Straipsnis Miško biokuro išteklių potencialo ir gamybos modeliavimas

  • Bibliografinis aprašas: Eugenija Farida Dzenajavičienė, Vaclovas Kveselis, Matas Tamonis, „Miško biokuro išteklių potencialo ir gamybos modeliavimas“, @eitis (lt), 2016, t. 776, ISSN 2424-421X.
  • Ankstesnė laida: Eugenija Farida Dzenajavičienė, Vaclovas Kveselis, Matas Tamonis, „Miško biokuro išteklių potencialo ir gamybos modeliavimas“, Energetika, 2013, t, 59, nr. 3, p. 129–143, ISSN 0235-7208.
  • Institucinė prieskyra: Lietuvos energetikos instituto Regionų energetikos plėtros laboratorija.
Santrauka: Energijos gamyba naudojant atsinaujinančius energijos išteklius yra vienas iš Europos Sąjungos (ES) energetikos politikos prioritetų. ES siekia mažinti ekonominę priklausomybę nuo iš trečiųjų šalių importuojamo kuro ir neigiamą energetikos poveikį aplinkai mažinant CO2 emisijas. Vienas atsinaujinančių energijos išteklių yra biokuras, kurio naudojimas skatina vietinės ekonomikos augimą ir sukuria darbo vietas. Be to, energijos šaltinių diversifikavimas didina energijos tiekimo patikimumą. Iki šiol nėra sukurta patikimų įrankių – metodikų ir modelių – tiek atsinaujinančių išteklių potencialo vertinimui ir investicijų planavimui biokuro gamybos sąnaudų pagrindu, tiek ir investicijų planavimui šilumos tiekimo sektoriuje, remiantis darnaus planavimo principais ir diegiant pažangias individualaus ir centralizuoto šilumos tiekimo technologijas. Autorių pristatomame tyrime buvo sukurta biokuro gamybos potencialo ir gamybos vertinimo metodika bei atitinkamas modelis. Modeliavimas parodė, kad skiedros gamybą būtų galima padidinti 1 mln. m3/metus ir pagaminti dvigubai daugiau biokuro nei gaminama dabar panaudojant 10 % šiuo metu miške paliekamų kirtimų ir miško tvarkymo atliekų. Straipsnyje parodyta, kad visas potencialas sudarytų apie 4 250 tūkst. m3/metus biokuro. Biokuro gamybos potencialo vertinimo metodika, susiejanti potencialius biomasės išteklius biokuro gamybai konkrečioje savivaldybės teritorijoje su miško kirtimų ir miškotvarkos darbų apimtimis, ir autorių atlikta biokuro gamybos ir transportavimo sąnaudų tyrimo analizė parodė, kad svarbiausi veiksniai, lemiantys biomasės panaudojimą biokuro gamybai, yra biomasės ištraukimo iš miškų atstumas, 1 ha plote susidarančių atliekų tūris ir kuro sąnaudos bei biokuro transportavimo į katilines atstumas.

Pagrindiniai žodžiai: biokuras, modeliavimas, planavimas, gamybos sąnaudos.
 

Įvadas

Vienas iš Europos Sąjungos energetikos politikos prioritetų yra energijos gamyba naudojant atsinaujinančius energijos išteklius, leidžiančius mažinti ekonominę priklausomybę nuo iš trečiųjų šalių importuojamo kuro, ir neigiamą energetikos poveikį aplinkai sumažinant CO2 emisijas. Vienas iš Lietuvai svarbiausių atsinaujinančių energijos išteklių yra biokuras. Jo naudojimas ne tik padeda įgyvendinti ES tikslus, bet taip pat skatina ekonomikos augimą ir sukuria naujų darbo vietų bei didina energijos tiekimo patikimumą.

Atsinaujinančių išteklių energetikos (AIE) įstatymas Žr. Lietuvos Respublikos atsinaujinančių išteklių energetikos įstatymas, 2011. įpareigoja Lietuvos savivaldybes parengti ir, suderinus su Vyriausybe ar jos įgaliota institucija, tvirtinti bei įgyvendinti atsinaujinančiųjų išteklių energijos naudojimo plėtros veiksmų planus, kuriuose centralizuotas šilumos tiekimas (CŠT) vaidina svarbų vaidmenį ir leidžia panaudoti atliekinę šilumą bei atsinaujinančius energijos išteklius, tarp jų ir biokurą.

Iki šiol nėra sukurta patikimų įrankių – metodikų ir modelių – atsinaujinančių energijos išteklių potencialo vertinimui ir investicijų planavimui biokuro gamybos sąnaudų pagrindu. Straipsnyje pateikta originali miškų biomasės potencialo vertinimo metodika ir imitacinis modelis, paremtas miškų ūkio statistikos duomenimis, skirtas galimų biokuro gamybos apimčių įvertinimui atsižvelgiant į esamo potencialo panaudojimo laipsnį.

 

Biokuro gavybos, gamybos ir vartojimo mokslinių tyrimų bei praktikos raidos Lietuvoje vertinimas

Publikacijų biokuro gamybos ir naudojimo tematika analizė rodo, kad šios problemos Lietuvoje išsamiau pradėtos tyrinėti tik po 1990 m., o pagrindiniai tyrimai buvo skirti medienos kuro potencialo nustatymui ir jo panaudojimo galimybių įvertinimui.

