Энергетическое использование биомассы древесины

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
ДРЕВЕСНОЙ
БИОМАССЫ

А.Б. ЛЕВИН
Ю.П. СЕМЕНОВ
В.Г. МАЛИНИН
А.В. ХРОМЕНКО

Рекомендовано
 УМО по образованию в области лесного дела 
в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлениям подготовки бакалавриата 
35.03.02 «Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств» 
и магистратуры 35.04.02 «Технология лесозаготовительных 
и деревоперерабатывающих производств»

Москва
ИНФРА-М
2021

УЧЕБНИК

Под редакцией кандидата технических наук А.Б. Левина

УДК 674.8(075.8)
ББК 37.1я73
 
Л36

Левин А.Б.
Энергетическое использование древесной биомассы : учебник / 
А.Б. Левин, Ю.П. Семенов, В.Г. Малинин, А.В. Хроменко ; под ред. 
канд. техн. наук А.Б. Левина. — Москва : ИНФРА-М, 2021. — 199 с.  — 
(Высшее образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737/17634.

ISBN 978-5-16-011408-8 (print)
ISBN 978-5-16-103851-2 (online)
Учебник содержит сведения об образовании и использовании древесной 
биомассы для производства энергии. Предназначен для изучения курса «Энергетическое использование древесной биомассы», а также подготовки выпускных 
квалификационных работ и магистерских диссертаций.
Содержание соответствует требованиям Федерального государственного 
образовательного стандарта высшего образования последнего поколения.
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям 
подготовки академического и прикладного бакалавриата 35.03.02 и магистратуры 35.04.02 «Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих 
производств».  

УДК 674.8(075.8)
ББК 37.1я73

Л36

Р е ц е н з е н т ы :
Рудобашта С.П., д-р техн. наук, профессор кафедры «Теплотехника, гидравлика и энергообеспечение предприятий» Института механики и энергетики 
им. В.П. Горячкина (ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет – МСХА им. К.А. Тимирязева»);
Рыкунин С.Н., д-р техн. наук, профессор кафедры «Древесиноведение и технология деревообработки» факультета механической и химической технологии 
древесины (ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет леса»)

ISBN 978-5-16-011408-8 (print)
ISBN 978-5-16-103851-2 (online)

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

Подписано в печать 12.02.2016. 
Формат 6090/16. Бумага офсетная. Гарнитура Newton. 
Печать цифровая. Усл. печ. л. 12,44.
ПТ10.
ТК 466700-534572-120216

Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

© Левин А.Б., Семенов Ю.П., 
Малинин В.Г., Хроменко А.В., 2016

Авторский коллектив

Левин Андрей Борисович, кандидат технических наук, профессор кафедры электротехники, теплотехники и энергоснабжения предприятий лесопромышленного комплекса Московского государственного университета леса 
(предисловие; гл. 1, 3, 9, 11).

Семенов Юрий Павлович, доктор технических наук, профессор кафедры электротехники, теплотехники и энергоснабжения предприятий лесопромышленного комплекса Московского государственного университета леса 
(гл. 4, 6–8).

Малинин Вячеслав Григорьевич, кандидат технических наук, профессор кафедры 
электротехники, теплотехники и энергоснабжения предприятий лесопромышленного комплекса Московского государственного университета леса 
(гл. 2, 10, 12).

Хроменко Андрей Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры 
электротехники, теплотехники и энергоснабжения предприятий лесопромышленного комплекса Московского государственного университета леса 
(гл. 5). 

