В последнее время проблемы сохранения окружающей среды и декарбонизации приобрели поистине общемировое значение, интенсивно развиваются биоэнергетические технологии [1–3]. Это связано в первую очередь с высокими и нестабильными ценами на традиционные энергоресурсы, стремлением многих стран диверсифицировать свои топливно-энергетические рынки, снизить влияние традиционных поставщиков энергоресурсов, а также сократить выбросы в окружающую среду парниковых газов, образующихся при сжигании традиционных ископаемых видов топлива. Особую роль в этом процессе занимает лесная биоэнергетика. По мнению ряда исследователей [2], именно древесная биомасса в перспективе будет являться важным сырьем для производства биотоплива. Это обусловлено в первую очередь тем, что древесная биомасса является возобновляемым и экологически безопасным источником сырья для производства целого спектра биоэнергетических продуктов: бионефти, биодизеля, биогаза и твердых видов древесного топлива (топливной щепы, древесных брикетов и гранул). В то же время использующиеся в настоящее время в основном для производства биоэтанола и биодизеля сельскохозяйственные культуры (сахарная свекла и тростник, пшеница, кукуруза и т.д.), являются ценными продовольственными ресурсами [3], использование которых в будущем в качестве сырья для производства биотоплива, в условиях дефицита продовольствия, высоких цен на продовольственные ресурсы и высокой себестоимости их переработки, является малоэффективным.
В этих условиях для России открываются широкие перспективы по занятию значимой роли в развитии биоэнергетических технологий. Предпосылками к этому является наличие в нашей стране обширных лесных ресурсов; 20 % от мировых запасов древесины сосредоточено в нашей стране [2]. При этом для производства биотоплива вполне пригодны отходы лесозаготовительных и деревообрабатывающих производств.
Цель исследования – анализ технико-экономических показателей автопоездов-щеповозов на транспортировке щепы энергетического назначения.
Материалы и методы исследования
При проведении лесозаготовительных операций на лесосеке образуется до 16–22 % [4] лесосечных отходов от общего объема лесозаготовок. Эти ресурсы могут быть использованы для производства щепы энергетического назначения. Производство топливной щепы с минимальными затратами может быть реализовано практически в любых условиях лесозаготовительного предприятия, себестоимость производства при этом будет меньше, чем у других видов твердого древесного топлива: древесных брикетов и пеллет. Для отопления небольших населенных пунктов, оторванных от транспортной инфраструктуры, использование топливной щепы будет более предпочтительным, чем использование других видов биотоплива и особенно традиционных топливных ресурсов [5, 6].
Производство топливной щепы может быть реализовано на делянке, верхнем или нижнем складе (терминале) или непосредственно у потребителя (котельной) [7, 8]. В частности, на делянке [9, 10], после проведения лесосечных работ по сортиментной технологии или в процессе заготовки деловой древесины, с использованием мобильных рубительных машин на базе форвардера с кузовом, осуществляется переработка отходов лесосечных работ (сучьев, ветвей, вершинок), дровяной и тонкомерной древесины непосредственно в топливную щепу, с последующей транспортировкой на погрузочную площадку и доставкой потребителю автопоездами-щеповозами. На верхнем или нижнем складе (терминале) производство топливной щепы может осуществляться мобильными рубительными машинами на базе трактора, автомобиля, прицепа (полуприцепа) или специального самоходного шасси. Полученная щепа выбрасывается либо в кузов автопоезда-щеповоза, либо в кучу с последующей самопогрузкой или погрузкой в автопоезд-щеповоз лесопогрузчиком. Непосредственно у потребителя (котельной) для производства топливной щепы можно применять оборудование, идентичное производству, на лесопромышленном складе (терминале). В то же время у потребителя (котельной) наиболее эффективно использование мобильных рубительных машин на базе автомобиля, в том числе с кузовом. В этом случае мобильная рубительная машина после выполнения всех операций по измельчению в щепу может перемещаться к другой площадке (котельной) для выполнения этих операций, что повышает ее эффективность и гибкость всей технологической цепочки.
При выработке топливной щепы на верхнем складе или непосредственно на делянке транспортировка потребителю осуществляется автопоездами-щеповозами на базе автомобилей или автомобилей-тягачей. Движение может осуществляться по лесовозным дорогам и дорогам общего пользования. В качестве прицепного звена используются прицепы и полуприцепы-самосвалы, а также полуприцепы-щеповозы, оснащенные для выгрузки щепы системой саморазгрузки, например подвижным полом. В этих условиях становится актуальным вопрос протяженности транспортировки топливной щепы потребителю, это обусловлено в первую очередь низким значением коэффициента полнодревесности для щепы (кп = 0,36).
Для оценки технико-экономических характеристик и параметров работы автопоездов-щеповозов, а также определения эффективного расстояния транспортировки топливной щепы проведен анализ парка автотранспортных средств на базе автомобилей отечественного и импортного производства (рис. 1, 2). Движение автопоездов-щеповозов осуществляется по лесовозным дорогам (магистралям и веткам) с гравийным покрытием в удовлетворительном (слабоухабистое) и в хорошем состоянии (укрепленное).
