Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,087

ЭМИССИЯ ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВ ПРИ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОЦЕНКЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

Маслеева О.В. 1 Пачурин Г.В. 1 Крюков Е.В. 1
1 ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
Снижение углеродоёмкости экономики России, создание условий для перехода на низкоуглеродный или энергоэффективный путь развития отраслей приведет к сокращению объема выбросов парниковых газов. Одним из вариантов решения этой проблемы является применение возобновимых источников энергии, у которых отсутствует эмиссия парниковых газов в процессе эксплуатации. Метод «оценки жизненного цикла» позволяет провести комплексную экологическую оценку, в том числе выбросы парниковых газов. Были выполнены исследования выбросов парниковых газов в процессе жизненного цикла возобновляемых энергоустановок – ветровой, солнечной, мини-ГЭС, биогазовой, на твердооксидных топливных элементах и, для сравнения, традиционной газопоршневой энергоустановки. Выявлено, что основной вклад в выбросы парниковых газов вносит процесс сжигания топлива на газопоршневых энергоустановках, который в 800 раз выше, чем при производстве энергоустановок. Минимальные удельные выбросы парниковых газов имеют мини-ГЭС. Поэтому применение нетрадиционных источников энергии позволит уменьшить объем парниковых газов.
энергоэффективность
углеродоемкость экономики
возобновляемые источники энергии
парниковые газы
экологическая оценка
жизненный цикл
газопоршневая энергоустановка
нетрадиционные источники энергии
1. Голубев Г.Н. Основы геоэкологии: учебник. – 2-е изд., стер. – М.: КНОРУС, 2013. – 352 с.
2. Концепция формирования системы мониторинга, отчетности и проверки объема выбросов парниковых газов в Российской Федерации (утв. распоряжением Правительства РФ от 22.04.2015 N 716-р).
3 Маслеева О.В., Пачурин Г.В. Комплексная экологическая оценка жизненного цикла малой распределенной и возобновляемой энергетики // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2014. – № 8 – С. 81–86.
4. Маслеева О.В., Воеводин А.Г., Пачурин Г.В. Тепловое воздействие альтернативных источников на окружающую среду // Современные наукоемкие технологии. – 2015. – № 3. – С. 51–54.
5. Методические рекомендации по проведению добровольной инвентаризации объема выбросов парниковых газов в субъектах Российской Федерации (утв. распоряжением Минприроды России от 16.04.2015 № 15-р).
6. Национальный доклад о кадастре антропогенных выбросов из источников и абсорбции поглотителями парниковых газов, не регулируемых Монреальским протоколом за 1990–2010 гг. Часть 1. – М.: Росгидромет, Институт Глобального климата и экологии Росгидромета и РАН, 2012. – 386 с.
7. Руководящие принципы национальных инвентаризаций парниковых газов МГИЭК / под ред. С. Иглестона. Т. 2: Энергетика. – Хаяма (Япония): ИГЕС, 2006. – 321 с.
8. Соснина Е.Н., Маслеева О.В., Пачурин Г.В., Крюков Е.В. Экологическая оценка процесса производства возобновляемых источников энергии // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 6. – С. 174–180.
9. Соснина Е.Н., Маслеева О.В., Пачурин Г.В., Кечкин А.Ю., Головкин Н.Н. Экологические проблемы возобновляемых источников энергии: монография /
Е.Н. Соснина [и др.]; под общей ред. Г.В. Пачурина; Нижегород. гос. техн. ун-т им. Р.Е. Алексеева. – Нижний Новгород, 2014. – 164 с.
10. Соснина Е.Н.Маслеева О.В., Крюков Е.В. Сравнительная экологическая оценка установок нетрадиционной энергетики // Теплоэнергетика. – 2015. – № 8. – С. 3–10.

В апреле 2015 г. Председатель Правительства РФ Дмитрий Медведев утвердил Концепцию формирования системы мониторинга, отчетности и проверки объема выбросов парниковых газов в РФ [2]. Данное распоряжение направлено на снижение углеродоёмкости российской экономики, в том числе на создание условий для перехода на низкоуглеродный (энергоэффективный) путь развития отраслей национальной экономики на период до 2020 года и с перспективой до 2030 года.

