Ecological transformation of the energy sector: reduction of specific emissions and dependence on external conditions

В 20-м веке мировое производство выросло в 20 раз. Это способствовало росту благосостояния и качества жизни людей. Однако столь быстрое развитие привело и к негативным последствиям, что требует пересмотра воздействия человека на природу [1; 2]. Основной причиной антропогенного воздействия на климат является выброс парниковых газов, в частности углекислого газа. Глобальная экономика постепенно начинает становиться экономикой, которая обращает внимание на экологические проблемы. Пока неясно, сколько будут стоить необходимые изменения и сколько денег и ресурсов будет потеряно в будущем, если ничего не предпринять сейчас. Но уже сейчас для многих компаний экологические соображения являются насущной проблемой.

Зеленая экономика может стать ключевой отраслью в следующем десятилетии, привлекая инвестиции, создавая стартапы и крупные технологические прорывы [3-6]. Так, на каждый доллар, потраченный на восстановление деградировавших лесов, можно получить экономическую выгоду в размере 30 долларов США; инвестиции в размере 1 миллиона долларов США в зеленую энергетику могут создать 16,7 рабочих мест (по сравнению с 5,3 рабочими местами, если бы та же сумма была инвестирована в проекты по использованию ископаемого топлива). Также стоит отметить, что общая стоимость зеленых облигаций, выпущенных в мире в период с января по сентябрь 2019 года, достигает более 180 млрд долларов США, что больше, чем за весь 2018 год. Поступления от этих облигаций использованы для финансирования экологических проектов.

Рост населения планеты и повышение уровня благосостояния создали одну из самых больших проблем нашего времени: увеличение количества отходов. Количество свалок, особенно в развивающихся странах, продолжает расти. И в России это стало актуальной проблемой. Одним из самых распространенных и опасных видов отходов является пластик. Около 8% добываемой нефти идет на его производство. А срок службы пластиковой упаковки в среднем составляет одну минуту после покупки товара, после чего она разлагается в течение 1000 лет. Средний человек производит около 1 кг отходов в день, а ежегодно на планете образуется до 2 миллиардов тонн отходов. Треть всех отходов производится 16% населения в странах с высоким уровнем жизни. По прогнозам, ежегодное производство отходов в мире увеличится еще на 70%.

Уровень загрязнения воздуха различается от региона к региону. Наиболее сложная ситуация в России сложилась в Уральском, Дальневосточном и Сибирском федеральных округах. На уровень загрязнения воздуха оказывают влияние небольшие, но многочисленные промышленные объекты, а также объекты коммунальной инфраструктуры. Доля выбросов загрязняющих веществ от автотранспорта составляет в среднем 38% в Российской Федерации и 42% в США. Влияние автомобильного транспорта на состав воздуха в региональных центрах более значительно, выбросы диоксида азота и оксида углерода достигают 27% и 88%, соответственно [7].

Надо отметить, что объемы выбросов от производств, различных предприятий контролируются (или делаются такие попытки), количество автомобилей и выбросы от автопарка тоже можно оценить. Но очень сложно оценить количество вредных выбросов от жизнедеятельности населения – можно только оценивать их через средние значения, так как нет контроля за такими действиями, как например использование бытовой химии, разведение костров и сжигание мусора на дачных участках, курение сигарет и др.

Способы изменения экологической обстановки

Изменение экологической обстановки возможно только путем общего глобального сокращения выбросов. С этой целью проводятся международные встречи, конференции, на одной из которых пришли к консенсусу об имеющейся проблеме экологического характера. Результатом конференции в Париже в 2015 году стало Парижское соглашение, целью которого является «активизация деятельности», направленная на уменьшение темпов роста глобальной средней температуры атмосферы планеты. Соглашение требует от стран-участниц учитывать экологическую составляющую в стратегическом планировании развития государства.

Зеленым технологиям сегодня крайне сложно конкурировать с технологиями традиционными. Зеленые проекты часто находятся на границе рентабельности, высока вероятность работы в убыток. Правительство, заинтересованное в улучшении экологии, должно создавать благоприятные условия для таких проектов. И здесь видны два пути: повышение требований, либо налогов к продукции технологий традиционных, либо выделение субсидий для зеленых проектов.

Примером реализации первого направления является строительство новых тепловых и атомных электростанций в России с использованием градирен, несмотря на близость крупных водоемов. В Китайской Народной Республике были ужесточены ограничения на выбросы для угольных электростанций: за 16-летний период (по состоянию на 2016 год) ограничения на выбросы оксидов азота увеличились в среднем в 5,5 раза, оксидов серы – в 13 раз, а золы – в 70 раз. В целом, квоты были сокращены в 36 раз для различных оксидов и в 300 раз для золы. Примером субсидирования зеленых проектов может послужить ДПМ-«штрих» для возобновляемых источников энергии. Эта программа гарантирует окупаемость вложений на строительство новых электростанций, основанных на зеленых технологиях.