а) б)
Рис. 1. График зависимости сменной производительности автопоездов-щеповозов (прицеп, полуприцеп-самосвал и полуприцеп с передвижным передним бортом) от расстояния транспортировки, в зависимости от условий эксплуатации: а – гравийная (удовлетворительное покрытие); б – гравийная (хорошее покрытие)
а) б)
Рис. 2. График зависимости сменной производительности автопоездов-щеповозов (полуприцеп с подвижным полом) от расстояния транспортировки, в зависимости от условий эксплуатации: а) – гравийная (удовлетворительное покрытие); б) – гравийная (хорошее покрытие)
Результаты исследования и их обсуждение
Предварительный анализ показал, что эффективное расстояние транспортировки топливной щепы составляет 50–100 км. Увеличение этого предела ведет к значительному снижению сменной производительности автопоездов-щеповозов. В частности, сменная производительность изменяется в следующих пределах при расстоянии транспортировки от 200 до 50 км; гравийная дорога (слабоухабистое и укрепленное покрытие, соответственно): MAZ 6501В9-445-000 (6х4) + MAZ-856102-5010 Псм = 21–55 (24–59) м3/смену, MAZ 6317F9 (6х6) + полуприцеп-самосвал MAZ 950600-030 Псм = 11–32 (13–36) м3/смену, Тонар 6428-0000010-40 (6х4) + полуприцеп-самосвал Тонар 95232 Псм = 20–52 (23–57) м3/смену, KAMAZ 65221-53 (6х6) + полуприцеп-самосвал САТ 140 Псм = 16–44 (19–48) м3/смену, Iveco-AMT 633910 (6х6) + полуприцеп-щеповоз САВ 9528 (с передвижным передним бортом) Псм = 27–66 (31–71) м3/смену (рис. 1).
Для автопоездов-щеповозов в составе автомобиля-тягача и полуприцепа-щеповоза с подвижным полом сменная производительность изменяется в следующих пределах при расстоянии транспортировки от 200 до 50 км; гравийная дорога (слабоухабистое и укрепленное покрытие, соответственно): KAMAZ 65209-001-87(S5) (6х4) + полуприцеп-щеповоз Bodex KIS 3F Псм = 23–59 (26–64) м3/смену, KAMAZ 6560-53 (8х8) + полуприцеп-щеповоз САТ 150 Псм = 26–65 (30–70) м3/смену, Iveco-AMT 633910 (6х6) + полуприцеп-щеповоз KRAKER Trailers CF-400 Псм = 22–56 (25–61) м3/смену, Тонар 6428-0000010-40 (6х4) + полуприцеп-щеповоз Тонар 95894 Псм = 23–59 (26–63) м3/смену, MAN TGS 33.480 6X6 BBS-WW + полуприцеп-щеповоз SP-345 Псм = 29–71 (34–76) м3/смену.
При транспортировке щепы автопоезд-щеповоз может совершать движение по разным категориям дорог, при этом состояние покрытия может существенно отличаться от эталонного, что влияет на эффективность работы автотранспорта. В частности, при движении автопоезда-щеповоза по гравийной укрепленной, в сравнении с слабоухабистой дорогой, сменная производительность увеличивается соответственно в 1,07–1,16 раза. Кроме снижения скоростных возможностей автотранспорта, при эксплуатации автопоездов на лесовозных дорогах с удовлетворительным состоянием покрытия, увеличивается вероятность авариных ситуаций и износа ходовой системы.
На основании наибольшего значения сменной производительности можно рекомендовать как наиболее эффективные следующие схемы комплектования автопоездов-щеповозов: Iveco-AMT 633910 (6х6) + полуприцеп-щеповоз САВ 9528 (с передвижным передним бортом), MAZ 6501В9-445-000 (6х4) + MAZ-856102-5010 и Тонар 6428-0000010-40 (6х4) + полуприцеп-самосвал Тонар 95232, а также MAN TGS 33.480 6X6 BBS-WW + полуприцеп-щеповоз SP-345 (подвижный пол) и KAMAZ 6560-53 (8х8) + полуприцеп-щеповоз САТ 150 (подвижный пол).