Pirmieji tyrimai nustatė skirtingas kirtimų atliekų apimtis dėl taikytų nesuderintų normatyvų, nevienodos kirtimo atliekų struktūros bei informacijos trūkumo. Prie jų derėtų priskirti Lietuvos energetikos instituto (LEI) parengtą Lietuvos ataskaitą Europos atsinaujinančios energetikos studijai Žr. Country Report: Lithuania. The European Renewable Energy Study, 1994. ir Lahmayer International ir Cowi Consult ekspertų atliktą Lietuvos nuosavų išteklių, tinkamų energijai gaminti, apžvalgą Žr. Lahmeyer International and Cowi Consult, Review of Lithuania’s Own Energy Resources and the Scope for Utilizing them for Energy Purposes, 1994. . Čia malkų ir miškininkystės atliekų energinis potencialas, nustatytas 1 226 tūkst. ha valstybinių miškų plotui artimuoju laikotarpiu (1990–1995), buvo įvertintas 3,8 PJ (0,857 TWh), o ilgalaikėje perspektyvoje – iki 21,58 PJ (6 TWh) per metus Žr. Country Report: Lithuania. The European Renewable Energy Study, 1994. . Kadangi faktinis visas Lietuvos miškų plotas buvo apie 1,75 karto didesnis, remiantis šiais duomenimis, 1990–1995 m. metinis malkų gamybos ir miškininkystės atliekų energinis potencialas turėjo būti vertinamas 1,5 TWh, o ilgalaikėje perspektyvoje padidėti iki 10,5 TWh. Lahmayer studijoje Žr. Lahmeyer International and Cowi Consult, Review of Lithuania’s Own Energy Resources and the Scope for Utilizing them for Energy Purposes, 1994. buvo įvertinta, kad 1993 m. sunaudota 1,8 TWh medienos kuro, o prognozuojamas potencialas – 15,7 TWh/metus. Šių dviejų studijų skirtingų rezultatų priežastimi galėjo būti skirtingi įvesties duomenys (miškų plotas, biokuro šilumingumas, medienos tankis ir t. t.).

 

ES PHARE programos finansuotoje studijoje Žr. Cowi–Allplan–Etna, Lietuvos vietiniai energijos ištekliai, 1997. visų atsinaujinančiųjų energijos išteklių vartojimas 1997 m. įvertintas 3,8 TWh/metus ir prognozuojamas vartojimas – iki 15 TWh/metus, iš jų kietojo biokuro – 1 TWh/metus. Apie 0,45 TWh/metus energijos galėjo būti gaminama naudojant medieną. Palyginus su Žr. Country Report: Lithuania. The European Renewable Energy Study, 1994. , vartojimas sudarė apie 52 % pagal kirtimų apimtis apskaičiuoto potencialo. Danish Energy Management A/S parengtos studijos Žr. Danish Energy Management A/S, Atsinaujinančiųjų ir vietinių energijos išteklių naudojimo didinimas Lietuvoje, 2003. duomenimis, medienos kuro potencialas sudaro 9,8 TWh/ metus, t. y. artimas techniniam potencialui, apskaičiuotam pagal kirtimų apimtis Žr. Country Report: Lithuania. The European Renewable Energy Study, 1994. . Kiek vėliau, 2003 m., LEI-EREC parengta Europos Komisijos Altener programos finansuota studija apie atsinaujinančios energetikos politiką Lietuvoje Žr. Renewable Energy Policy Review: Lithuania. EC Altener Programme, 2004. , kurioje medienos kuro potencialas 2020 m., kaip ir Danijos ekspertų studijoje, įvertintas 9,8 TWh/metus.

Pirmųjų tyrimų išskirtinumas, kad juos pradėjo energetikai, ieškodami naujų vietinių energijos išteklių. 1999–2000 m. vykdytame bendrame Lietuvos–Švedijos projekte „Medienos panaudojimo kurui plėtra Lietuvoje“ jau dalyvavo ir miškininkų atstovai – Rokiškio urėdija. Buvo nustatyta, kad bendras medienos atliekų, tinkamų energijos gamybai, tūris yra 2,7 mln. m3 (4,17 TWh/metus), iš kurio apie 0,8 mln. m3 (1,67 TWh/metus) yra kirtimų atliekos, apie 0,8 mln. m3 (1,67 TWh/metus) – medienos pramonės pjuvenos ir drožlės. Likusi dalis, apie 1,1 mln. m3 (2,29 TWh/ metus), – malkos Žr. Miško kuro ruošos integravimas į miškų ūkį: miškininkystės, technologijų ir miško kuro ruošos ekonominių tyrimų Lietuvoje rezultatai, 2003. . Potencialiais kuro šaltiniais laikomos tiek malkos, tiek likvidinės medienos gamybos atliekos. 1990–2009 m. Lietuvos miškuose per metus buvo iškertama nuo 3 iki 5,7–6,5, 1990–2007 m. – 6,2–6,5 mln. m3 medienos. Iš jų 2009 m. buvo pagaminta ir parduota 0,623 mln. m3 (1,3 TWh), o 2007 m. – 0,442 mln. m3 (0,922 TWh) malkų.

