ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ОТ ВНЕДРЕНИЯ ГИБРИДНЫХ ЭНЕРГОКОМПЛЕКСОВ НА РАСТИТЕЛЬНОМ БИОТОПЛИВЕ: КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА СНИЖЕНИЯ ВЫБРОСОВ СО2, АНАЛИЗ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА ЭНЕРГОУСТАНОВОК, СООТВЕТСТВИЕ СТАНДАРТАМ «ЗЕЛЁНОЙ» ЭНЕРГЕТИКИ

THE ECOLOGICAL EFFECT OF THE INTRODUCTION OF HYBRID ENERGY COMPLEXES BASED ON PLANT BIOFUELS: QUANTIFICATION OF CO2 EMISSIONS REDUCTION, LIFE CYCLE ANALYSIS OF POWER PLANTS, COMPLIANCE WITH GREEN ENERGY STANDARDS

Karimova Nailya Anvarovna,

student, Kazan State Power Engineering University,

Kazan, Russia

Shaygardanov Daniyar Ildarovich,

student, Kazan State Power Engineering University,

Kazan, Russia

Maslov Igor Nikolaevich,

Scientific Supervisor, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of Mechanical Engineering, Technology and Standardization, Kazan State Power Engineering University,

Russia, Kazan

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается гибридные энергокомплексы на базе растительного биотоплива и систематизирует их концепции. Также рассматриваются методики количественной оценки снижения выбросов CO2 по жизненному циклу и в условиях эксплуатации. Раскрывается вклад биотоплива на каждом этапе жизненного цикла — от добычи сырья до утилизации оборудования. Показан значительный потенциал снижения выбросов при оптимизации состава энергоузлов и региональных особенностей цепочек поставок. Анализируются сценарии совместной работы возобновляемых источников и традиционных генераторов и их экологические эффекты. Рассматриваются требования международных и национальных стандартов к экологической эффективности и прозрачности отчетности.

ABSTRACT

The article examines hybrid energy complexes based on plant biofuels and systematizes their concepts. Methods for quantifying the reduction of CO2 emissions over the life cycle and under operating conditions are also considered. The contribution of biofuels at each stage of the life cycle is revealed — from the extraction of raw materials to the disposal of equipment. A significant potential for reducing emissions is shown when optimizing the composition of energy hubs and regional supply chain features. Scenarios of joint operation of renewable sources and traditional generators and their environmental effects are analyzed. The requirements of international and national standards for environmental efficiency and transparency of reporting are considered.

Ключевые слова: выбросы, энергоустановка, биотопливо, стандарты, повышение эффективности.

Keywords: emissions, power plant, biofuels, standards, efficiency improvement.

Переход к гибридным энергокомплексам, функционирующим на растительном биотопливе, представляет собой стратегически важное направление в декарбонизации энергетического сектора с глубоким многогранным экологическим эффектом. Фундаментальным отличием и ключевым преимуществом данной технологии является ее углеродная нейтральность, которая коренным образом меняет глобальный углеродный цикл. В отличие от ископаемых видов топлива, при сжигании биотоплива высвобождается лишь тот биогенный углерод, который был аккумулирован растениями в процессе фотосинтеза в течение их жизненного цикла. Таким образом, создается замкнутый цикл углерода, где выбросы от сгорания компенсируются поглощением CO2 при выращивании новой биомассы, что предотвращает увеличение концентрации парниковых газов в атмосфере.

Для комплексной количественной оценки снижения выбросов CO2 необходим скрупулезный анализ полного жизненного цикла гибридного комплекса — от стадии выращивания сырья до утилизации оборудования — и его сопоставление с традиционными энергосистемами, основанными на угле или природном газе. Прямые выбросы от сжигания растительного топлива часто не учитываются в национальных кадастрах парниковых газов, поскольку считаются углеродно-нейтральными. Однако для получения объективных данных необходимо учитывать все косвенные выбросы, связанные с агротехническими практиками. Сюда входят производство и внесение азотных удобрений, которые вызывают эмиссию закиси азота, обработка почвы, использование сельскохозяйственной техники на дизельном топливе, орошение, транспортировка и переработка сырья.