ПРЕДИСЛОВИЕ

Развитие человеческой цивилизации сопровождается ускоренным 
ростом потребления энергии. Это обусловлено стремлением к более 
высоким стандартам жизни и расширением использования машин 
во всех видах деятельности человека. В настоящее время основным 
источником энергии является энергия ископаемых топлив: нефти, 
газа, каменного угля, урана.
Очевидно, что запасы этих источников энергии ограничены и 
рано или поздно будут исчерпаны, поскольку сроки, за которые они 
накапливаются в недрах Земли, намного превышают длительность 
истории человечества. Скорость исчерпания ископаемых источников 
энергии превышает скорость их образования в десятки, если не в 
сотни миллионов раз.
Уже сейчас приходится разрабатывать сложно извлекаемые, а следовательно, более дорогие энергоресурсы — сланцевые газ и нефть, 
песчаную нефть, нефть шельфовых месторождений. В связи с этим 
в последние два десятилетия все больший интерес и все большие 
инвестиции направлены в сторону использования возобновляемых 
источников энергии (ВИЭ). В это же время возникло опасение, что 
интенсивные выбросы диоксида углерода, образующегося при сжигании ископаемых топлив, могут повысить содержание парниковых 
газов в атмосфере Земли и привести к неблагоприятным изменениям 
климата.
Декларация ООН по окружающей среде и развитию (1992 г.), Рамочная конвенция ООН об изменении климата (1992 г.) и Киотский 
протокол к ней (1997 г.) провозгласили принцип адекватного удовлетворения потребностей нынешних и будущих поколений в области 
развития и сохранения окружающей среды. Это означает, что энергетика будущего не может обойтись без энергосбережения и увеличения использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ).
Согласно Федеральному закону от 26.03.2003 № 35-ФЗ (ред. от 
13.07.2015) «Об электроэнергетике», к возобновляемым источникам 
энергии относятся: энергия солнца, энергия ветра, энергия вод 
(энергия течений, приливов, волн), геотермальная энергия, низкопотенциальная тепловая энергия земли, воздуха, воды, биомасса, 
включающая в себя специально выращенные для получения энергии 
растения, в том числе деревья, биогаз, газ, выделяемый отходами 
производства и потребления на свалках, газ, образующийся на 
угольных разработках.
На разных территориях потенциал производства энергии с использованием различных ВИЭ различен. Выделяют три потенциала: 

технический (возможный с точки зрения законов природы и вида 
техники), экономический (позволяющий получить энергию с невысокой себестоимостью) и промышленный (возможный с применением наличного оборудования и приемлемых капиталовложений). 
Согласно достоверным оценкам, доли современного промышленного потенциала в России составляют:
 
• малые ГЭС (до 25 МВт) — 3%;
 
• ветряные электростанции (ВЭС) — 28%;
 
• геотермальные электростанции (ГеоЭС) — 17,5%;
 
• тепловые электростанции на биомассе (БиоТЭС) — 39,5%;
 
• приливные электростанции (ПрЭС) — 7%;
 
• солнечные электростанции (СЭС) — 5%.
Приведенные данные убедительно свидетельствуют, что для 
России наиболее актуально получение энергии с использованием 
биотоплива.
Биотопливо производится из биомассы — веществ органического 
происхождения, исключая вещества, залегающие в геологических 
формациях и превратившиеся в ископаемые топлива. Основными 
источниками биомассы являются лесное хозяйство и лесная промышленность и сельское хозяйство. Обе отрасли экономики достаточно хорошо развиты на территории России. Настоящий учебник 
посвящен вопросам полного и эффективного использования древесной биомассы для производства энергии.
Первым подобного рода пособием для студентов вузов в нашей 
стране было учебное пособие «Лесная биоэнергетика», написанное 
международным коллективом авторов в рамках Российско-шведской 
программы сотрудничества в лесном секторе. Первое издание вышло 
в 2008 г., второе — в 2010 г. Со шведской стороны участником программы был Шведский сельскохозяйственный университет (SLU). 
C российской стороны участвовали Московский государственный 
университет леса (МГУЛ), Санкт-Петербургская государственная 
лесотехническая академия им С.М. Кирова (СПбГЛТА), Астраханский государственный технический университет (АГТУ). Координатором с российской стороны и редактором пособия был профессор, 
д-р техн. наук Ю.П.Семенов.
В работе над представляемым вниманию читателей учебником 
авторами в полной мере использовался опыт, приобретенный при 
написании курса «Лесная биоэнергетика». В новой работе были учтены изменения в нормативной базе, регулирующей отношения в 
энергетике и лесном секторе экономики. Также авторам пришлось 
сократить объем излагаемого материала в связи с переходом высшего 
образования в России на двухступенчатую систему и изменениями 
учебных планов. По той же причине в учебнике рассматриваются 
некоторые вопросы основ энергообеспечения предприятий, ранее 

традиционно обсуждавшиеся в курсах «Теплоснабжение предприятий» или «Теплосиловые установки».
Авторы стремились выбрать такой материал, который позволил 
бы студентам овладеть компетенциями, предусмотренными ФГОС 
ВПО по направлению подготовки «Технология лесозаготовительных 
и деревоперерабатывающих производств» от 20 октября 2015 г., зарегистрированного Минюстом РФ 9 ноября 2015 г. (рег. № 39636).
При этом в соответствии с учебным планом дисциплины особое 
внимание было уделено приобретению обучающимися профессиональных компетенций ОПК-3, ОПК-4 и профессиональных компетенций ПК-4, ПК-13.
Успешно освоивший курс студент должен:
знать:
 
