценарием развертывания CBECCS-CrB2 при массовом соотношении биомассы 35%: ( A ) SO ₂ , ( B ) NO _X , ( C ) PM _2,5 и ( D ) BC. Мы представляем результаты для шести регионов материкового Китая: Северного Китая (Северная Каролина), Северо-Востока (Северо-Восток), Восточного Китая (ЕС), Южно-Центрального Китая (ЮЦК), Юго-Западного (ЮЗ) и Северо-Западного (Северо-Западный). Столбики представляют собой сокращения выбросов от замены угольных электростанций (ПК) системами CBECCS и от отказа от OBB и DBB.

Помимо потенциального вклада в борьбу с выбросами углерода, развертывание систем CBECCS для вытеснения угольной энергетики может также привести к сокращению обычных выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, тем самым способствуя достижению краткосрочных целей Китая по контролю за загрязнением воздуха (13). Развертывание CBECCS снижает загрязнение воздуха двумя способами: ( i ) замещение выработки электроэнергии на угле и связанное с этим загрязнение воздуха и ( ii ) отказ от биомассы, которая в противном случае могла бы потребляться более загрязняющими способами, такими как открытое сжигание биомассы (OBB) и сжигание биомассы в домашних условиях (DBB).Традиционно для китайских фермеров 17-25,6% пожнивных остатков сжигаются на поле (10, 27, 28). Таким образом, OBB является основным источником загрязнения воздуха, особенно прямых выбросов твердых частиц, включая черный углерод (BC). Наши результаты показывают, что предусмотренный здесь сценарий развертывания может способствовать значительному сокращению первичных загрязнителей воздуха, включая NO _X , SO ₂ , PM _2,5 и BC, во всех регионах, особенно в Северном и Восточном Китае, где смог. эпизоды с высоким уровнем загрязнения воздуха случаются часто ( SI Приложение , рис.S5).

Например, развертывание систем CBECCS-CrB2 мощностью 24,3 ГВт в Северном Китае может снизить выбросы SO ₂ на 169,3 килотонн (кт), NO _X на 132,4 кт, первичных PM _2,5 на 225,2 кт и BC на 8,8 кт, что эквивалентно соответственно 5,2%, 3,6%, 12,2% и 3,8% общих региональных выбросов в 2015 году. На основе моделирования качества воздуха с использованием метеорологического исследования и прогнозирования — многомасштабного уровня качества воздуха сообщества (45) шкала снижения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, достигаемого с помощью сценария развертывания CEBCCS-CrB2, может снизить среднегодовую концентрацию PM _2.5 на 6,8% в регионе Северного Китая (19). Чтобы поместить это в контекст, Китай поставил цель снизить среднегодовую концентрацию PM _2,5 на 25% в регионе BTH на севере Китая с 2012 по 2017 год, как было объявлено в опубликованном Плане действий по предотвращению и контролю загрязнения воздуха. Государственного совета Китая. Наш сценарий CEBCCS-CrB2 может достичь более 27,2% от этой цели по сокращению PM _2,5 . Учитывая, что стоимость ВВП для реализации плана действий для региона BTH в 2017 году была оценена примерно в 61 миллиард долларов, потенциальная экономия, которую может дать развертывание CBECCS на затратах на борьбу с загрязнением воздуха, может быть значительной (46, 47).Ожидается, что процентное снижение концентраций PM _2,5 будет еще больше зимой, когда сжигание биомассы в жилых помещениях вносит значительный вклад в эпизоды серьезного загрязнения воздуха в Китае (48). Кроме того, поскольку выбросы СУ вносят свой вклад как в загрязнение воздуха, так и в локальное воздействие на климат (в виде нагревающего аэрозоля), сокращение выбросов СУ за счет развертывания CBECCS приведет к уменьшению загрязнения, а также снижению потепления.

Обсуждение

Пути развертывания CBECCS в Китае.

Развертывание систем CBECCS, использующих растительные остатки в качестве сырья для биомассы, представляет собой беспроигрышную стратегию по сокращению загрязнения воздуха и выбросов углерода в Китае (49, 50). Внедрение CBECCS в Китае может иметь четыре основных преимущества: ( i ) CBECCS может в конечном итоге достичь отрицательных выбросов парниковых газов при увеличении соотношения биомассы; ( ii ) OBB / DBB и связанного с ним загрязнения воздуха можно было бы избежать, используя биомассу в качестве топлива для системы CBECCS; ( iii ) фермеры могут получить дополнительную компенсацию от продажи биомассы растительных остатков, что может принести пользу экономическому развитию сельских районов; и ( iv ) по сравнению с другими странами или регионами, такими как США и Европейский Союз, капитальные и эксплуатационные затраты на систему CBECCS, вероятно, будут намного ниже в Китае, что обеспечит более низкую возможность развертывания (22 , 51). Хотя наш анализ сосредоточен на Китае, многие страны развивающегося мира, такие как Бразилия и Индия, также сталкиваются с проблемой изменения климата, а также серьезного загрязнения воздуха в результате сжигания биомассы. Дорожная карта CBECCS в Китае, следовательно, также имеет эталонное значение для развивающегося мира, чтобы использовать сопутствующие выгоды от уменьшения как загрязнения воздуха, так и выбросов CO ₂ .

