Юрий Степанович Почанин
Энергетика и экология
Парниковые газы – газообразные составляющие атмосферы природного, или антропогенного происхождения, которые поглощают и переизлучают инфракрасное излучение. Антропогенный рост концентрации в атмосфере парниковых газов приводит к повышению приземной температуры и изменению климата. Список парниковых газов, подлежащих ограничению, определен в Приложении А к Киотскому протоколу (подписан в Киото (Япония) в декабре 1997г. 159 государствами) и включает двуокись углерода (CO2), метан (CH4), закись азота (N2O), перфторуглероды (ПФУ), гидрофторуглероды (ГФУ) и гексафторид серы (SF6). Водяной пар – самый распространенный парниковый газ – исключен из данного рассмотрения, так как нет данных о росте его концентрации в атмосфере (связанная с ним опасность не просматривается).
Двуокись углерода (углекислый газ) (СО2) – важнейший источник климатических изменений, на долю которого приходится, по оценкам, около 64% глобального потепления. Основными источниками выброса углекислого газа в атмосферу являются производство, транспортировка, переработка и потребление ископаемого топлива (86%), сведение тропических лесов и другое сжигание биомассы (12%), остальные источники (2 %), например производство цемента и др. После выделения молекула двуокиси углерода совершает цикл через атмосферу и биоту и окончательно поглощается океаническими процессами или путем длительного накопления в наземных биологических хранилищах, то есть поглощается растениями. Количество времени, при котором примерно 63% газа выводится из атмосферы, называется эффективным периодом пребывания. Оцениваемый эффективный период пребывания для СО2 колеблется в пределах от 50 до 200 лет.
Метан (СН4) имеет как природное, так и антропогенное происхождение. В последнем случае он образуется:
–в результате производства топлива, пищеварительной ферментации (например, у скота), рисоводства, сведения лесов (главным образом вследствие горения биомассы и распада избыточной органической субстанции). На долю метана приходится, по оценкам, примерно 20% глобального потепления. Выбросы метана представляют собой значительной источник парниковых газов.
Закись азота (N2O) – третий по значимости парниковый газ Киотского протокола. Выделяется при производстве и применении минеральных удобрений, в химической промышленности, в сельском хозяйстве и т. д. На него приходится около 6% глобального потепления.
Перфторуглероды– ПФУ (Perfluorocarbons – PFCs). Углеводородные соединения, в которых фтор частично замещает углерод. Основным источником эмиссии этих газов является производство алюминия, электроники и растворителей. При алюминиевой плавке выбросы ПФУ возникают в электрической дуге или при так называемых анодных эффектах.
Гидрофторуглероды (ГФУ) – углеводородные соединения, в которых галогены частично замещают водород.
Гексафторид серы (SF6) – парниковый газ, использующийся в качестве электроизоляционного материала в электроэнергетике. Гексафторид серы (элегаз, или шестифтористая сера, SF6) – неорганическое вещество, при нормальных условиях тяжелый газ, в 5 раз тяжелее воздуха. Выбросы происходят при его производстве и использовании. Чрезвычайно долго сохраняется в атмосфере и является активным поглотителем инфракрасного излучения. Это соединение, даже при относительно небольших выбросах, обладает потенциальной возможностью влиять на климат в течение продолжительного времени в будущем.
Выбросы кислых газов и золы. При соединении оксидов серы с водой из воздуха образуются капельки серной и сернистой кислот. Их растворы могут долгое время держаться в воздухе в виде плавающих капелек тумана или выпадать вместе с дождем и снегом. Выпадение кислых осадков сопровождается подкислением водоемов и почвы, что приводит к гибели водных организмов, деградации почвенной фауны, ухудшению состояния лесов и их усыханию. По причине подкисленной почвы снижаются урожаи, ухудшается качество сельскохозяйственной продукции. Кислотные дожди и туманы разъедают металлы, краски, синтетические соединения, ткани, сокращают сроки и ухудшают хранение продуктов питания и т. д. Наибольшую опасность кислотные дожди представляют для индустриальных стран, однако посредством трансграничных переносов высотными ветрами они достигают и соседних государств.