а) 
б) 
Рис. 3. Транспортировка топливной щепы автопоездами-щеповозами (прицеп, полуприцеп-самосвал и полуприцеп с передвижным передним бортом) на 50 км: а – удельные капитальные вложения (Куд, руб/м3); б – удельные эксплуатационные затраты (Суд, руб/м3)
а) 
б) 
Рис. 4. Транспортировка топливной щепы автопоездами-щеповозами (полуприцеп с подвижным полом) на 50 км: а – удельные капитальные вложения (Куд, руб/м3); б – удельные эксплуатационные затраты (Суд, руб/м3)
В то же время, исходя из высокой балансовой стоимости Iveco-AMT 633910 (6х6) + полуприцеп-щеповоз САВ 9528 (с передвижным передним бортом) и MAN TGS 33.480 6X6 BBS-WW + полуприцеп-щеповоз SP-345 (подвижный пол), удельные капитальные вложения (Куд, руб/м3) будут выше у автопоезда на базе автомобиля Iveco-AMT 633910 (6х6) в 1,9 раза (при расстоянии транспортировки на 50 км) в сравнении с Тонар 6428-0000010-40 (6х4) + полуприцеп-самосвал Тонар 95232 и MAZ 6501В9-445-000 (6х4) + MAZ-856102-5010; у автопоезда на базе MAN TGS 33.480 6X6 BBS-WW Куд выше в 1,4 раза в сравнении с KAMAZ 6560-53 (8х8) + полуприцеп-щеповоз САТ 150 (подвижный пол). При этом удельные эксплуатационные затраты (Суд, руб/м3) будут выше в сравнимых условиях у автопоезда-щеповоза на базе автомобиля Тонар 6428-0000010-40 (6х4) в 1,1 раза в сравнении с Iveco-AMT 633910 (6х6) + полуприцеп-щеповоз САВ 9528 (с передвижным передним бортом); у автопоезда-щеповоза на базе автомобиля KAMAZ 6560-53 (8х8) ниже в 1,04 раза, в сравнении с MAN TGS 33.480 6X6 BBS-WW + полуприцеп-щеповоз SP-345 (рис. 3 и 4).
Анализ показал, что сравнение технико-экономических показателей выявило преимущество автопоездов-щеповозов отечественного и белорусского производства. В частности, по значению удельных капитальных вложений преимущество имеют автопоезда-щеповозы на базе автомобилей MAZ 6501В9-445-000 (6х4), Тонар 6428-0000010-40 (6х4), KAMAZ 6560-53 (8х8) и KAMAZ 65209-001-87(S5) (6х4), Куд в 1,4–1,9 раза ниже, чем у автопоездов на базе Iveco-AMT 633910 (6х6) и MAN TGS 33.480 6X6 BBS-WW. В то же время значение Суд выше в 1,05–1,3 раза у автопоездов на базе Iveco-AMT 633910 (6х6) и MAN TGS 33.480 6X6 BBS-WW в сравнении с Тонар 6428-0000010-40 (6х4) + полуприцеп-щеповоз Тонар 95894 и KAMAZ 6560-53 (8х8) + полуприцеп-щеповоз САТ 150.
Следует учитывать, что в условиях бездорожья автопоезда-щеповозы на базе полноприводных автомобилей (Iveco-AMT 633910 (6х6), MAN TGS 33.480 6X6 BBS-WW, MAZ 6317F9, KAMAZ 65221-53) обладают большей проходимостью, чем автопоезда на базе автомобилей с ограниченной проходимостью с колесной формулой 6х4 (Тонар 6428-0000010-40, MAZ 6501В9-445-000, KAMAZ 65209-001-87(S5)). Это особенно актуально при движении автопоезда-щеповоза по временным лесовозным дорогам (усам) с грунтовым профилированным покрытием. Поэтому автопоезда-щеповозы на базе полноприводных модификаций можно рекомендовать к применению на всех категориях лесовозных дорог и дорог общего пользования. При эксплуатации автопоездов-щеповозов на лесовозных дорогах и дорогах общего пользования с хорошим состоянием покрытия вполне подойдут автопоезда на базе автомобилей с ограниченной проходимостью, например MAZ 6501В9-445-000 (6х4) + MAZ-856102-5010, при этом они будут обладать преимуществом в виде более низких значений удельных капитальных вложений при сопоставимых значениях удельных эксплуатационных затрат (рис. 5).
а) 
б) 
Рис. 5. Технико-экономические показатели при транспортировке топливной щепы автопоездами-щеповозами на 50 км (удовлетворительное покрытие)
Стоит отметить, что приведенные выше выводы будут актуальны не только для транспортировки топливной, но и технологической щепы на ЦБК и предприятия глубокой переработки древесного сырья. При этом необходимо учитывать, что в этом случае транспортировка в основном будет осуществляться по дорогам общего пользования, где без ограничений могут быть задействованы автопоезда-щеповозы на базе автомобилей с ограниченной проходимостью с колесной формулой 6х4.
Заключение
С учетом общемировых тенденций развитие и внедрение «зеленых» биоэнергетических технологий, вне всякого сомнения, актуально в среднесрочном и долгосрочном временном горизонте. В этих условиях совершенствование технологических цепочек и снижение затрат на производстве и транспортировке биотоплива является актуальной практической задачей, от решения которой зависит рентабельность производства компаний и предприятий, задействованных в сфере «зеленой» энергетики. В частности, рациональный подбор машин и оборудования, с учетом особенностей природно-производственных условий эксплуатации, применяемых на транспортировке биоэнергосырья и биотоплива, позволит оптимизировать затраты и увеличить экономическую эффективность всей технологической цепочки.