 

Biokuro – kapotinės skiedros – pardavimų kaita pateikta 1 lentelėje Žr. Valstybinė miškotvarkos tarnyba, Lietuvos miškų ūkio statistika 2012, 2013. . Šie skaičiai rodo akivaizdžius medienos kuro gamybos pokyčius 2005–2011 m.

1 lentelė. Miško kirtimo atliekų pardavimų kaita 2005–2011 metais
Pardavimų metai2005200620072008200920102011
Pardavimų tūriai 1 000 m364,575,656,571,676,974,8155,0
Energetinė vertė GWh133,6156,6117,1148,3159,3155,0321,1

Rengiant Nacionalinę biomasės ir biokuro gamybos ir naudojimo technologijų platformos galimybių studiją malkine mediena buvo laikoma ta stiebų dalis, kuri netinka perdirbimui ir sudaro apie 15 % iškertamos miškų medienos tūrio – apie 0,9–1,0 mln. m3 per metus Žr. Nacionalinės biomasės ir biokuro gamybos ir naudojimo technologijų platformos galimybių studija, 2006. . Kauno miškų ir aplinkos inžinerijos kolegijos specialistai yra sukūrę miško kirtimo atliekų kiekio įvertinimo metodiką ir nustatę, kad kasmet visose Lietuvos urėdijose bendras kirtimo atliekų tūris, kurį galima panaudoti nedarant žalos gamtai, gali siekti iki 0,78 mln. m3 Žr. Albinas Tebėra, Medienos naudotinos kurui ištekliai ir jų apskaita, 2005; Medynų kirtimo atliekų apskaičiavimo modelis, 2007. . Yra duomenų, kad medienos kuro gamybos apimtys galėjo būti dar didesnės. Anot Lietuvos biomasės energetikos asociacijos LITBIOMA, tokio kuro buvo sunaudojama gerokai daugiau – valstybiniuose miškuose pagaminama apie 1,23 mln. m3 malkų, o privačiuose miškuose – 0,99 mln. m3, t. y. iš viso apie 2,22 mln. m3 Žr. Lietuvos atsinaujinančių energijos išteklių naudojimo skatinimo veiksmų planas 2010–2020 m., 2008. .

Aleksandro Stulginskio universiteto vertinimu, kasmet susidaro apie 2,5 mln. m3 kirtimo atliekų, tačiau realiai biokurui galima panaudoti ne daugiau kaip 1 mln. m3 Žr. Jonas Saladis, Kęstutis Armolaitis, Artūras Gedminas, Miško kirtimų atliekų išteklių ir jų paėmimo iš miško ekologinės rizikos įvertinimas ir rekomendacijų parengimas, 2008. . Medienos kuro gamybos ir vartojimo rezultatų skirtumus lemia naudotos nevienodos metodikos, tyrėjų disponuojama informacija bei medienos apdorojimo ir perdirbimo technologijų tobulėjimas.

 

Medienos kuro sunaudojimas ėmė sparčiai augti, kai mediena pradėta kūrenti centralizuoto šilumos tiekimo (CŠT) katilinėse. Padėtas deginti kokybiškai naujo tipo biokuras – medienos kapotinė skiedra, gauta susmulkinus medienos kirtimo arba perdirbimo atliekas.

Numatomi iškertamos medienos kiekiai Žr. Nacionalinės biomasės ir biokuro gamybos ir naudojimo technologijų platformos galimybių studija, 2006; Nacionalinės biomasės ir biokuro gamybos ir naudojimo technologijų platformos strateginių tyrimų planas, 2007. , kurie daugiausia lems kirtimo atliekų apimtis (2 lentelė).

2 lentelė. Miško kirtimų ir susidarančių kirtimo atliekų kiekio prognozė
LaikotarpisKirtimų apimtis
mln. m3/metus
Susidarančių kirtimo atliekų kiekis
mln. m3/metus
Atliekų energinė vertė
Twh/metus
2001–20106,30,9753,03
2011–20207,51,1252,35
2021–20308,31,2452,60

Yra ir kitokių prognozių. Lietuvos agrarinių ir miškų mokslų centro Lietuvos miškų instituto mokslininkai A. Kuliešis ir E. Petrauskas atliko 2001–2030 m. miškų medienos išteklių prognozę, pagal kurią 2025 m. kirtimų apimtys sudarys 8,94 mln. m3, o malkinės medienos gamybos apimtys vertinamos 2,68 mln. m3 (5,59 Twh) Žr. Andrius Kuliešis, „Lietuvos miškų ištekliai ir naudojimo perspektyvos, 1999. . Didesniąją šių atliekų dalį, apie 1,63 mln. m3 (5,59 TWh), sudarys medienos pramonės atliekos. Kirtimo atliekos sieks apie 1,08 mln. m3 (2,25 Twh) Žr. Lietuvos atsinaujinančių energijos išteklių naudojimo skatinimo veiksmų planas 2010–2010 m., 2008. . Kiti šio instituto specialistai, atlikę išsamią visos medienos panaudojimo kurui analizę Žr. Diana Mizaraitė, Stasys Mizaras, Liana Sadauskienė, Medienos kuro sunaudojimo kaimo vietovėse tyrimas, 2009. , nustatė, kad Lietuvoje gyventojai kasmet sukūrena po 2,2–2,5 mln. m3 malkų ir medienos pramonės atliekų, t. y. energinės sąnaudos sudaro apie 5,2 TWh per metus Žr. Artūras Gedminas, Remigijus Ozolinčius, „Kaip ir kokie miškai auginami malkoms, arba energetinė miškininkystė“, 2007. . Tai rodo, kad dalis gyventojų neperka malkų iš miškininkystės ūkio įmonių.