В 2000–2010 гг. глобальные выбросы парниковых газов (ПГ) росли быстрее (на 2,2% в год), чем в три предшествующих десятилетия (на 1,3% в год в 1970–2000 гг.), несмотря на глобальный экономический кризис и усилия растущего числа стран реализовать Рамочную конвенцию ООН об изменении климата и Киотский протокол. За последние четыре десятилетия накопленные выбросы углекислого газа увеличились с 900 млрд т СО2 в 1970 г. до 2 000 млрд т в 2010 г. СО2 по-прежнему является основным антропогенным парниковым газом. Выбросы ПГ от сжигания топлива в 2013 г. превысили 32 млрд т СО2, и при отсутствии жестких мер политики по их контролю могут вырасти до 50–70 млрд СО2 к 2050 г. и до 90 млрд т СО2 – к 2100 г.
Расчеты показывают, что без существенных дополнительных мер по контролю за выбросами в ближайшие 20 лет будет практически невозможно удерживать концентрацию ПГ в атмосфере в рамках 450–500 ppm. Это означает, что потребуются большие усилия по снижению выбросов в 2030–2050 гг. или широкомасштабное применение технологий удаления ПГ из атмосферы либо ее охлаждения в последующие годы. Хотя смягчение воздействия на климат сопряжено с существенными затратами, они могут быть снижены за счет устранения барьеров для проникновения на рынок низкоуглеродных технологий и возобновляемых источников энергии.
Золоотвалы. Отрицательное влияние на природу оказывают и золоотвалы. В месте их размещения земля исключается из сельскохозяйственного оборота, происходит загрязнение грунтовых и поверхностных вод, атмосферы, нарушается функционирование природных экосистем.
Рекомендованные направления политики и меры по сокращению выбросов парниковых газов, определенные в Киотском протоколе, включают в себя:
–повышение эффективности использования энергии в соответствующих секторах национальной экономики;
–охрану и повышение качества поглотителей и накопителей парниковых газов с учетом своих обязательств по соответствующим международным природоохранным соглашениям;
–содействие рациональным методам ведения лесного хозяйства, облесению и лесовозобновлению на устойчивой основе;поощрение устойчивых форм сельского хозяйства в свете мер, связанных с изменением климата;
–содействие внедрению, проведение исследовательских работ, разработку и более широкое использование новых и возобновляемых видов энергии, технологий поглощения двуокиси углерода и инновационных экологически безопасных технологий;
–постепенное сокращение или устранение рыночных диспропорций, фискальных стимулов, освобождения от налогов и пошлин, субсидий, противоречащих цели Конвенции, во всех секторах – источниках выбросов парниковых газов и применение рыночных инструментов;
–поощрение надлежащих реформ в соответствующих секторах в целях содействия осуществлению политики и мер, ограничивающих или сокращающих выбросы парниковых газов;
–меры по ограничению и/или сокращению выбросов парниковых газов на транспорте;
–ограничение и/или сокращение выбросов метана путем рекуперации и использования при удалении отходов, а также при производстве, транспортировке и распределении энергии.
ГЛАВА 2. ОПЫТ ГЕРМАНИИ В РАЗВИТИИ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ
В январе 1980 г. в Карлсруэ была основана партия зеленых, которая сформировалась из противоатомного и экологического движения. Партия зеленых в 1983 г. вошла в немецкий парламент и потребовала новой энергетической политики, направленной на защиту окружающей среды и климата. Партия требовала уходить от атомной энергетики и сжигания ископаемых энергоносителей, таких как бурый и каменный уголь, природный газ, и заниматься экологически чистыми, альтернативными видами производства электроэнергии. Политика зеленых дала импульс мелким и средним предприятиям заняться развитием альтернативных видов производства электроэнергии.