Расчеты демонстрируют, что прямая замена угля на стандартизированное биотопливо в гибридной установке позволяет сократить прямые выбросы CO2 на 85–95%. При этом в оптимизированном сценарии, который предполагает использование местной биомассы, минимальную обработку почвы и применение возобновляемой энергии в цепочке поставок, чистая экономия выбросов на протяжении всего жизненного цикла может достигать 75–90% по сравнению с угольной генерацией. Существенное влияние на итоговый экологический эффект оказывает выбор типа используемой биомассы. Например, многолетние энергетические культуры, такие как мискантус, просо прутьевидное или быстрорастущие виды ив, демонстрируют не только более высокую продуктивность и эффективность секвестрации углерода на единицу площади, но и оказывают положительное влияние на биоразнообразие и состояние почв по сравнению с использованием некоторых сельскохозяйственных отходов.

Отдельного внимания заслуживает потенциал углерод-негативной генерации при комбинировании производства энергии на биотопливе с технологиями улавливания и хранения углерода. Этот подход позволяет не только избежать выбросов CO2, но и перманентно извлекать его из атмосферы, создавая отрицательный углеродный след. Дополнительный положительный вклад в снижение углеродного следа вносит синергетическая интеграция гибридных биотопливных комплексов с системами накопления энергии. Это позволяет оптимизировать режим генерации, сглаживать пиковые нагрузки и минимизировать необходимость в резервных мощностях на ископаемом топливе, повышая тем самым общую эффективность и надежность энергосистемы.

Количественная оценка также должна учитывать региональные особенности и специфику землепользования. Изменение углеродного запаса в почвах при переходе на выращивание энергетических культур является критически важным фактором, который может значительно варьироваться в зависимости от предыдущего использования земель и применяемых агротехнологий. Таким образом, масштабирование подобных систем при условии соблюдения принципов устойчивого развития способно внести весомый вклад в достижение национальных и глобальных климатических целей, обеспечивая значительное, измеримое и долгосрочное сокращение концентрации парниковых газов в атмосфере и способствуя переходу к циркулярной низкоуглеродной экономике.

Анализ жизненного цикла энергоустановок на растительном биотопливе представляет собой комплексный метод оценки, направленный на определение совокупного воздействия объекта на окружающую среду от стадии получения сырья до утилизации. Этот подход позволяет выявить скрытые экологические издержки и объективно сравнить биотопливные системы с другими видами генерации. Основой методологии являются международные стандарты, такие как ISO 14040, которые регламентируют проведение исследования в несколько взаимосвязанных этапов.

Первым и наиболее значимым этапом является стадия производства сырья, включающая сельскохозяйственные практики. На данном этапе ключевыми факторами воздействия становятся землепользование, применение минеральных удобрений и пестицидов, потребление воды для орошения и работа сельскохозяйственной техники. Например, изменение характера землепользования, такое как преобразование природных экосистем под плантации энергетических культур, может привести к значительным первоначальным выбросам углерода, хранящегося в почве и биомассе, создавая так называемую «углеродную задолженность». Энергозатраты на синтез азотных удобрений и эмиссия закиси азота с сельскохозяйственных полей часто составляют существенную долю в общем балансе парниковых газов жизненного цикла.

Последующая стадия — логистика и переработка биомассы — также вносит весомый вклад в общую нагрузку. Транспортировка объемного и часто обладающего низкой удельной энергоемкостью сырья от места выращивания к заводу по переработке требует значительных энергозатрат. Сами процессы переработки, будь то гранулирование, брикетирование или пиролиз, потребляют тепловую и электрическую энергию, источник которой напрямую влияет на итоговые показатели. Использование ископаемого топлива для сушки или прессования биомассы может нивелировать существенную часть экологических преимуществ конечного продукта.

Стадия непосредственной эксплуатации энергоустановки характеризуется относительно низким прямым воздействием, поскольку выбросы от сжигания биотоплива считаются углеродно-нейтральными. Однако уровень эффективности установки напрямую определяет количество сырья, необходимого для производства единицы энергии, а значит, косвенно влияет на нагрузку, созданную на предыдущих стадиях. Более высокая эффективность преобразования приводит к пропорциональному снижению экологического следа, связанного с сельским хозяйством и логистикой.

Завершающая стадия жизненного цикла — демонтаж и утилизация оборудования — обычно вносит наименьший вклад в общее воздействие, но ее необходимо учитывать для полноты картины. При этом анализ жизненного цикла не ограничивается учетом только парниковых газов, он должен включать и другие категории воздействия, такие как подкисление почвы и водоемов, эвтрофикация, фотохимическое смогообразование и использование земельных ресурсов.

Результаты анализа жизненного цикла демонстрируют, что экологическая эффективность энергоустановок на биотопливе крайне неоднородна и сильно зависит от конкретных технологических цепочек и региональных условий. Устойчивость всей системы определяется не на одной стадии, а складывается из множества факторов, где оптимизация каждого звена — от агротехники до конечного КПД — является критически важной для достижения положительного экологического баланса.