Чтобы добиться большей роли CBECCS в долгосрочной стратегии декарбонизации Китая, краткосрочное развертывание может быть сосредоточено на нескольких провинциях, которые имеют большие запасы биомассы и возможности для связывания CO ₂ , с одной стороны, а также с другой стороны, под давлением необходимости ограничить использование местного угля и уменьшить загрязнение воздуха.Как показано в Приложении SI , рис. S4 и таблице S8, производство пожнивных остатков в Китае сконцентрировано, в частности, в двух зернопроизводящих районах, а именно в регионе Хуан-Хуай-Хай и на Северо-восточной равнине. Пять районов Китая с наибольшей плотностью посевов расположены в 10 провинциях, которые также имеют большой местный спрос на электроэнергию и страдают от серьезного местного загрязнения воздуха ( SI Приложение , Таблица S17) (40). Кроме того, бассейны Хуабэй и Ювань, охватывающие провинции Хэбэй, Хена, Шаньдун и Аньхой, обладают значительными способностями по улавливанию CO ₂ , оцениваемыми в 264 Гт и 186 Гт, соответственно ( SI Приложение , Таблица S18).Исходя из этих критериев, мы предполагаем, что четыре провинции — Шаньдун, Хэнань, Хэбэй и Аньхой — могут быть кандидатами на раннюю демонстрацию и первоначальное развертывание CBECCS. Эти провинции обладают достаточным запасом пожнивных остатков, обильными мощностями по улавливанию CO ₂ , большим существующим парком тепловых генераторов и значительными локальными выбросами углерода и загрязнителей воздуха (Рис.4 и SI Приложение , Рис. S5 и Таблица S8 ). Развертывание систем CBECCS в этих провинциях могло бы использовать местные растительные остатки и ограничить загрязнение воздуха и в то же время увеличить производство зеленой электроэнергии.

Для широкомасштабного внедрения технологии CBECCS в Китае потребуется преодоление ряда препятствий, включая управление рисками и неопределенностями, связанными с соответствующими технологиями, сбором биомассы и углеродной политикой. Во-первых, системы CBECCS зависят от сложной комбинации передовых технологий, включая газификацию EF, конверсию WGS, CCS и сжигание водорода в газовых турбинах. Хотя IGCC, ключевой компонент CBECCS, является зрелой технологией в США и Европе, ее применение в Китае все еще находится на стадии демонстрации.В Китае необходимы программы исследований и разработок и демонстрационные проекты, чтобы овладеть основными технологиями и получить опыт, позволяющий избежать технических рисков (50).

Во-вторых, для обеспечения надежного снабжения биоэнергией в больших масштабах необходимо создать двухточечную сеть сбора биомассы в сельскохозяйственных и / или лесных районах для повышения эффективности сбора (6). Централизованно-механизированный сбор урожая может не только снизить затраты на сбор пожнивных остатков, но и способствовать повышению продуктивности сельского хозяйства (52).Поскольку поставки биомассы колеблются в зависимости от сезона, также потребуются хранилища, чтобы гарантировать стабильную и надежную поставку топливного сырья для систем CBECCS. Некоторые меры предварительной обработки, такие как гранулирование и торрефикация, могут быть применены для уменьшения места для хранения и уменьшения рисков (53). Кроме того, переход с пожнивных остатков на более крупные и надежные заменители, такие как лесная биомасса, может способствовать более стабильному предложению (54).

В-третьих, несмотря на значительно меньшие выбросы CO ₂ и загрязняющих веществ, капитальные и постоянные затраты на эксплуатацию и обслуживание систем CBECCS составляют 102. На 17% и 117,94% выше, чем у электростанций СК-ПК соответственно (22). Без цены на выбросы, особенно CO ₂ , CBECCS в настоящее время невыгодно конкурировать с традиционными угольными электростанциями и получать связанные с этим углеродные и экологические выгоды. В Китае в декабре 2017 года было объявлено о создании национального углеродного рынка, начиная с электроэнергетического сектора, и теперь планируется, что он будет полностью запущен в 2020 году. Он будет вводить цену на выбросы углерода, которая должна отдавать предпочтение низкоуглеродным технологиям, таким как CBECCS (6 ).Дополнительные стимулы потребуются для достижения критической точки безубыточности (около 52,0 долл. США за тонну CO ₂ ), чтобы эффективно способствовать крупномасштабному применению CBECCS.