 

Remiantis Lietuvos energetikos statistikos duomenimis Žr. Lietuvos energetika 2011, 2012. , pastebimos biokuro gamybos ir vartojimo kaitos tendencijas pateiktos 1 pav.

1 pav. Biokuro vartojimas energijos gamybai TWh

Parodytas biokuro vartojimas (1 pav.) namų ūkiuose yra viso galutinio vartojimo dalis. Statistinis galutinis vartojimas 1990–1991 m. buvo mažesnis už vartojimą vien tik namų ūkiuose ir tik nuo 1992 m. pradėjo jį viršyti. Biokuro naudojimas augo dėl nedidelės kainos, nesudėtingos ir santykinai nebrangios deginimo technologijos, mažesnio teršalų kiekio išmetamuose degimo produktuose. Tai pagrindiniai veiksniai, lėmę pakankamai spartų biokuro gamybos augimą 1993–2011 m. Akivaizdus galutinio vartojimo padidėjimas remiasi 2009 m. tyrimo duomenimis Žr. Diana Mizaraitė, Stasys Mizaras, Liana Sadauskienė, Medienos kuro sunaudojimo kaimo vietovėse tyrimas, 2009. apie energijos suvartojimą namų ūkiuose ir gali būti siejamas su naftos bei gamtinių dujų kainų šuoliu.

 

Pateikti duomenys rodo, kad per pastaruosius 20 metų biokuro gamyba išaugo nuo 3,3 iki beveik 10,9 TWh/metus. Individualiems namams šildyti miškininkystės ūkyje pagaminama apie 2,3–2,7 TWh/metus malkinės medienos. Dar apie 5,59 TWh/metus biokuro pagamina medienos apdirbimo pramonė. Tai maždaug atitinka parodytą medienos kuro gamybos lygį 2004–2007 m. Vadinasi, į 1 pav. statistikos duomenis įtraukta tik dalis sunkiai apskaitomos gyventojų malkų saviruošos.

Biokuro gamybos procesų modeliavimas

Biokuro (medienos kapotinės skiedros) gamybos žaliava yra medienos apdorojimo atliekos, miškai, krūmai bei tam tikslui auginamos medžių plantacijos. Bendruoju atveju technologinis procesas apima:

  1. medynų ugdymą;
  2. kirtavietėse susidariusių atliekų surinkimą ir ištraukimą iki smulkinimo aikštelių;
  3. skiedros gamybą;
  4. skiedros transportavimą į tarpinius sandėlius ir pateikimą galutiniam vartotojui.

Pirmasis procesas yra aktualus tuomet, kai mediena auginama specialiose plantacijose. Medžių kirtimas (įskaitant dalinį, ekonomiškai pateisinamą kirtimo atliekų surinkimą) yra miškininkystės ūkio prerogatyva. Savivaldybių atsakomybė – biokuro poreikių planavimas bei parama formuojant jo gavybai reikalingą infrastruktūrą. Tam tikslui reikalingą informaciją savivaldybės galėtų gauti pasitelkę matematinio modeliavimo rezultatus.

 

Biokuro gamybos matematiniam modeliui sudaryti šalies ar atskiros savivaldybės lygiu būtina ši informacija: duomenys apie miškų ar jų augimui tinkamos žemės plotus, jų derlingumą, numatomas kirtimų apimtis, kelius ir kitas reikšmingas charakteristikas, o taip pat medienos kirtimo atliekų, tinkamų kuro gamybai, kiekiai, tenkinantys materialinio balanso lygtį:

\[ \mathit{SGZ}\leq \mathit{KRV}(\tau)\cdot\eta(\tau);\tag{1} \] čia SGZ(τ) – skiedros gamybos žaliavų kiekiai laikotarpiu τ mln. m3; KRV(τ) – metiniai medienos kirtimų kiekiai mln. m3; η(τ) – nukirstos medienos panaudojimo energetinėms reikmėms koeficientas.

Medienos skiedros kiekio energijos poreikių tenkinimui lygtis:

\[ \sum_{e}\mathit{SGZ}_{e}(\tau)\cdot\eta_{e}(\tau)\leq\sum_{e}\mathit{EP}_{e}(\tau);\tag{2} \] čia SGZe(τ) – skiedros gamybos žaliavų kiekiai, panaudojami e-rūšies energijos gamybai; ηe(τ) – medienos skiedros transformavimo į e-rūšies energiją koeficientas; EPe(τ) – e-rūšies energijos poreikiai.