В целях реализации мероприятий по обеспечению к 2020 г. сокращения объема выбросов парниковых газов до уровня не более 75 % объема указанных выбросов в 1990 г. распоряжением Минприроды от 16.04.2015 № 15-р введены «Методические рекомендации по проведению добровольной инвентаризации ПГ объема выбросов парниковых газов в субъектах Российской Федерации» [5]. Методические рекомендации включают оценки выбросов парниковых газов для секторов «Энергетика», «Промышленные процессы и использование продукции», «Сельское хозяйство» и «Отходы».

Одним из путей снижения эмиссии парниковых газов является более широкое применение альтернативных источников энергии, таких как ветровые, солнечные энергоустановки, мини-ГЭС [4, 9].

Для сравнения альтернативных и традиционных источников энергии по воздействию на окружающую среду возможно применение метода оценки жизненного цикла (ОЖЦ). ОЖЦ распространяется на экологические аспекты и потенциальные воздействия на окружающую среду на всех этапах жизненного цикла продукции от добычи сырья, производства и использования до переработки по окончании срока службы, повторного использования и заключительной утилизации [3, 8, 10].

Схема жизненного цикла представлена на рис. 1.

pic_48.wmf

Рис. 1. Схема жизненного цикла ЭУ

Входные данные могут включать в себя данные об использовании минеральных ресурсов и поставке энергии.

Категории воздействия на окружающую среду при ОЖЦ могут быть следующие: химическое загрязнение атмосферы, гидросферы и литосферы, физическое загрязнение.

Комплексная экологическая оценка жизненного цикла включает в себя рассмотрение потребления природных ресурсов, потребления электроэнергии и уровень загрязнения окружающей среды. Одной из составляющих оценки загрязнения окружающей природной среды является эмиссия парниковых газов на всех этапах жизненного цикла возобновляемых источников энергии. При оценке учитывается эмиссия парниковых газов: углекислого газа (CO2), оксидов азота (NOx), метана (CH4), фторидов (CF4, C2F6) [1]. Расчет эмиссии парниковых газов был выполнен в соответствии с методикой [5]. Для расчета эмиссии парниковых газов, образующихся при сжигании топлива для энергетических целей, используется сектор «Энергетика». При расчете учтены следующие парниковые газы: углекислый газ, закись азота и метан.

Выбросы двуокиси углерода при стационарном сжигании топлива являются результатом высвобождения углерода из топлива в ходе его сгорания и зависят от содержания углерода в топливе. Расчет эмиссии СО2 для каждого вида топлива производится по формуле

Е = М?K1?K2?K3?44/12, (1)

где Е – годовой выброс СО2 (т/год); М – фактическое потребление топлива за год (т/год); K 1 – теплотворное значение топлива, для природного газа K1 = 0,03371?1012 Дж/т, для биогаза K1 = 0,022?1012 Дж/т; K2 – коэффициент эмиссии углерода, для природного газа и биогаза K2 = 14,96 т/1012 Дж; K3 – коэффициент окисления углерода в топливе (для учета неполного сгорания топлива), для природного газа и биогаза K3 = 0,995; 44/12 – коэффициент пересчета углерода в углекислый газ.

Расчет эмиссии метана и закиси азота для каждого вида топлива производится по формуле

Еi = М?K1?K4, (2)

где Еi – годовой выброс парникового газа (т/год); М – фактическое потребление топлива за год (т/год); K1 – теплотворное значение топлива (Дж/т); K4 – коэффициенты эмиссии парниковых газов, для СН4 K4 = 5 кг/1012 Дж и для N2O K4 = 0,1 кг/1012Дж.

Для сектора «Производственные процессы» расчет выбросов парниковых газов выполняется по формуле

Ei = Мi?Ki,

где Ei – годовой выброс в атмосферу i-го газа (т/год); Мi – данные о деятельности (количественная характеристика деятельности, приводящей к выбросу за определенный период, обычно за год) (т/год); Ki – коэффициент выброса (удельный выброс i-го парникового газа на тонну продукции).

При расчете эмиссии парниковых газов учитывается потенциал глобального потепления для каждого вещества. Потенциал глобального потепления оценивает радиационное (разогревающее) воздействие молекулы парникового газа относительно двуокиси углерода, осредненное за выбранный период времени после эмиссии. Потенциалы глобального потепления для парниковых газов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Потенциалы глобального потепления (ПГП) для парниковых газов

Газ

Химическая формула

ПГП-100

Двуокись углерода

СО2

1

Метан

СН4

21

Закись азота

N2О

310

ПФУ

? Перфторметан

CF4

6500

? Перфторэтан

C2F6

9200

В нефтегазовой отрасли учету подлежат все выбросы, образующиеся при разведке (бурение и опробование скважин), добыче (включая обслуживание действующих скважин), первичной переработке/подготовке, транспортировке, хранении, переработке, распределении и использовании нефти и природного газа, а также перегонке нефти и распределении нефтепродуктов. Выбросы определяются как произведение соответствующих данных о деятельности на коэффициент выбросов (формула (2)). Коэффициенты выбросов представлены в табл. 2.