Роль CBECCS как части широкой дорожной карты CCS для Китая.

В широком контексте разработки китайской стратегии CCS, помимо технологии улавливания CO ₂ до сжигания на основе газификации, которая является предметом настоящего исследования, улавливание после сжигания также рассматривается как многообещающий выбор технологии, особенно в качестве варианта модернизации существующего угля. обожженные растения (43).Успешные демонстрации в промышленных масштабах уже были реализованы в Китае и других странах (22). Однако модернизация существующих угольных электростанций влечет за собой логистические проблемы, такие как наличие поблизости хранилища CO ₂ и наличие на площадке достаточного пространства для добавления объектов дожигания. Для сравнения, поскольку темпы добавления новых угольных электростанций в Китае, по прогнозам, замедлятся в ближайшие десятилетия, рынок CBECCS посредством газификации, вероятно, будет включать замену угольных электростанций, которые будут выведены из эксплуатации к середине века или позже (55).Для согласованности с таким временным горизонтом в этом исследовании сравниваются экономические и экологические последствия CBECCS с наиболее передовыми угольными установками в настоящее время, то есть сверхкритическими и сверхсверхкритическими угольными установками.

Для информирования о долгосрочной дорожной карте Китая по CCS и о том, как следует разделить рынок CBECCS между подходами к газификации и дожиганию, директивным органам и инвесторам необходимо сравнить вариант строительства новых заводов CBECCS с использованием технологии улавливания до сжигания со стратегией модернизации или строительство угольных электростанций с использованием технологии совместного сжигания биомассы и улавливания после сжигания.Ответ на эти вопросы требует будущих исследований по оценке существующих угольных электростанций на уровне электростанций с точки зрения их площади и доступности воды для добавления и эксплуатации улавливающих установок после сжигания, а также связанных с этим изменений затрат и эффективности (43, 56, 57). Тогда вариант модернизации существующих заводов можно сравнить с вариантом строительства новых заводов, использующих подходы газификации или дожигания.

Хотя количественное сравнение выходит за рамки настоящего исследования, качественно CBECCS с газификацией имеет ряд преимуществ перед технологией дожигания.Что наиболее важно, хотя модернизация традиционных угольных блоков с помощью CCS после сжигания, безусловно, может снизить выбросы углерода, оно ограничено техническим пределом для коэффициента совместного сжигания биомассы, что, следовательно, ограничивает потенциал сокращения выбросов углерода. В настоящее время доля биомассы в установках совместного сжигания биомассы / угля обычно ниже 5% и редко превышает 10% на постоянной основе, хотя совместное сжигание 20% технически возможно (58). Напротив, технология CBECCS может работать не только при высоких соотношениях биомассы, но и обеспечивать нулевые выбросы CO ₂ в течение жизненного цикла при таком низком соотношении биомассы, как 35%.Таким образом, учитывая конечную потребность в отрицательных выбросах углерода для решения климатических проблем, CBECCS посредством газификации предоставляет более многообещающую возможность для постепенного увеличения доли биомассы, тем самым закладывая основу для полного отказа от ископаемой энергии и производства электроэнергии с отрицательным углеродом в долгий пробег.

Методы

Система CBECCS была смоделирована с использованием программного обеспечения Apsen Plus с допущениями для имеющихся в настоящее время современных процессов. Было смоделировано 20 соотношений смешивания растительных остатков с уравновешиванием потоков массы и энергии на каждом этапе и подтверждено существующей литературой (11, 23).Блок-схема системы CBECCS для производства электроэнергии проиллюстрирована на рис. 5, а подробная информация о параметрах модели, входах и выходах материалов и энергии обобщена в приложении SI , таблицы S1 – S6.

Блок-схема системы CBECCS для производства электроэнергии с использованием технологии IGCC с CCS.

Выбросы парниковых газов от угля и биомассы в течение жизненного цикла в системах CBECCS оцениваются с использованием стандартной модели ISO (Международной организации по стандартизации) с учетом как производственных выбросов, так и выбросов выше по течению, связанных с производством, переработкой и транспортировкой угля и биомассы .Подробные данные приведены в SI Приложение , раздел S3 (30, 59). Сопутствующие выгоды от снижения загрязнения воздуха были оценены для основных загрязнителей воздуха, включая SO ₂ , NO _X , PM _2,5 и BC. Коэффициенты выбросов этих видов для систем CBECCS, угольных электростанций, OBB и DBB были взяты из кадастра выбросов для загрязнения воздуха в Китае, разработанного Университетом Цинхуа и задокументированного в существующей литературе ( SI Приложение , таблицы S15 и S16) (10, 51, 60–62).