• научные и методологические основы энергетического использования древесной биомассы как естественнонаучной дисциплины;
 
• значение и место энергетического использования древесной 
биомассы как отрасли науки о древесине, по законам которой 
действуют системы технологического оборудования и механизмы, позволяющие высвободить и использовать запасенную 
в биомассе древесины солнечную энергию;
 
• значение энергетического использования древесной биомассы 
для повышения эффективности лесного сектора экономики;
 
• основные физические свойства различных видов древесной 
биомассы (стволовой древесины, ветвей кроны, коры, листвы 
и хвои, позволяющие использовать ее в качестве источника 
энергии;
 
• основные законы физических и химических преобразований 
органического вещества древесной биомассы в энергию и /или 
энергоносители;
 
• теоретические основы, устройство и принцип действия различных систем, предназначенных для энергетического использования древесной биомассы;
 
• связь теплоэнергетических установок с проблемой защиты 
окружающей среды;
уметь:
 
• выбирать и рассчитывать рациональные системы преобразования и использования энергии;
 
• рассчитывать теплоту сгорания, теоретически необходимый 
расход воздуха, объем и энтальпию продуктов сгорания древесной биомассы;
 
• составлять баланс потребности в теплоте и ресурсов древесного топлива для предприятия;

 
• выбирать оптимальные технологии энергетического использования древесной биомассы;
владеть:
 
• принципами и методами теплотехнических и технико-эксплуатационных расчетов различных систем и устройств, преобразующих запасенную в древесной биомассе энергию в теплоту 
и/или электроэнергию;
 
• приемами постановки инженерных задач энергетического использования древесной биомассы для решения их коллективом специалистов различных направлений;
иметь представление:
 
• о технологических и тепловых схемах котельных и ТЭС;
 
• о преимуществах и недостатках технологий и энергетического 
оборудования, применяемых при энергетическом использовании древесной биомассы;
 
• об экологических аспектах энергетического использования 
биомассы древесины;
 
• о механизмах Киотского протокола к рамочной Конвенции 
ООН о проблемах климата и других международных актах в 
области биоэнергетики, действующих в России; о национальных нормативных актах Российской Федерации в области 
биоэнергетики.

Материал учебника подготовили авторы — преподаватели МГУЛ:
главы 1, 3, 9, 11 — профессор, канд. техн. наук А.Б. Левин;
главы 2, 10, 12 — профессор, канд. техн. наук В.Г. Малинин;
главы 4, 6, 7, 8 — профессор, д-р техн. наук Ю.П. Семенов;
главу 5 – доцент, канд. техн. наук А.В. Хроменко.
Общая редакция осуществлена профессором кафедры электротехники, 
теплотехники и энергоснабжения МГУЛ, канд. техн. наук А.Б. Левиным.
Авторы и издательство воспримут с благодарностью все замечания и 
предложения по совершенствованию учебника. Просьба направлять их по 
адресу: 141005, Московская обл., г. Мытищи, 1-я Институтская, 1, кафедра 
электротехники, теплотехники и энергоснабжения или е-mail: caf-teploteh@
mgul.ac.ru.