Источниками выбросов в черной металлургии являются: предприятия по производству агломерата и окатышей, по производству чугуна и стали; вторичные предприятия по производству стали из стального лома; по производству доменного кокса, по производству ферросплавов. Выбросы парниковых газов в металлургии состоят из выбросов от использования топлива в качестве исходного сырья и выбросов от промышленных процессов (углерод используется в качестве восстанавливающего агента при производстве металлов). Оценка выбросов выполняется по формуле (2). Коэффициенты выбросов представлены в табл. 2.

Основными источниками выбросов парниковых газов в цветной металлургии является производство первичного алюминия и производство свинца.

Основной объем выбросов парниковых газов в алюминиевой промышленности связан с производством первичного алюминия электролитическим способом. Источники выбросов включают:

? выбросы СО2 в результате реакции углерода электродов с оксидом алюминия в процессе электролиза с образованием металлического алюминия;

? выбросы перфторуглеродов в результате анодных эффектов, возникающих при нарушении нормального процесса электролиза и вызываемого взаимодействием анодов с расплавом криолита;

? косвенные выбросы при выработке электроэнергии, потребляемой при производстве первичного алюминия.

Производство первичного свинца включает в себя этапы подготовки и обогащения руды, агломерации, плавления и очистки продукции. Процесс плавки свинца представляет собой реакцию восстановления оксида свинца с образованием выбросов СО2.

При производстве стекла в процессе плавки основным источником выделившегося CO2 является исходное сырье, которое состоит из известняка (CaCO3), доломита Ca, Mg (CO3)2 и кальцинированной соды (Na2CO3).

Таблица 2

Удельные выбросы парниковых газов для различных материалов и этапов жизненного цикла

Материал

Этап

Удельные выбросы парниковых газов, т/т продукции

СО2

NOx

СН4

CF4

C2F6

Сталь

Производство

1,06

0,00003

Утилизация

0,08

Чугун

Производство

1,35

Утилизация

0,08

Медь

Производство

1

Свинец

Производство

0,52

Утилизация

0,2

Алюминий

Производство

1,8

0,0004

0,00004

Стекло

Производство

0,21

Утилизация

0,21

Кремний

Производство

4,3

0,0012

Пластмасса

Добыча нефти

0,000066

Производство

1,73

0,003

Цирконий

Производство

4,3

0,0012

Никель

Производство

6

Марганец

Производство

1,6

Газ

Добыча

0,0004

Транспортировка

0,00042

Эксплуатация

1,84

0,00000337

0,000169

Биогаз

Эксплуатация

2,46

0,0000202

0,000337

Эмиссия парниковых газов при добыче полезных ископаемых определяется выбросами применяемого транспорта и в данном расчете не учитывалась, поскольку имеет значительно меньшее значение.

Удельные выбросы парниковых газов [6, 7] для различных материалов и этапов жизненного цикла приведены в табл. 2.

В данной работе был проведен анализ выбросов парниковых газов в процессе жизненного цикла возобновляемых источников энергии и газопоршневой ЭУ, технические характеристики которых приведены в табл. 3.

Исходными данными для расчета выбросов парниковых газов являются массы материалов, составляющих энергоустановок, и объемы отходов, образующихся при металлообработке и производстве этих материалов. Расчет вели по формулам (1) и (2) с учетом коэффициентов удельных выбросов.

Таблица 3

Технические характеристики рассматриваемых ЭУ

Тип энергоустановки

Марка

Характеристика

Масса 1 шт., кг

Ветровая ЭУ

«Муссон»

Мощность 30 кВт

3180

Аккумулятор Volta ST-200

Напряжение 12 В (13 шт.)

60

Солнечная ЭУ

Saana 250 LM3 MBW

Суммарная мощность 30 кВт (120 модулей по 0,25 кВт)

21,1

Аккумулятор Volta ST-200

Напряжение 12 В (13 шт.)