Potencialių medienos išteklių kuro gavybai vertinimas. Lietuvos miškų plotas 1990–2010 m. didėjo. Dažniausiai miškų plotas pateikiamas procentais nuo bendro Lietuvos ploto (65,2 tūkst. km2, arba 6,52 mln. ha). Miškų ploto prognozavimui matematiniame modelyje naudojama tiesinės regresijos lygtis:

\[ \begin{align}\mathit{MPL}(\tau) & =0{,}0112 \ \text{metai}-20{,}373;\\
\tau & =\text{metai}-1990;\\
\end{align}\tag{3} \]
čia MPL – miškų plotas mln. ha.
 

Informacijos apie Lietuvos miškuose esančius medienos kiekius iki 2005 m. praktiškai nebuvo ir tik po 2005 m., kai buvo atliktas Pasaulinis miško išteklių įvertinimas (Global Forest Resources Assessment), atsirado galimybės nustatyti potencialių miško atliekų, naudotinų biokuro gavybai, kiekį Žr. FAO Global Forest Resources Assessment 2005. Lithuania: Country Report. . Jį atliko Jungtinių Tautų maisto ir žemės ūkio organizacija (FAO). Čia visa miškų biomasė buvo suskirstyta į žemės paviršiuje esančią biomasę, po žeme esančią biomasę ir sausuolių biomasę. Kiekviena biomasės kategorija buvo nustatyta naudojantis baziniais kamieninės medienos tankiais pagal medžių rūšis. Gautos gyvų šakų bei šakų, tinkamų kurui, tūrio priklausomybės nuo jį sąlygojančių parametrų – medžių skersmens, aukštingumo klasės, amžiaus, dirvožemio derlingumo ir drėgnumo.

Toks modelis, suderintas su integruoto valstybinio miškų kadastro informacine sistema, leidžia apskaičiuoti bendrą biomasės kiekį Lietuvos regionuose. Nustatytas bendras miškų biomasės kiekis šalyje yra didesnis nei 200 mln. t (įvertinant tik žemės paviršiuje esančią biomasę). Visa biomasė (antžeminė, požeminė ir sausuolių) sudaro apie 275 mln. t.

 

Miškų kirtimo apimčių ir susidarančių atliekų modelis. Turimi statistiniai kirtimų apimčių duomenys nuo 1990 m. Kiek sudėtingiau įvertinti kirtimų (KRV(τ)) struktūrą dėl pakitusios kirtimų tipų klasifikacijos. Atsižvelgiant į labai besiskiriančias kirtimo atliekų ištraukimo iš miško sąnaudas, šiame darbe apsiribota 4 kirtaviečių tipais: plynais, tarpiniais ir ugdomaisiais kirtimais, pastaruosius skaidant į dvi dalis (jaunuolynuose, kurių amžius mažesnis arba didesnis nei 10 metų). Tuomet kirtimų atliekų materialinis balansas yra:

\[ \frac{\mathit{PLK}(\tau)}{\mathit{KRV}(\tau)}+\frac{\mathit{TRK}(\tau)}{\mathit{KRV}(\tau)}+\frac{\mathit{JAT}10(\tau)}{\mathit{KRV}(\tau)}+\frac{\mathit{JAT}20(\tau)}{\mathit{KRV}(\tau)}=1;\tag{4} \] čia KRV – kirtimų kiekiai mln. m3; PLK – plynų kirtimų atliekos mln. m3; TRK – tarpinių kirtimų atliekos mln. m3; JAT10 – jaunuolynų iki 10 metų amžiaus kirtimo atliekos mln. m3; JAT20 – jaunuolynų per 10 metų amžiaus kirtimo atliekos mln. m3; t – laikotarpis metais. Panaudoję santrumpas (4) lygtyje esantiems nariams, turime:
\[ \sum_{i}a_{i}=a_{1}(\tau)+a_{2}(\tau)+a_{3}(\tau)+a_{4}(\tau)=1.\tag{5} \]
 

Miškuose iškertama biomasė susideda iš likvidinės ir nelikvidinės medienos, tačiau jos panaudojimo biokuro gamybai vertinimams tokio suskirstymo nepakanka. Likvidinė mediena yra žaliava medienos apdirbimo pramonei, kurui (malkoms) bei kitoms reikmėms. Vystantis technologijoms, malkinė mediena tapo žaliava popieriaus pramonei (popiermalkės), baldų pramonei (medienos drožlių plokštės), aukštesnės kokybės kuro (granulių, briketų) gamybai. Kadangi tam tikra dalis likvidinės medienos (malkos) visada buvo ir tebenaudojama kurui, medienos naudojimo energetikai plėtra turėtų būti siejama su nelikvidinės medienos panaudojimu. Tradiciškai miškų kirtimo veikla apibūdinama tik naudingai panaudojamos (likvidžios) medienos rodikliais pamirštant miškuose paliktas atliekas. Neretai pateisinamas kuo didesnio atliekų kiekio palikimas miškuose, motyvuojant miškų dirvožemio kokybės gerinimu, valksmų stiprinimu ar bioįvairovės išsaugojimu. Iš nederlingų miškų kirtimo išvežti atliekas draudžia Pagrindinės miško kirtimo taisyklės. Be to, visų atliekų surinkimas ir panaudojimas biokurui nepateisintų išlaidų. Atliekų susidarymą siejant su kirtimų apimtimis kirtimų balanso lygtį galima užrašyti taip:

\[ \mathit{KRV}(\tau)=\mathit{KR}_{APS}(\tau)+P_{POT}(\tau);\tag{6} \] čia KRV – medienos kirtimų apimtys mln. m3; KRAPS – apskaitomos medienos kirtimų apimtys mln. m3; KRPOT – potencialios kirtimų atliekų apimtys mln. m3; τ – laikotarpis metais.