Немецкий парламент в 1990 г. принял закон о подаче электроэнергии из возобновляемых энергоисточников в сеть общего пользования и о вознаграждении по конкретным тарифам. Этот закон был необходим для защиты мелких производителей электроэнергии из возобновляемых источников от больших электроконцернов, которые усложняли доступ к своим электросетям или отказывали в нем. Гарантированное вознаграждение давало сильный стимул для развития возобновляемых источников энергии. Установленные тарифы приводили до уровня экономической целесообразности, особенно что касается находящихся вблизи моря ветровых установок, в то же время тарифы для фотоэлектрических установок были еще далеки до этого.
С самого начала новый закон критиковали большие электроконцерны, поскольку они видели для себя угрожающую конкуренцию.
Дальнейшие импульсы возобновляемая энергетика получила на конференции в Киото 1997 г., где были приняты обязывающие цели по уменьшению выбросов CO2. В июле 2000 г. было достигнуто соглашение между правительством ФРГ и большими электроконцернами о замораживании работ по производству атомной энергии. Окончательную победу возобновляемая энергетика получила в 2000 г., когда в немецком парламенте был принят закон о возобновляемой энергетике. Закон определяет приоритетную подачу электроэнергии из возобновляемых источников перед электростанциями на базе традиционных видов топлива. Эксплуатирующие организации передающих и распределительных сетей обязаны принимать электроэнергию и выплачивать вознаграждение за нее по установленным тарифам. Вознаграждение гарантируется на протяжении 20 лет. В 2000 г. были установлены новые тарифы, таблица 2.1.
Таблица 2.1 Тарифы на энергию, получаемую с помощью ВИЭ
Вид установки ВИЭ
Тарифы, 1990 г.
Тарифы, 2000 г.
Ветровые установки
7,23 евроцент/кВт·ч
9,10 евроцент/кВт·ч*
Гидроэлектростанции
7,23 евроцент/кВт·ч
7,67 евроценткВт·ч
Биогазовые комплексы
7,23 евроцент/кВт·ч
10,23 евроцент/кВт·ч
Установки свалочного газа
7,23 евроцент/кВт·ч
7,67 евроцент/кВт·ч
Установки геотермии
5,95 евроценткВт·ч
8,95 евроцент/кВт·ч
Фотоэлектрические установки
8,23 евроцент/кВт·ч
45,70 евроцент/ кВт·ч**
* 9,10 евроцент/кВтч выплачивались только первые 5 лет, затем – 6,19 евроцент/кВтч.
** Если фотоэлектрическая установка монтируется на крышах здания или на звукоизолирующей преграде, то вознаграждение повышается на 11,7 евроцент./кВтч при мощности до 30 кВт, на 8,9 евро- цент./кВтч – при более чем 30 кВт и на 8,3 евроцент./кВтч – при более чем 100 кВт.
Высокое вознаграждение за электроэнергию из фотоэлектрических установок первоначально было необходимо и оправдано из-за высокой стоимости этой технологии – 1 кВт установленной мощности в 2000 г. стоил около 5 000 евро. С тех пор цены сильно упали, и в 2015 г. 1 кВт стоил уже около 1 000 евро. Тарифы имели понижающийся характер (вначале больше, затем меньше), чтобы дополнительно стимулировать развитие ВИЭ.
Цель закона заключается в том, чтобы в интересах защиты климата и окружающей среды способствовать устойчивому развитию энергообеспечения, снижать стоимость энергообеспечения путем использования долгосрочных косвенных факторов, беречь ископаемые энергоносители и продвигать технологии производства электроэнергии из возобновляемых источников.
Закон о ВИЭ составил основу для почти беспрепятственного развития всех видов устройств для получения электроэнергии из возобновляемых источников. Правительство поставило конкретные цели для развития ВИЭ, которые были достигнуты в 2015 г. и определены задачи до 2050 г., рис. 2.1.
Рис. 2.1. Доля ВИЭ в энергопроизводстве Германии
Все установки ВИЭ производили в 2015 г. около 31%электроэнергии в Германии. Около 2% производимой электроэнергии приходится на сжигание биомассы. В Германии активно развивают ветровую энергетику. Старые маломощные установки заменяют на новые высокомощные (Repowering). Только в 2015 г. было введено в эксплуатацию 1 115 новых ветровых установок на суше с общей мощностью 3 536 МВт. Из большого количества гидроэлектростанций мощность выше 1 МВт имеют только 406. Количество установленной мощности фотоэлектрических установок снизилось в 2015 г. на 1,3–2 ГВт. Тарифы за 1 кВтч электроэнергии из фотоэлектрических установок уменьшились с 57 евроцентов в 2000 г. до 12 – в 2015-м.