Соответствие энергоустановок на растительном биотопливе международным стандартам «зелёной» энергетики является комплексным и многогранным процессом, выходящим далеко за рамки простого соответствия формальным критериям углеродной нейтральности. Ключевые стандарты, такие как Европейская директива по возобновляемым источникам энергии RED II, устанавливают жёсткие требования к минимальному сокращению выбросов парниковых газов по всему жизненному циклу по сравнению с ископаемым аналогом. Для биотопливных систем этот порог часто превышает 65-70%, что делает обязательным проведение детального анализа жизненного цикла и внедрение передовых агротехнических и производственных практик для достижения таких показателей.

Практическим выводом из этого требования является необходимость создания прозрачной и верифицируемой системы сертификации всей цепочки поставок — от происхождения сырья до конечного потребителя энергии. Это подразумевает обязательный учёт косвенных изменений в землепользовании, которые могут свести на нет все экологические преимущества проекта. Устойчивость биомассы должна подтверждаться не только документально, но и через системы независимого мониторинга, что на практике приводит к необходимости тесного сотрудничества между энергетическими компаниями, сельхозпроизводителями и сертифицирующими органами.

Другим критически важным аспектом соответствия является соблюдение экологических и социальных критериев при выращивании энергетических культур. Стандарты устойчивости требуют сохранения биоразнообразия, защиты ценных экосистем и соблюдения прав местного населения. Практическим следствием для разработчиков проектов становится интеграция принципов агроэкологии — внедрение севооборотов, использование малопродуктивных земель, отказ от сведения лесов и сохранение природного ландшафта. Это не только минимизирует экологические риски, но и укрепляет социальную приемлемость проекта, что является ключевым фактором для его долгосрочного успеха.

С технической точки зрения соответствие стандартам диктует необходимость постоянного технологического совершенствования. Повышение эффективности как самих энергоустановок, так и сопутствующих процессов — логистики, переработки, применения побочных продуктов — становится не вопросом выбора, а обязательным условием конкурентоспособности. Интеграция биотопливных установок в гибридные системы с другими ВИЭ и накопителями энергии позволяет создать более стабильные и надёжные энергокомплексы, соответствующие критериям «зелёной» энергетики по предсказуемости и качеству поставок энергии.

Ключевым практическим выводом для инвесторов и регуляторов является понимание того, что истинная устойчивость биоэнергетики достигается только при системном подходе. Локальные решения, направленные на оптимизацию лишь одного этапа жизненного цикла, оказываются недостаточными. Только комплексное управление всей цепочкой создания стоимости — от выбора семян и методов земледелия до современных технологий сжигания и утилизации золы — позволяет гарантировать соответствие жёстким стандартам и обеспечить реальный вклад в декарбонизацию. Таким образом, будущее энергоустановок на растительном биотопливе лежит не в их изолированном применении, а в качестве неотъемлемого элемента интегрированной, диверсифицированной и технологически продвинутой системы возобновляемой энергетики.

Список литературы:

1. Чернышёв, А. Б. Биоэнергетика: технологии, анализ жизненного цикла, экологическая эффективность / А. Б. Чернышёв, В. И. Маслов. — Москва: Издательство "Академия Естествознания", 2019. — 304 с.
2. Харитонов, С. В. Устойчивая энергетика: оценка выбросов парниковых газов / С. В. Харитонов. — Санкт-Петербург: Профессия, 2020. — 258 с.
3. Фомин, Г. С. Экологический менеджмент и стандарты "зелёной" энергетики / Г. С. Фомин. — Москва: Инфра-Инженерия, 2018. — 192 с.
4. Погорелов, Д. О. Экологическая оценка биоэнергетических технологий: анализ жизненного цикла и углеродный след / Д. О. Погорелов. — Красноярск: СФУ, 2021. — 210 с.
5. Кузяев, И. Р. Гибридные энергокомплексы на биотопливе: теория и практика / И. Р. Кузяев, М. С. Орлова. — Екатеринбург: УрО РАН, 2021. — 175 с.
6. Максимов С.П., Маслов И.Н., Маслова Г.Д. Использование различных видов топлива на современных электрических станциях для повышения КПД и снижения выбросов в атмосферу // Международная научно-техническая конференция молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова, посвященная 170-летию со дня рождения В.Г. Шухова. Белгород, 2023. С. 166-169.