LCOE для CBECCS, угольного IGCC и традиционных электростанций были оценены с использованием финансовой модели движения денежных средств, разработанной для этого анализа. Экономические параметры для Nth of a kind CBECCS-CrB0 были взяты из тематического исследования проекта GreenGen (IGCC) в Тяньцзине, Китай, представленного Азиатским банком развития (22). Поскольку доля биомассы увеличивается с 0% в CBECCS-CrB0 до 100% в -CrB4, мы предполагаем, что капитальные вложения за ночь увеличатся на 10%, а фиксированные затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание — на 30% (10, 63).Экономические параметры для различных энергоблоков и моделей движения денежных средств описаны в Приложении SI , Таблица S14. Цены на уголь в Китае были взяты равными 80 долларов за тонну на основе средней цены энергетического угля на Бохайском крае в период с 2017 по 2018 год (64), а цены на биомассу были оценены как функция расстояния транспортировки и плотности биомассы с параметрами, откалиброванными с использованием существующей литературы. ( SI Приложение , раздел S2.2) (65). Анализ чувствительности LCOE с точки зрения капитальных затрат, ставки дисконтирования и цен на топливо проиллюстрирован в приложении SI , рис.S3.

Настоящий анализ также количественно оценил влияние на LCOE различных технологий производства электроэнергии налогов на выбросы углерода в диапазоне от 0 до 60 долларов за тонну CO ₂ . Затраты на сокращение выбросов CO ₂ (CCO2) с использованием систем CBECCS по сравнению с электростанциями SC-PC были количественно определены с помощью следующего уравнения: CCO2 = PkWhCBECCS − PkWhPCECO2CBECCS − ECO2PC,

, где PkWhCBECCS и PkWhPC соответственно относятся к , системой CBECCS и установкой SC-PC, а ECO2CBECCS и ECO2PC указывают на выбросы CO ₂ , связанные с производством 1 кВтч электроэнергии с использованием электростанций CBECCS и SC-PC, соответственно.

Благодарности

Мы благодарим рецензентов за ценные и конструктивные предложения. Мы особенно благодарны одному из рецензентов за ее кропотливые усилия по критике нескольких версий рукописи и за поднятые вопросы, которые способствовали важному улучшению окончательной презентации. XL, LC, JX, SW и SC были поддержаны Национальной программой ключевых исследований и разработок 2016YFC0208901, Национальным фондом естественных наук Китая, проектами 71722003 и 716

, Государственной лабораторией по охране окружающей среды, ключевой лабораторией источников и контроля загрязнения воздуха, Совместным инновационным центром для регионов. Качество окружающей среды, Государственная ключевая объединенная лаборатория моделирования окружающей среды и контроля загрязнения, и Volvo Group в исследовательском проекте Исследовательского центра зеленой экономики и устойчивого развития Университета Цинхуа; и H.W., Q.Y., C.P.N. и M.B.M. были поддержаны грантом Гарвардского глобального института Гарвардско-китайскому проекту «Китай 2030/2050: энергетические и экологические вызовы будущего».

Сноски

• Вклад авторов: X.L. и М.Б.М. спланированное исследование; X.L. и L.C. проведенное исследование; X.L., L.C., J.X., S.W., S.C. и Q.Y. внесены новые реагенты / аналитические инструменты; X.L., L.C., H.W., W.P., Q.Y., C.P.N. и M.B.M. проанализированные данные; и X.L., L.C., H.W., W.P., J.X., S.W., B.S., C.P.N. и M.B.M. написал газету.

• Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

• Эта статья представляет собой прямое представление PNAS.

• Эта статья содержит вспомогательную информацию на сайте www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073/pnas.1812239116/-/DCSupplemental.

• Copyright © 2019 Автор (ы). Опубликовано PNAS.

Центральное отопление с котлом с газификацией древесины — Джон Уделл

Чуть больше года назад я написал популярную статью о дилемме жителей Новой Англии, которые используют нефть для отопления домов.Топка на гранулах, которую я установил в камине в гостиной за несколько лет до этого, помогала, но не было никакого способа распределить это тепло. Когда нефть взлетела выше 100 долларов за баррель на пути к 140 долларам, стало ясно, что мне нужно найти другой способ заправить нашу водяную систему центрального отопления.

Мои исследования привели меня к нескольким вариантам. Во-первых, пеллетный котел. Во-вторых, дровяной газификатор. Я выбрал газогенератор в основном для того, чтобы разнообразить свои источники. Хотя я ожидаю, что древесные гранулы останутся доступными и по привлекательной цене по сравнению с нефтью, я не хотел делать еще одну ставку на товар, цену которого я не могу контролировать.Я не занимаюсь производством дров, которые сжигает мой газогенератор, но если бы пришлось, я бы мог. Пара сумасшедших зим на американских горках, раскаленных маслом, заставила меня жаждать этой уверенности.