Согласно закону о ВИЭ, эксплуатирующие организации передающих и распределительных сетей, обязаны принимать электроэнергию из этих установок и оплачивать по названным тарифам. Так, только в 2015 г. владельцам ВИЭ за производимую и подаваемую в общую сеть электроэнергию было выплачено около 20 млрд евро. Электроэнергия из ВИЭ продается в Евросоюзе на биржах (в Париже и Лейпциге). Биржевая цена за электроэнергию значительно ниже, чем установленные тарифы, поэтому выручка от продажи электроэнергии из ВИЭ составляет лишь около 25–30%. Таким образом, появляется убыток в размере 70–75%, который распределяется на всех конечных потребителей. В счетах за электроэнергию эта сумма указывается как так называемая перекладка за возобновляемую энергетику (EEG-Umlage). С возрастанием количества установок ВИЭ вырос и размер этой перекладки, который в 2015 г. достиг почти 6,4 евроцент/кВтч. В среднем цена за электроэнергию для населения выросла с 2000-го до 2015 г. с 14 до 29 евроцент/кВтч – увеличение более чем на 100 %. С 2000-го до 2015 г. немецкий закон о возобновляемой энергетике был неоднократно переработан и приведен в соответствие с современными условиями. Первое обновление закона было в 2004 г. Тогда были поставлены конкретные цели развития возобновляемых источников энергии, а именно: к 2010 г. – до 12,5% и к 2020-му–до 30%. В среднем цена за электроэнергию для населения выросла с 2000-го до 2015 г. с 14 до 29 евроцент/кВтч.
Второй раз закон обновлялся в 2009 г. Была сделана его полная переработка. Разделы о структуре и распределении электроэнергии были написаны заново. Количество статьей увеличивалось с 24 до 66. Эксплуатирующие организации сетей получили право не принимать электроэнергию из ВИЭ в случае перегрузки сети, но в таких случаях они обязаны компенсировать потери владельцам ВИЭ за непринятую электроэнергию. В дальнейшем были определены размеры годового снижения тарифов для электроэнергии из ВИЭ (дегрессия). Кроме того, разрешалась прямая продажа электроэнергии конечным потребителям.
Третье обновление закона состоялось в 2012 г. Предыдущий закон был основательно переработан. Согласно энергетической программе, правительства были закреплены конкретные цели дальнейшего развития ВИЭ. Доля электроэнергии из ВИЭ в энергопотреблении должна составлять в 2020 г. не менее 35%, в 2030-м – не менее 50%, в 2040-м – не менее 50% и в 2050 г. – 80%. Особое внимание уделено рыночной, сетевой и системной интеграции. Цель – в оптимизации общей системы для улучшения взаимодействия ВИЭ и традиционной энергетики.
Особенное внимание уделено регулированию производства электроэнергии из фотоэлектрических установок. Для этого был принят отдельный законодательный акт (27.06.2012 г., PV-Novelle). В нем установлены новые тарифы в зависимости от места нахождения установки, ее мощности и месячной дегрессии (пропорциональное налогообложение с понижением процента для уменьшающихся по величине доходов) тарифа, таблица 2.1.
Таблица 2.1. Зависимость тарифов от мощности, места установки и генерации по месяцам года, евроцент/кВтч
Установленная мощность ФЭУ на крышах зданий
На полях
< 10 МВт
Дегрес- сия, %
2012 г.