Kadangi iškertamos medienos apskaita tvarkoma tik likvidžiai medienai, savaime suprantama, kad likusi nelikvidinės medienos dalis gali būti įvertinta tik teoriškai, remiantis esamais tyrimais. Taigi, potenciali miško medienos dalis, kurią būtų galima panaudoti energetikos reikmėms:

\[ d(\tau)=\frac{\mathit{KR}_{POT}(\tau)}{\mathit{KRV}(\tau)}.\tag{7} \]
 

Nors Lietuvoje kirtimo atliekų kiekiai vertinami periodiškai, yra susiformavusi nuomonė Žr. Liana Sadauskienė, Stasys Mizaras, Diana Mizaraitė, Marius Aleinikovas, „Medienos kuras: ištekliai, ruošos sąnaudos ir naudojimo katilinėse efektyvumas“, 2009. , kad įvairių autorių skirtingu laiku vykdyti tyrimai yra nepalyginami. Išsamesnė analizė rodo, kad trijų autorių Žr. Andrius Kuliešis, „Lietuvos miškų ištekliai ir naudojimo perspektyvos, 1999; Jonas Kenstavičius, Miškų resursai, jų paruošos, poreikiai ir būklės gerinimo problemos, 1989; Jonas Grigaliūnas (sud.), Medienos atliekų ištekliai ir jų panaudojimo galimybės, 1996. skirtingu laiku atliktų tyrimų rezultatai skiriasi tik ±3 % (3 lentelė).

3 lentelė. Miškų kirtimų struktūrinių tyrimų rezultatų suvestinė mln. m3
Kirtimų struktūra tenkinant sąlygą:

\( \sum_{i}d_{i}+\sum_{i}b_{i}=1 \)
Kenstavičius Jonas Kenstavičius, Miškų resursai, jų paruošos, poreikiai ir būklės gerinimo problemos, 1989. , 1989Grigaliūnas Jonas Grigaliūnas (sud.), Medienos atliekų ištekliai ir jų panaudojimo galimybės, 1996. , 1996Kuliešis Andrius Kuliešis, „Lietuvos miškų ištekliai ir naudojimo perspektyvos“, 1999. , 1999Rutkauskas Algirdas Rutkauskas, „Lietuvos miškai bei miško kirtimo atliekų ištekliai kuro ruošai“, 2005. , 2005Matematiniam modeliui priimtos vidutinės reikšmės
Potencialių medienos atliekų balansas d(τ)0,5680,5320,5550,290,54
Viršūnės, smulkūs stiebai, atraižos d1(τ)0,1950,2280,3000,060,22
Nelikvidinės šakos d2(τ)0,159*0,2070,0770,130,10
Kelmai ir šaknys d3(τ)0,0840,1500,1790,010,15
Spygliai ir lapai d4(τ)0,065-0,021-0,04
Medienos žievė d5(τ)0,065-0,0000,100,03
Draudžiamų naudoti potencialių atliekų dalis0,2200,1800,3700,20-
Likvidinė stiebų mediena b1(τ) + b2(τ)0,4320,4680,5370,710,46
Padarinė mediena b1(τ)0,2320,2280,360-0,29
Malkinė mediena b2(τ)0,2000,1700,177-0,17
Medienos biomasės kirtimų santykis su apskaitomais likvidiniais kirtimai2,3102,1401,8601,412,17
 

Naujesni tyrimų rezultatai Žr. Algirdas Rutkauskas, „Lietuvos miškai bei miško kirtimo atliekų ištekliai kuro ruošai“, 2005. rodo esminius kirtimo atliekų pokyčius. Kadangi nėra duomenų, kad 2005–2012 m. iš kirtimų būtų panaudoti beveik visi kelmai ir lapai, tai šie rezultatai, cituojant L. Sadauskienę ir kt. Žr. Liana Sadauskienė, Stasys Mizaras, Diana Mizaraitė, Marius Aleinikovas, „Medienos kuras: ištekliai, ruošos sąnaudos ir naudojimo katilinėse efektyvumas“, 2009. , negali būti lyginami su ankstesnių tyrimų rezultatais. Tačiau šie tyrimai įdomūs tuo, kad net pakoregavus kelmų ir lapų sandus, jie aiškiai parodo miškuose paliekamų atliekų mažėjimo tendencijas. Nesant kitų duomenų tenka daryti išankstinę prielaidą, kad iki 2020 m. miške paliekamų atliekų dalis galėtų būti sumažinta nuo dabartinių ~55 iki 40 % (2 pav.).

2 pav. Potencialių medienos atliekų, kurios paliekamos miške, o dar galėtų būti panaudotos kuro gamybai, retrospektyva ir prognozės d – perspektyvinė raida ir dv – vidutinė reikšmė pagal (7) lygtį.]
 