После дальнейших исследований и консультаций остановился на дровяном котле ЭКО. Он изготовлен в Польше Эко-Вимаром Орлански, импортирован в США компанией New Horizon и продается здесь, на юге Нью-Гэмпшира, компанией Mechanical Innovations.

В мае 2008 года купил котел ЭКО-40. Через несколько недель он прибыл на поддоне и был выгружен в мой гараж, пока я завершал работу над планом установки.Если бы я знал, что этот процесс затянется на шесть месяцев, я бы пересмотрел свое решение проинформировать город Кин о своих планах и подать заявление на получение разрешения.

Но, несмотря на невероятные хлопоты, которые я описал здесь, я рад, что сделал это. С самого начала я имел в виду две цели. Одна — впервые за три зимы сделать дом по доступным ценам. Другой — уметь написать это эссе.

Газификаторы древесины — не новая технология. Северные европейцы использовали их много лет.Но они новички в США. Большинство наших городских чиновников жилищного строительства и наших страховых агентов не знают о них. Теперь мой, и я надеюсь, что то, что я узнал, поможет проверить это решение в другом месте.

С точки зрения города проблема заключалась в коде. Основное возражение заключалось в том, что код требует сертификации в США (UL, ASME), но EKO имеет европейскую сертификацию (TUV, CE). Однако, копнув дальше, я обнаружил, что наклейка UL 391, которую город изначально заявил, что она необходима, неприменима к твердотопливным котлам.Что значит? UL 2523 — стандарт, который в настоящее время находится в стадии разработки и по которому еще не сертифицированы продукты.

В конце концов я нанял инженера Марка Винселло, чтобы он осмотрел котел, посоветовался с моим дилером / установщиком Бобом Дженнингсом и написал городу письмо, в котором говорилось, что котел сделан хорошо, прошел испытания под давлением и будет безопасно. установлены.

В октябре я наконец получил разрешение. Для протокола я хочу поблагодарить главного строительного директора и помощника директора города Медарда Копчинского.Наш, как и многие другие департаменты по обеспечению соблюдения кодекса, широко критикуют, помимо прочего, за сопротивление инновациям. Но хотя Мед никогда не видел и не слышал о жилом котле, работающем на дровах, он был заинтригован решением и работал со мной, чтобы найти способ его одобрить.

Имея разрешение, я нанял Боба Фэрбенкса, чтобы он выровнял дымоход, который я буду использовать. Он установил обернутый изоляцией гибкий вкладыш. Для котла требуется вкладыш размером 8 дюймов, а размер дымохода — 8 дюймов на 12 дюймов, поэтому он был плотно прилегающим, но Боб «овализовал» (раздавил) вкладыш и влез его внутрь.

К настоящему времени был ноябрь, а котел все еще стоял в гараже. Следующим препятствием, из-за которого я провел несколько бессонных ночей, было перемещение этого 1500-фунтового зверя в подвал через узкий вход под сараем, а затем через илистый пол сарая на цементную площадку подвала.

1: четыре эпохи нагрева

Это было безумие. В конце концов потребовалось четверо из нас, трактор, домкрат для поддонов, связка толстых досок и бутылка средства для мытья посуды. Трактор вставил котел в сарай.Мы протащили его на мыльных досках по земляному полу, намотали на тележку для поддонов, а затем покатили по цементному полу к его нынешнему дому.

Наконец, в начале декабря Боб подключился, и мы зажгли его. С тех пор он работает непрерывно.

На фото 1 вы можете увидеть все четыре эпохи, в которых использовались системы отопления, которые известны моему дому 1870 года.

Дымоход, один из трех, первоначально вентилировал несколько каминов.

Коричневая коробка, зажатая между бело-зеленым котлом EKO и поленницей, представляет собой угольную горелку, которая в какой-то момент должна дополнять дровяное тепло.

Потом пришло масло. В углу за поленницей вы можете увидеть один из двух резервуаров емкостью 250 галлонов.

А теперь котел EKO, современное устройство с электронным управлением, которое возвращает нас к дровам.

2: деталь гидравлического подключения

3: гидравлическое соединение

На фотографиях 2 и 3 показано, как EKO подключается к уже существующей гидравлической системе. На фото 2 вы видите пять цепей. Справа налево, соответствующие четырем циркуляционным насосам, расположены три зоны дома и контур водонагревателя.Крайний левый пятый контур проходит через EKO.

На фото 3 вы можете увидеть EKO слева и все пять входов и выходов масляной горелки внизу справа. EKO подключается последовательно. Это стоит мне некоторой эффективности, потому что, хотя масляная горелка работает редко, ее водяная рубашка поглощает тепло. Но это может быть полезно для нее, и, хотя в большинстве случаев это отодвинуто на второй план, это все еще важная часть головоломки.