< 10 кВт
10–
40 кВт
40–
1 000 кВт
1–10
МВт
Апрель
19,50
18,50
16,50
13,50
13,50
1
Май
19,30
18,31
16,34
13,37
13,37
1
Июнь
19,11
18,13
16,17
13,23
13,23
1
Июль
18,92
17,95
16,01
13,10
13,10
1
Август
18,73
17,77
15,85
12,97
12,97
1
Сентябрь
18,54
17,59
15,69
12,84
12,84
1
Октябрь
18,36
17,41
15,53
12,71
12,71
1
Ноябрь
17,90
16,98
15,15
12,39
12,39
2,5
Декабрь
17,45
16,56
14,77
12,08
12,08
2,5
Кроме того, была установлена мощность предельного развития фотоэлектрики в Германии в размере 52 ГВт. Годовой коридор для увеличения мощности сохраняется в пределах 2,5–3,5 ГВт. Если было построено больше, чем 3,5 ГВт в год, то дегрессия повышалась дополнительно на 3%, если более 4,5 ГВт – на 6 % и свыше 5,5 ГВт – на 9%. Если, наоборот, цель постройки новой мощности не была достигнута, то дегрессия уменьшалась. В случае если было построено менее 2,5 ГВт в год, то на 2,5 %, менее 1,5 ГВт – на 5 % и менее 1 ГВт – на 7,5%.
По-новому регулировались тарифы для электроэнергии, получаемой с ГЭС. Так, при мощности до 500 кВт – 12,7 евроцент/кВтч, до 2 МВт – 8,3 евроцент/кВтч, до 5 МВт – 6,3 евроцент./кВтч, до 10 МВт – 5,5 евроцент./
кВтч, до 20 МВт – 5,3 евроцент/кВтч и до 50 МВт – 4,2 евроцент Втч.
Четвертое обновление закона пришлось на 2014 г. Закон снова получил широкую и основательную переработку, вырос до 104 статей и 4 приложений на 74 страницах. Были установлены следующие размеры увеличения мощности:
1. Ветровая энергетика на суше – 2 500 МВт в год.
2. Ветровая энергетика на море – 6 500 МВт до 2020 г. и 15 000 МВт – до 2030 г.
3. Фотоэлектрические установки – 2 500 МВт в год.
4. Все виды биомассы вместе – 100 МВт в год.
В главе 4 регулируются тарифы для каждого вида ВИЭ отдельно. В зависимости от отклонения от планируемой мощности тарифы уменьшаются быстрее или медленнее.
Германия в сентябре 2022 года подключила 1Гвт ветровой и солнечной энергии к энергосети. Переход Германии к возобновляемым источникам энергии начался около 30 лет назад, как и в ряде других европейских стран, что связано с климатическим кризисом. Однако технологии не позволяют быстро отказаться от традиционных источников энергии. Процесс перехода растянулся на десятилетия. Однако правительство Германии решило полностью отказаться от угля к 2030 году. Цель, к которой стремится страна – получать до 80% электроэнергии из возобновляемых источников, которая имеет свои плюсы и минусы по сравнению с атомной энергетикой. Однако в последнее время благодаря развитию технологий, стоимость энергии от возобновляемых источников стала существенно снижаться, и уже ее себестоимость даже ниже атомной энергии.
ГЛАВА 3. СНИЖЕНИЕ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ И ПОЛУЧЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОЙ ЭНЕРГИИ
3.1. Совершенствование технологий производства
Для более объективной и полной оценки отрицательного воздействия предприятий теплоэнергетики на природную среду, живое вещество биосферы и экономику необходимо учитывать все элементы: от добычи сырья, получения продукции (энергии), утилизации отходов до ликвидации самого предприятия. Мероприятия по снижению загрязнений воздушной среды выбросами ТЭС решают в основном двумя способами: использованием технологических методов подавления их образования и установкой пыле-газоочистного оборудования.
В связи с постоянным ростом энергопотребления в ближайшее время человечество ощутит ограниченность ископаемого топлива. Избежать этого можно, по-видимому, двумя способами.
1.Экономия энергии. Применение ресурсосберегающих и энергосберегающих технологий обеспечило значительное сокращение потребления топлива и материалов в развитых странах.
2.Развитие экологически более чистых видов производства энергии.