В рамках уменьшения выбросов оксида углерода есть программы по установлению углероднонейтрального режима на определенных территориях. В России первыми такими зонами в рамках эксперимента могут стать территории Мурманской, Ульяновской и Ленинградской областей. Так, 20 марта 2021 года ПАО «ГМК «Норильский Никель» прекратило работу цеха Кольской ГМК в Мончегорске. Закрытие цеха позволило сократить выбросы на 85% по сравнению с 2015 годом. В планах руководства компании модернизация ТЭЦ, результатом чего станет уменьшение выбросов оксидов углерода. Кольская АЭС планирует строительство двух энергоблоков по 600 МВт взамен устаревших. Излишки электроэнергии АЭС будут направлены на производство водородного топлива установкой мощностью 1 МВт с дальнейшим расширением до 10 МВт.

Зависимость работы энергетического оборудования от внешних условий

При анализе работы газотурбинных электростанций отмечается влияние различных внутренних и внешних факторов на этот процесс. Во многих случаях эти факторы невозможно контролировать, но они влияют на производительность турбины и ее энергоэффективность [8; 9; 10]. Типичными условиями эксплуатации на этапе проектирования являются Т=150C, Р=101,3 кПа и относительная влажность 60%. При этих условиях газотурбинная установка работает в базовом режиме. Однако расчетная мощность снижается, когда температура окружающего воздуха превышает 150С (см. рис.). Выходная и тепловая мощность турбины возрастает, если понижается температура на впуске в компрессор.

Рис. Зависимость мощности газотурбинной установки (ГТУ) от температуры окружающего воздуха

При длительной эксплуатации возможно забивание фильтров, что приводит к снижению мощности, выданной ГТУ. Обычно замена происходит раз в год, фильтры заменяются полностью (комплектом). Чем больше мощность ГТУ, тем выше стоимость замены фильтров вследствие увеличения их количе- ства. Возможна установка фильтров большей мощности и более частая их замена, но в связи с дороговизной фильтров (средняя стоимость замены составляет 1 млн руб. и выше) выбирается оптимальное время работы фильтров уже по факту наработки ГТУ.

В работе происходит засорение входного направляющего аппарата, что приводит к снижению мощности на 1,5-2,0%, а также к общему снижению КПД и, соответственно, к повышению удельных выбросов [11]. В летний период, когда повышается температура циркулирующей воды, возможно частичное засорение трубного пучка конденсатора, что может повлечь за собой ухудшение качества вакуума, что влияет на экономичность. И все эти факторы оказывают влияние на работу оборудования, подчеркнем, что это – влияние внешних факторов (запыленность территории, качество воды, расположение других объектов вокруг и др.).

Газовые турбины в основной своей массе работают на природном газе, поэтому при их эксплуатации легко контролировать выделение CO 2 , NO x , SO x из отработавших газов, по сравнению с другими видами топлива. Топливом для газовых турбин в установках комбинированного цикла в основном является природный газ. Однако газовые турбины могут сжигать различные виды газообразного топлива. Каждое топливо может иметь существенно различные свойства в зависимости от его основного содержания и состава примесей [12; 13].

Проблемы глобального потепления и изменения климата требуют приложения глобальных усилий для снижения концентрации парниковых газов, таких как двуокись углерода (CO 2 ), в атмосфере. Все в большей степени внимание фокусируется на необходимости удаления CO 2 из дымовых газов, образующихся при различных процессах в самых разных отраслях промышленности, включая энергетику, химическую промышленность, металлургию. Улавливание двуокиси углерода – это ключевая стратегия в достижении целей по снижению эмиссии CO 2 .

Приведем конкретный пример: за счет ввода в эксплуатацию двух блоков парогазовых установок (ПГУ) (110 МВТ) на теплоэлектроцентрали Казанской ТЭЦ-2 достигнуто значительное сокращение удельных выбросов (таблица) [8].

Таблица

Динамика изменения выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух на единицу отпущенной электрической и тепловой энергии и единицу использования топлива

Глобальная декарбонизация может быть достигнута путем увеличения доли возобновляемой энергии, например, при помощи солнечных панелей и ветроустановок. Однако, энергия солнечных панелей и ветроустановок нестабильна и имеет прерывистый тип производства, в то время как для энергетики важна стабильность при энергоснабжении потребителей. Перспективным направлением является использование водорода в качестве топлива для энергетических установок, так как при его сжигании выбросы будут минимальны. При работе на водороде наблюдается меньший расход топлива, однако требуется серьезная модернизация топливной системы ГТУ, для работы на чистом водороде необходимо настраивать систему автоматического регулирования газовой турбины [11; 14].

Заключение

Выбросы в атмосферу парниковых газов и сажевых частиц при сжигании природного газа в энергетических установках, выбросы метана при таянии льдов и вечной мерзлоты при добыче сланцевого газа являются ключевыми факторами глобального потепления. В настоящее время основное внимание уделяется повышению экологической безопасности при производстве тепла и электроэнергии, что, как ожидается, будет достигнуто за счет использования гибридных технологий производства энергии.

Ответственность за улучшение экологической обстановки будет возлагаться на правительства стран. Это означает, что каждой стране придется взять на себя обязательства по регулированию выбросов. Безусловно, регулирование выбросов будет связано с некоторыми издержками, выражающимися в замедлении экономического роста, однако, все должны понимать, что меры, проигнорированные сегодня, могут принести многократно превышающие издержки в будущем. При этом следует понимать, что государственные программы, инвестиции в зеленые технологии и местные экопроекты эффективны только тогда, когда каждый осознает свою ответственность за будущее. Нельзя перекладывать ее только на политиков, бизнесменов или активистов. Начинать надо с себя.