Если температура водяной рубашки EKO опускается ниже установленной температуры — в настоящее время 140F — печь на ископаемом топливе включается автоматически.Помимо прочего, это означает, что мы можем отправиться в отпуск, не беспокоясь о замерзших трубах.

На фото 4 показаны части систем управления и безопасности. Зеленая бирка висит рядом с предохранительным клапаном. Если котел перегреется, этот клапан откроется и вода выльется на пол.

4: предохранительный клапан, циркуляционный насос, переключатель насоса

Красный циркуляционный насос появляется в центре фотографии. Зеленая рамка в верхнем левом углу активирует циркуляционный насос, когда водяная рубашка котла достигает порогового значения, установленного в настоящее время на 160F, а затем поддерживает его, пока температура воды не упадет ниже 140F, после чего масляная горелка снова включится.Если EKO работает непрерывно, циркуляционный насос EKO может работать и работает в течение нескольких дней, полностью отключая масляную горелку.

5: датчик и высокотемпературное отключение

На фото 5 показан датчик, установленный непосредственно на водяной рубашке котла через отверстие, просверленное в верхней крышке. Его сигнал поступает на цифровой контроллер, показанный на фото 7, который приводит в действие переключатель насоса на фото 4. Он также управляет защитным отключением, показанным в нижней части фото 5, которое отключит котел (электрически), если его температура превысит 210F.

На фото 6 вы видите панель управления EKO. Диск управляет уставкой, которая в настоящее время установлена ​​на 165F. Поскольку текущая температура на этой фотографии ниже этой, EKO работает в режиме газификации. Как только он достигает заданного значения, он возвращается в режим ожидания.

6: панель управления eko

Здесь есть множество пунктов меню, но пока мне оставалось только повозиться с уставкой и управлением вентилятором. Газификация происходит за счет нисходящего потока, который засасывает древесный газ из топки в верхней камере вниз в нижнюю камеру, где происходит перегретое сгорание.В режиме ожидания вентилятор работает на 40% мощности. В режиме газификации он может работать от 50% до 100%. Сейчас я бегаю на 60%, если не очень холодно (10F или ниже), и в этом случае я увеличиваю до 70%.

Это не идеально. Я убираю газ, чтобы котел не перегрелся. Даже на холостом ходу выделяется минимальное количество тепла, и оно должно куда-то уходить. В идеальном сценарии вы полностью разряжаетесь в режиме 100% газификации и заряжаете большую тепловую батарею, например, изолированный резервуар для воды на 500 галлонов, а затем потребляете это накопленное тепло.Это был бы наиболее эффективный и экологически чистый способ использования EKO.

Но текущая установка уже представляла собой финансовую и логистическую проблему, поэтому, как и многие люди, я пока остановился на резервуаре для хранения. Тем временем мы думаем о продлении цепи до пристроенного сарая, где находится студия Луанн, который в настоящее время отапливается пропаном. Если мы сделаем это, мы дадим EKO больше воды для нагрева, он будет работать усерднее и будет счастливее.

7: цифровой контроллер

Есть еще одна функция безопасности, связанная с перегревом.В дополнение к предохранительному клапану и отсечке высокой температуры цифровой контроллер может активировать одну из зон дома (самую большую) и сбрасывать излишки тепла туда, даже если зона этого не требует.

Контроллер показан на фото 7. Он определяет температуру EKO, включает циркуляционный насос EKO и контролирует его отключение по высокой температуре (см. Фото 4 и 5). Он также управляет печью на ископаемом топливе, включая ее, когда вода в EKO опускается ниже 140F, и выключается, когда она поднимается выше 160F.

8: рычаг очистки теплообменника,
стержень открытия / закрытия заслонки

На фото 8 показаны только два ручных управления. Рычаг вверху слева очищает теплообменник. Вы просто перемешиваете его всякий раз, когда загружаете дрова.

Шток с шаровой ручкой открывает и закрывает заслонку. Вот он вытащен, заслонка закрыта, котел работает. Чтобы загрузить топливо, вы вдавливаете стержень, чтобы открыть заслонку, выключите вентилятор и откройте дверцу топки. Когда вы закончите, вы закрываете дверь, снова вытаскиваете стержень, чтобы закрыть заслонку, и включаете вентилятор.

9: топка верхняя

10: камера газификации нижняя

На фото 9 изображена топка. Он большой, вы можете загрузить четыре или даже пять больших охапок колотого дерева. Прорезь в нижней части соединяет верхнюю камеру, где дрова горит и выделяет газ, с нижней камерой, где происходит газификация.

На фото 10 показана камера газификации. Вы можете увидеть тот же соединительный слот здесь снизу. Помните, дрова горит в верхней камере.Некоторые любят говорить, что древесные газификаторы горят вверх дном. В верхней камере не так много тепла, а температура в дымовой трубе ниже 300 ° F. Настоящее тепло происходит в нижней камере.