Экологическое совершенствование технологии производства. Интенсивность образования NOx определяется температурным уровнем и концентрацией кислорода в факеле. Интенсивность образования топливных NOx (за счет наличия азота в топливе) определяется концентрацией кислорода в зоне сгорания летучих компонентов, а температура играет второстепенную роль. Специально организуя топочный процесс, можно изменить количество образующихся оксидов азота при горении. Нашли практическое применение следующие методы.
1. Впрыск влаги или пара в топку – как средство снижения выбросов NOx. Отличается простотой, легкостью регулирования и низкими капитальными затратами (на газомазутных котлах этот метод позволяет снизить выбросы NOx на 20–30 %).
2. Ступенчатая подача топлива. При двухступенчатом сжигании через все горелки подают топливо с недостатком воздуха так, чтобы кислорода не хватало для образования NOx, а в конечную часть факела вводят недостающий для полного сгорания воздух. При трехступенчатом сжигании выше основных пылеугольных горелок в топке устанавливают дополнительные горелки, в которые подается часть топлива с недостатком воздуха, и создается зона с восстановительной средой. Еще выше располагают сопла для ввода третичного воздуха, необходимого для завершения топочного процесса.
3. Снижение избытка воздуха в топке на всех видах топлива приводит к уменьшению выброса NOx. Пределом применимости этого способа служит появление в уходящих газах продуктов неполного сгорания, увеличение содержания горючих в уносе, увеличение интенсивности шлакования поверхностей нагрева и высокотемпературная коррозия экранов.
4.Предварительный подогрев топлива до 700°С, когда выделяется значительная часть летучих веществ, а азотсодержащие компоненты топлива переходят в прочную молекулу N2, позволяет в 2,5 раза снизить выбросы топливных NOx.
5. Технология кипящего слоя. Принцип сжигания твердого топлива в кипящем слое его частиц заключается в следующем. Дробленое топливо и сорбент (известняк СаСО3), связывающий SО2, подаются в топку, и топливо сгорает при 800–900°С в кипящем слое, образованном золой или кварцевым песком (если топливо малозольное). Выносимые из топки частицы золы, сорбента и топлива улавливаются в циклоне и далее многократно циркулируют по контуру «топка – циклон – топка». При низких температурах горения не происходит разложения золы и шлакообразования, а также образования NOx. Подаваемый в кипящий слой известняк разлагается под действием высокой температуры, становится пористым. Проникающий в поры диоксид серы соединяется с СаО с образованием CaSO. Развитие технологий кипящего слоя направлено на обеспечение эффективного сжигания низкокачественного высокозольного топлива в широком диапазоне изменения нагрузок котлов без использования газообразного и жидкого топлива, а также на максимальное сокращение выбросов оксидов серы, азота и летучей золы. Таким способом Япония сумела весьма существенно сократить выбросы от крупных ТЭС, работающих на угле.
6. Золоулавливание на ТЭС. Чтобы предотвратить выброс золы в атмосферу и защитить дымососы котлов от абразивного износа, на электростанциях осуществляется очистка газов в золоуловителях: механических (циклоны, центробежные скрубберы, тканевые фильтры и др.) и электрических (электрофильтры).
7. Методы очистки газовых выбросов ТЭС. Различают мокрые (жидкофазные) и сухие методы очистки газовых выбросов от токсичных компонентов. Как мокрые, так и сухие методы могут быть циклическими и не циклическими, каталитическими и не каталитическими. Мокрые методы очистки связаны с использованием в качестве поглотительного агента жидкости: воды, водных растворов, других веществ или жидкостей. Сухие методы очистки основаны на взаимодействии газа с твердыми веществами-поглотителями (сорбентами).
Мировые затраты на охрану окружающей среды непрерывно растут. Для снижения вредного воздействия выбросов на ТЭС строятся дорогостоящие трубы высотой 200–300 м для рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере, устанавливается все более эффективное и дорогое оборудование по улавливанию и очистке выбросов. Большинство промышленно развитых стран уже подошло к тому рубежу, когда установка такого оборудования становится главным лимитирующим фактором дальнейшего роста производства энергии, поскольку приводит к увеличению себестоимости генерации энергии и превышению издержек над прибылью.