Глава 1 
ЭнЕРГЕтИчЕСкИЕ РЕСуРСы бИОмАССы ЛЕСОВ 
И ЛЕСнОГО СЕктОРА ЭкОнОмИкИ мИРА

По стандарту ЕС лес — это деревья, другие растения и животные 
на территории площадью более 0,5 га с деревьями выше 5 м, с пологом, более чем на 10% укрывающим эту территорию. Лесом признается также территория, на которой указанные условия могут быть 
выполнены со временем. К лесам не относятся земли с преобладанием сельскохозяйственного или градостроительного использования.
По оценкам FAO [1.1], леса Земли занимают более 4 млрд га 
(табл. 1.1), что составляет 30% поверхности суши. Большая часть — 
это естественные леса. Лесные плантации составляют всего около 
5% площади лесов. Тропические и субтропические леса занимают 
56% площади лесов в мире, а леса умеренного и арктического поясов — 44%. Среднемировое значение плотности биомассы в лесах 
составляет 148 т/га.
В России площадь лесов примерно равна 809 млн га. Наша страна 
возглавляет десятку государств с наибольшей площадью лесов. За 
ней следуют Бразилия — 520 млн га, Канада — 310 млн га, США — 
304 млн га, Китай — 207 млн га.
Средняя площадь лесов, приходящаяся на душу населения, меняется от 6,6 га/чел. в Океании до 0,2 га/чел. в Азии. В Европе в 
среднем эта величина составляет 1,4 га/чел., в скандинавских 
странах — 3,4 га/чел. Возможный вклад лесов в энергетику сильно 
отличается для разных регионов. Сильно отличаются и условия доступа к лесным ресурсам, что особенно сказывается на возможности 
производства древесного топлива с улучшенными потребительскими 
свойствами.
Суммарный объем древесной биомассы над земной поверхностью 
оценивается в 600 млрд т. Распределение древесной биомассы по 
регионам мира представлено в табл. 1.1. Значительная часть этих 
ресурсов сосредоточена в Южной Америке. На долю России приходится около 22% мировых запасов лесной биомассы.
Лесная биомасса, состоящая в основном из биомассы древесины, — важнейший самовозобновляемый природный ресурс, используемый человечеством с момента возникновения.Лес долгие 
тысячелетия кормил, одевал, обогревал людей. Современная эксплуатация мировых лесов превратилась в мощную индустрию — 
лесную промышленность, которая кроме сырья для множества видов 

Таблица 1.1
Леса регионов мира в 2010 г. [1.1]

Регион
Площадь лесов
Запас биомассы лесов

млн га
% от общей площади лесов
млрд т
т/га

Восточная и Южная Африка
268
7
33,4
124,8

Северная Африка
78
2
3,7
47,1

Западная и Центральная Африка
328
8
81,6
248,7

Африка — всего
674
17
48,7
176,0

Восточная Азия
255
6
18,4
72,4

Южная и Юго-Восточная Азия
294
7
51,9
176,4

Западная и Центральная Азия
44
1
3,5
80,5

Азия — всего
593
14
73,9
124,7

Российская Федерация
809
20
65,0
–

Европа без РФ
196
5
25,6
130,7

Европа — всего
1005
25
90,6
90,2

Карибский регион
7
0
1,1
157,5

Центральная Америка
19
0
3,7
190,5

Северная Америка
679
17
76,9
113,3

Северная и Центральная Америка – всего
705
17
81,7
115,9

Океания
191
5
21,3
111,3

Южная Америка
864
21
213,9
247,4

Мир
4033
100
600,1
148,8

лесобумажной продукции производит и древесное топливо — необходимое условие существования и развития биоэнергетики.
Глобальное годовое производство круглой древесины превышает 
3,5 млрд м3. В 2012 г. более половины этого объема (1,87 млрд м3)
составляли дрова, 75% которых заготавливаются и потребляются в 
развивающихся странах Африки и Азии, главным образом в виде 
колотых дров [1.2]. И напротив, производство двух третей деловой 
древесины сосредоточено в развитых лесоиндустриальных странах 
Европы и Северной Америки. Переработка этой части деловой древесины сосредоточена там же. Распределение производства основных видов лесобумажной продукции по регионам мира представлено в табл. 1.2.

Таблица 1.2
мировое производство основной лесобумажной продукции, млн м3 [1.2]

Регион
Деловая 
древесина

Пиломатериалы

Плиты 
и 
фанера

Древесная 
масса и 
целлюлоза

Бумага 
и 
картон

Древесное
 топливо

Африка
69
9
2
4
3
644

Азия
и Океания
385
114
44
117
86
762

Европа и 
РФ
502
140
74
102
105
130

Северная 
Америка
472
107
44
117
86
13

Южная
и Центральная 
Америка

228
43
18
32
20
280

Мир
1660
413
301
399
400
1870

При переработке не менее 40% древесины превращается в первичные и вторичные отходы. Эти отходы могут использоваться 
только как источник энергии — непосредственно при сжигании или 
в виде топлива с улучшенными потребительскими свойствами, например в виде пеллет, брикетов, генераторного газа или жидких 
топлив. Таким образом, дрова и отходы — 70…75% мировой заготовки древесины — представляют собой потенциальный возобновляемый источник энергии. К этому нужно добавить отходы лесозаготовок и лесного хозяйства, которые включают крону деревьев и