11: топка в действии

12: газификатор в действии

На фотографиях 11 и 12 показаны две камеры в действии. На фото 11 я зажег дровяной камин в холодном, только что очищенном котле. Вы просто используете газету, растопку и спичку, как и в любом дровах.

На фото 12, несколько минут спустя я загрузил еще дров в верхнюю камеру, закрыл заслонку и включил вентилятор.То, что вы видите и слышите, похоже на выхлоп небольшого ракетного двигателя. На полной мощности температура приближается к 2000F.

Через пару минут после фото 12 показания на фотографиях 6 и 7 достигли 160F, масляная горелка отключилась, циркуляционный насос EKO щелкнул, и мой дровяной центральный обогреватель снова заработал.

Сегодня 11 января, и он работает с 4 декабря. Особого технического обслуживания нет. Я должен очищать золу (и вычищать креозот) еженедельно, но с тех пор, как начал, я, вероятно, делал это только три раза.На фото 13 показано все количество пепла, которое я удалил. Как видите, это немного. EKO превратил много дерева — я полагаю, к настоящему времени почти два шнура — в очень компактный объем порошкообразного пепла.

13: пять недель пепла

Два шнура? Я знаю. Хотя он горит долго — полная загрузка может длиться от восьми до двенадцати часов, в зависимости от температуры наружного воздуха — эта штука ест дрова на завтрак, обед и ужин. Я купил шесть шнуров из полусухой древесины, это только 11 января, возможно, в марте или апреле мне понадобится дополнить их немного выдержанной древесиной.

Тем не менее, я согласен с этим. Замечательно отодвинуть масляную печь на второй план. Я не экономлю столько, сколько мог бы при цене 140 долларов за баррель нефти, но я все еще экономлю. И мне кажется, что я купил страховку от колебаний цен, которые сводили меня с ума. Многие друзья заранее покупали масло по цене четыре-пятьдесят или даже пять долларов за галлон. Эта ставка окупалась каждый год, кроме этой. Я ненавидел жить с этим безумием.

При ценах на нефть в мае 2008 г. я ожидал, что это решение окупится через три или четыре года.Сейчас это маловероятно, но я не жалею о своем решении. Дом ориентирован на будущее благодаря гибкой тройке систем отопления. Есть печь на гранулах, которую я до сих пор использую весной и осенью, дровяной котел зимой и топка на жидком топливе для резервного питания и для нагрева воды летом.

Между прочим, федеральное правительство не помогло. Прошлой осенью я провел небольшое исследование, чтобы выяснить, соответствуют ли мои инвестиции в это решение налоговой льготе. Согласно energystar.gov, — это налоговых льгот для печей на биомассе.Но не в 2008 году. Мне пришлось бы подождать еще месяц, чтобы заработать 300 долларов на кредит в 2009 году. Ну что ж. EKO-Vimar, вероятно, в любом случае не предоставляет сертификата производителя.

Честно говоря, я бы предпочел жить в меньшем новом доме, в котором не нужна печь. Может быть, когда-нибудь я смогу выпотрошить и полностью изолировать этот старый дом. Но между тем, как и почти все жители Новой Англии, мне нужно что-то сжечь, чтобы пережить зиму. Большинство из нас до сих пор сжигает нефть. Но некоторые из нас возвращаются в будущее.Снова 1870 год, но с изюминкой. Мы сжигаем возобновляемую биомассу в чистых, эффективных, умных приборах и вкладываем доллары в местную экономику. Это начало.

Как это:

Нравится Загрузка …

Объяснение биомассы — Управление энергетической информации США (EIA)

Биомасса — возобновляемая энергия растений и животных

Биомасса — это возобновляемый органический материал, получаемый из растений и животных. Биомасса была крупнейшим источником общего годового U.С. Энергопотребление до середины 1800-х гг. Биомасса продолжает оставаться важным топливом во многих странах, особенно для приготовления пищи и обогрева в развивающихся странах. Использование топлива из биомассы для транспорта и производства электроэнергии расширяется во многих развитых странах в качестве средства предотвращения выбросов углекислого газа в результате использования ископаемого топлива. В 2019 году биомасса обеспечивала почти 5 квадриллионов британских тепловых единиц (БТЕ) ​​и около 5% от общего объема потребления первичной энергии в Соединенных Штатах.

Биомасса содержит накопленную химическую энергию солнца.Растения производят биомассу посредством фотосинтеза. Биомассу можно сжигать непосредственно для получения тепла или преобразовывать в возобновляемое жидкое и газообразное топливо с помощью различных процессов.