60

Мини-ГЭС

ИНСЭТ Пр 30

Мощность 30 кВт

2?103

Биогазовая ЭУ

БИОЭН-1

12?103

Caterpillar DM8660

Мощность 103 кВт

4830

Газопоршневая электростанция на природном газе

Caterpillar G3406

Мощность 125 кВт

Расход газа 371 тыс. м3/год

4928

ЭУ на ТОТЭ

Мощность 2 кВт

322

Таблица 4

Выбросы парниковых газов в процессе жизненного цикла ЭУ, т

Тип ЭУ

Этап жизненного цикла

CO2

NOx

CH4

CF4

C2F6

ВЭУ

Добыча

6,97?10–5

Производство

4,81

5,35?10–4

Утилизация

0,35

Всего

5,15

6,05?10–4

СЭУ

Добыча

2,62?10–6

Производство

11,10

7,52?10–4

1,42?10–4

1,42?10–5

Утилизация

0,58

Всего

11,68

7,52?10–4

1,42?10–4

1,42?10–5

Мини-ГЭС

Производство

2,73

7,59?10–5

Утилизация

0,16

Всего

2,89

7,59?10–5

Биогазовая ЭУ

Производство

24,46

5,19?10–4

2,11?10–4

2,11?10–5

Эксплуатация

9,72?103

0,08

1,33

Утилизация

1,30

Всего

9,75?103

0,08

1,33

2,11?10–4

2,11?10–5

Газопоршневая ЭУ

Добыча

1,96

Производство

8,18

5,86?10–5

2,10?10–4

2,10?10–5

Эксплуатация

8,19?103

0,01

0,75

Утилизация

0,35

Всего

8,2?103

0,01

2,72

2,10?10–4

2,10?10–5

ЭУ на ТОТЭ

Добыча

0,05

Производство

1,19

1,28?10–5

Утилизация

0,01

Всего

1,21

0,05

Таблица 5

Эквивалентные суммарные выбросы парниковых газов в процессе жизненного цикла ЭУ, т

Тип ЭУ

Эквивалентные суммарные выбросы парниковых газов, т

Эквивалентные суммарные выбросы парниковых газов, т/кВт

Эквивалентные суммарные выбросы парниковых газов в процессе эксплуатации ЭУ, т

ВЭУ

5,19

0,173

СЭУ

12,76

0,425

Мини-ГЭС

2,89

0,096

Биогазовая ЭУ

27,33

0,273

9777

Газопоршневая ЭУ

10,10

0,081

8274

ЭУ на ТОТЭ

1,20

0,401

pic_49.wmf

Рис. 2. Удельные выбросы парниковых газов ЭУ, т/кВт мощности

Результаты проведенного исследования эквивалентных суммарных выбросов для всех видов энергоустановок представлены в табл. 4, 5.

В процессе эксплуатации биогазовых, газопоршневых ЭУ происходят значительные выбросы парниковых газов за счет сжигания топлива, которые при эксплуатации остальных ЭУ отсутствуют.

На рис. 2 представлены суммарные выбросы парниковых газов (т/кВт мощности) на всех этапах жизненного цикла без учета процесса эксплуатации ЭУ.

Выводы

Результаты исследования показали, что:

– основной вклад в выбросы парниковых газов при ОЖЦ вносит процесс сжигания топлива на биогазовых и газопоршневых энергоустановках, который практически в 350–800 раз выше, чем при производстве энергоустановок,

– максимальные выбросы парниковых газов с учетом процесса эксплуатации ЭУ соответствуют жизненному циклу биогазовых и газопоршневых энергоустановок,

– минимальные удельные выбросы парниковых газов без учета процесса эксплуатации имеют газопоршневые ЭУ и мини-ГЭС, максимальные – ЭУ на ТОТЭ, за счет высокой эмиссии парниковых газов при производстве составляющих материалов,

– сокращение выбросов парниковых газов жизненного цикла энергоустановок возможно двумя путями: за счет сокращения выбросов при сжигании топлива, что в ближайшем будущем маловероятно, и применение нетрадиционных источников энергии.

Рецензенты:

Кузьмин Н.А., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Автомобильный транспорт», Институт транспортных систем, Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, г. Нижний Новгород;

Лоскутов А.Б., д.т.н., профессор, директор Научно-технологического парка, Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, г. Нижний Новгород.


Библиографическая ссылка

Маслеева О.В., Пачурин Г.В., Крюков Е.В. ЭМИССИЯ ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВ ПРИ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОЦЕНКЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 11-4. – С. 709-714;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=39492 (дата обращения: 01.04.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074