Esant tokioms prielaidoms, miške paliekamų atliekų kiekio dinamika galėtų būti aprašoma lygtimi:

\[ d_{1}(\tau)=11{,}905-0{,}0057\cdot(1988+\tau);\tag{8} \] čia d1 – viršūnės, šakos, smulkūs stiebai, atraižos mln. m3.

Priimant tokią hipotezę, tektų peržiūrėti praėjusio laikotarpio duomenis. Kita vertus, nėra argumentų paneigti teiginiui, kad iki 2004–2009 m. miške paliekamų atliekų santykinė dalis išliko artima vidutinei buvusių tyrimų reikšmei (1 lentelė). Toks raidos scenarijus nelikvidinei medienai galėtų būti aprašomas:

\[ d_{2}(\tau)=\left\{\begin{array}{l}0{,}54, \mathrm{kai}\ \tau\leq\tau_{kr},\\0{,}54-\alpha\cdot(\tau-\tau_{kr}), \mathrm{kai}\ \tau>\tau_{kr}\end{array}\right.;\tag{9} \] čia d2 – nelikvidinė mediena mln. m3; τkr – 2005 m. (paskutinių atliktų tyrimų metai); α – pasirinktas miške likusių atliekų, panaudotinų skiedros gamybai, regresijos koeficientas – 0,005; 0,01 arba 0,015.

Abi išraiškos galėtų būti rekomenduojamos dabartinės būklės vertinimui bei prognostiniams skaičiavimams, kol nebus išsamesnių tyrimų. Antroji lygtis būtų patogesnė, nes į medienos kirtimų balansines lygtis leistų įtraukti sandą, apibūdinantį atliekų panaudojimo skiedros gamybai augimą, pasitelkus α parametrą.

Scenarijus pagal (8) lygtį yra gana artimas scenarijui pagal (9) lygtį, o kiti scenarijai atitiktų kur kas spartesnį kirtimo atliekų panaudojimą.

Stabilesni yra padarinės medienos tyrimų duomenys, nors nepavyko rasti aiškiai apibrėžto skirtumo tarp malkinės ir padarinės medienos. Malkine Žr. Antanas Baltrušaitis, Lars Andersson, Biokuro panaudojimo Lietuvoje galimybės, 2000. mediena laikoma ta dalis stiebų, kuri netinka perdirbimui (puvinys, kreivumas, kitos ydos). Orientaciniais vertinimais, malkinė mediena sudaro apie 15 % iškertamos medienos tūrio.

 

Kadangi nėra duomenų, kuri malkinės medienos dalis ar iš miško ištraukiamų atliekų kiekis yra panaudojamas skiedros gamybai, priimame hipotetinį skiedros gamybos prieaugį laikotarpiui nuo τkr = 2005 iki 2020 m., kuris galėtų būti pasiektas vien miške paliekamų potencialių atliekų mažinimo sąskaita nedidinant miško kirtimų ir malkinės medienos gamybos apimčių. Tokiu atveju malkinės medienos apimtys nustatomos:

\[ b_{2}(\tau)=\left\{\begin{array}{l}1-b_{1}(\tau)-d_{1}(\tau)\ \mathrm{arba}\ 1-b_{1}(\tau)-d_{2}(\tau),\ \mathrm{kai}\ \tau\leq\tau_{kr},\\b_{2}(\tau_{kr}),\ \mathrm{kai}\ \tau>\tau_{kr}.\end{array}\right.\tag{10} \]

Į prognozuojamą miško medienos santykinių kirtimų balansą įtraukiant hipotetinį atliekų panaudojimo didinimą skiedros gamybai SGZ(τ), galime užrašyti:

\[ b_{1}(\tau)=b_{2}(\tau)+d_{1}(\tau)=1.\tag{11} \]

Tuomet santykinis medienos balansas, paprastai sudaromas likvidinės medienos atžvilgiu, panaudojus santrumpas:

\[ k(\tau)=\frac{\mathit{LMD}(\tau)}{\mathit{KRV}(\tau)},\tag{12} \] \[ c(\tau)=\frac{\mathit{SGZ}(\tau)}{\mathit{KRV}(\tau)},\tag{13} \] atrodys taip:
\[ b_{1}(\tau)\cdot k(\tau)+b_{2}(\tau)\cdot k(\tau)+c(\tau)=1.\tag{14} \]
 

Iš (20) lygties matyti, kad skiedros gamybos didinimui panaudojamų atliekų dalis būtų:

\[ c(\tau)=1-k(\tau)\cdot(b_{1}(\tau)+b_{2}(\tau)).\tag{15} \]

Įvertinant skiedros gamybos prieaugiui panaudojamų atliekų dalį tiesine priklausomybe nuo laiko parametrine lygtimi:

\[ c(\tau)=\left\{\begin{array}{l}\alpha\cdot(\tau-\tau_{kr}),\ \mathrm{kai}\ \tau>\tau_{kr},\\0,\ \mathrm{kai}\ \tau<\tau_{kr};\end{array}\right.\tag{16} \] galime rasti visų medienos biomasės kirtimų santykį su apskaitomais likvidiniais kirtimais esant įvairioms α parametro reikšmėms:
\[ k(\tau)=\frac{1-c(\tau)}{b_{1}(\tau)+b_{2}(\tau)}.\tag{17} \]

Potencialių medienos atliekų struktūrinių tyrimų duomenys, perskaičiuoti 1 m3/metus kirtimų apimčiai, pateikti 3 lentelėje, suskirstyti net į 5 sandus:

  1. viršūnes, smulkius stiebus, šakas ir t. t.;
  2. nelikvidines šakas;
  3. kelmus ir šaknis;
  4. spyglius ir lapus;
  5. padarinės medienos žievę.