• Отходы древесины и деревообработки — дрова, древесные гранулы и щепа, древесные опилки и отходы мебельных заводов, а также черный щелок целлюлозно-бумажных комбинатов
• Сельскохозяйственные культуры и отходы — кукуруза, соя, сахарный тростник, просо, древесные растения и водоросли, а также остатки сельскохозяйственных культур и пищевых продуктов
• Биогенные материалы в твердых бытовых отходах — бумага, изделия из хлопка и шерсти, пищевые, дворовые и древесные отходы
• Навоз животных и бытовые сточные воды

Источник: по материалам Национального энергетического образовательного проекта (общественное достояние)

Источник: по материалам Национального энергетического образовательного проекта (общественное достояние)

Преобразование биомассы в энергию

Биомасса преобразуется в энергию посредством различных процессов, в том числе

• Прямое сжигание (сжигание) с выделением тепла
• Термохимическая конверсия для производства твердого, газообразного и жидкого топлива
• Химическая переработка для производства жидкого топлива
• Биологическая конверсия для производства жидкого и газообразного топлива

Прямое сжигание — наиболее распространенный метод преобразования биомассы в полезную энергию.Всю биомассу можно сжигать непосредственно для отопления зданий и воды, для получения тепла в промышленных процессах и для выработки электроэнергии в паровых турбинах.

Термохимическая конверсия биомассы включает пиролиз и газификацию . Оба являются процессами термического разложения, в которых исходные материалы биомассы нагреваются в закрытых емкостях под давлением, называемых газификаторами , при высоких температурах. В основном они различаются температурами процесса и количеством кислорода, присутствующего в процессе конверсии.

• Пиролиз включает нагрев органических материалов до 800–900 ^o F (400–500 ^o C) при почти полном отсутствии свободного кислорода. При пиролизе биомассы производятся такие виды топлива, как древесный уголь, бионефть, возобновляемое дизельное топливо, метан и водород.
• Гидроочистка используется для обработки бионефти (производимой с помощью быстрого пиролиза ) водородом при повышенных температурах и давлениях в присутствии катализатора для производства возобновляемого дизельного топлива, возобновляемого бензина и возобновляемого реактивного топлива.
• Газификация включает нагрев органических материалов до 1400–1700 ^o F (800–900 ^o C) с нагнетанием контролируемых количеств свободного кислорода и / или пара в емкость для получения газа, обогащенного монооксидом углерода и водородом, называемого синтез-газ или синтез-газ . Синтез-газ можно использовать в качестве топлива для дизельных двигателей, для отопления и для выработки электроэнергии в газовых турбинах. Его также можно обработать, чтобы отделить водород от газа, и водород можно сжигать или использовать в топливных элементах.Синтез-газ может быть дополнительно переработан для производства жидкого топлива с использованием процесса Фишера-Тропша.

Процесс химического преобразования, известный как переэтерификация , используется для преобразования растительных масел, животных жиров и жиров в метиловые эфиры жирных кислот (FAME), которые используются для производства биодизеля.

Биологическое преобразование включает ферментацию для преобразования биомассы в этанол и анаэробное сбраживание для производства возобновляемого природного газа. Этанол используется в качестве автомобильного топлива.Возобновляемый природный газ — также называемый биогазом или биометаном — производится в анаэробных варочных котлах на очистных сооружениях, а также на молочных и животноводческих предприятиях. Он также образуется на свалках твердых отходов и может улавливаться ими. Правильно очищенный возобновляемый природный газ используется так же, как ископаемый природный газ.

Исследователи работают над способами улучшения этих методов и разработки других способов преобразования и использования большего количества биомассы для получения энергии.

Сколько биомассы используется для получения энергии?

В 2019 году биомасса обеспечила почти 5 квадриллионов британских тепловых единиц (БТЕ), что составляет около 5% от общего объема потребления первичной энергии в Соединенных Штатах.Из этих 5% около 46% приходилось на древесину и древесную биомассу, 45% приходилось на биотопливо (в основном этанол) и 9% приходилось на биомассу в городских отходах.

Суммы в триллионах британских тепловых единиц (ТБТЕ) и процентные доли от общего потребления энергии биомассы в США по секторам-потребителям в 2019 году составили

На промышленность и транспорт приходится наибольшая доля энергии с точки зрения содержания энергии и наибольшая процентная доля от общего годового потребления биомассы в США.В деревообрабатывающей и бумажной промышленности биомасса используется в теплоэлектроцентралях для производства тепла и электроэнергии для собственных нужд. На жидкое биотопливо (этанол и дизельное топливо на основе биомассы) приходится большая часть потребления биомассы транспортным сектором.

В жилом и коммерческом секторах для отопления используются дрова и древесные гранулы. Коммерческий сектор также потребляет, а в некоторых случаях продает возобновляемый природный газ, произведенный на муниципальных очистных сооружениях и на свалках отходов.

В электроэнергетике используются отходы древесины и биомассы для производства электроэнергии для продажи другим секторам.