Šiuos potencialių atliekų sandus galima įvertinti balansine lygtimi:

\[ d(\tau)=d_{1}(\tau)+d_{2}(\tau)+d_{3}(\tau)+d_{4}(\tau)+d_{5}(\tau).\tag{18} \]
 

Esančių tyrimų duomenų nepakanka, kad būtų galima išsamiau nagrinėti nelikvidinių atliekų struktūrą. Orientaciniam vertinimui galima priimti, kad viršūnės, smulkūs stiebai, atraižos sudaro apie 34,3 % miško kirtimų atliekų, nelikvidinės šakos – 28 %, kelmai – 14,9 %, spygliai ir lapai – 1,4 % bei 11,4 % – padarinės medienos žievė. Tokios atliekos gali būti vertinamos kaip biokuro energetiniams tikslams rezervas, jeigu tokių atliekų paėmimas iš miško pasirodytų ekonomiškai patrauklus.

Energetikos sektoriuje naudojamo biokuro vartojimo modeliavimas

Biokuro gamybos iš miško kirtimo atliekų potencialo įvertinimas. Modelis atkuria miškų plotus ir struktūrą, pateikiamą procentais nuo bendro Lietuvos ploto (65,2 tūkst. km2, arba 6,52 mln. ha) Žr. Valstybinė miškotvarkos tarnyba, Lietuvos miškų ūkio statistika 2012, 2013. . Biokuro ruošai svarbu turėti duomenis apie kirtaviečių pasiskirstymą pagal jų tipą. Remiantis įvairiais literatūros šaltiniais Žr. Liana Sadauskienė, Stasys Mizaras, Diana Mizaraitė, Marius Aleinikovas, „Medienos kuras: ištekliai, ruošos sąnaudos ir naudojimo katilinėse efektyvumas“, 2009; Jonas Kenstavičius, Miškų resursai, jų paruošos, poreikiai ir būklės gerinimo problemos, 1989; Jonas Grigaliūnas (sud.), Medienos atliekų ištekliai ir jų panaudojimo galimybės, 1996; Algirdas Rutkauskas, „Lietuvos miškai bei miško kirtimo atliekų ištekliai kuro ruošai“, 2005. buvo priimta: plyniems kirtimams a1(τ) = 0,567, tarpiniams a2(τ) = 0,343, jaunuolynams, kurių amžius daugiau nei 10 metų a3(τ) = 0,08 ir jaunesniems a4(τ) = 0,008. Nesant duomenų apie šių koeficientų kaitą buvo daroma prielaida, kad jie išlieka pastovūs per visą laikotarpį. Esant šioms prielaidoms sumodeliuota nelikvidinės medienos kirtimo apimčių struktūra nagrinėjamam laikotarpiui parodyta 3 pav. Išaugusias kirtimų apimtis 2007 m. lėmė ne tik padarinės bei technologinės medienos paklausa, bet ir škvalų bei uraganinių vėjų neprognozuojamos miškų išvartos. Stichinės nelaimės galėjo turėti įtakos malkinės gamybos apimtims, bet tai nereiškia, kad dėl to praėjusiame dešimtmetyje iš esmės keitėsi daugiau sąnaudų reikalaujantis medienos atliekų panaudojimas.

 
3 pav. a) Likvidinės medienos kirtimų struktūros kaita ir b) medienos kirtimų santykinės dalys pagal (5) lygtį

Suskirsčius potencialių medienos atliekų perskaičiuotus duomenis d iš (18) lygties, kaip parodyta 3 lentelėje, į 5 sandus: (1) d1 – viršūnes, smulkius stiebus, šakas ir pan.; 2) d2 – nelikvidines šakas; 3) d3 – kelmus ir šaknis; 4) d4 – spyglius ir lapus; 5) d5 – padarinės medienos žievę, galima sumodeliuoti potencialių miško atliekų dinamiką. Skaičiavimai rodo, kad parametras α gali būti didinamas geresnio smulkių stiebų, šakų ar kelmų panaudojimo sąskaita (4 pav.).

 
4 pav. Iškertamos biomasės struktūros prognozės didinant skiedros gamybą paliekamų miške atliekų sąskaita d, kai α = 0; 0,005; 0,01 ir 0,015.

Toks matematinis modelis leidžia apžvelgti ne tik miškų kirtimo veiklos retrospektyvą, bet ir galimą perspektyvą ir santykiniais, ir absoliutiniais dydžiais (5 pav.).

5 pav. Potencialių (nepanaudojamų) miško atliekų kaita KRPOT, kai α = 0; 0,005; 0,01 ir 0,015.