Наш старый сайт

Водородные сюрпризы

Водородные сюрпризы

№24 (1217) от 15.06.202129.06.2021

О некоторых особенностях энергетической стратегии по-украински и превратностях борьбы за чистую энергию

МНЕНИЕ

Некоторые виды хозяйственной деятельности человека, такие как производство электроэнергии, использование природного газа в быту и промышленности, использование моторного топлива на транспорте, металлургическая, горнодобывающая, сельскохозяйственная, машиностроительная и другие отрасли, сопровождаются выбросами в атмосферу газов, водяных паров и твердых загрязняющих веществ.

В свою очередь, некоторые газы, наиболее влияющие на природную окружающую среду и, как следствие, на изменение климата, относятся к парниковым газам, о которых и пойдет речь.

В данной статье приводится оценка выбросов парниковых газов в процессе производства электроэнергии на угольных электростанциях (ТЭС, ТЭЦ), а также в качестве сравнения оценка выбросов парниковых газов при использовании природного газа, моторного топлива и водорода вместо природного газа.

В процессе сжигания топлива большая часть углерода выбрасывается непосредственно в виде углекислого газа CO2, а также образующихся при горении топлива метана CH4, закиси азота N2O и других соединений.

Соединения азота образуются в процессе горения при высокой температуре вследствие окисления азота, входящего в состав воздуха. Количество образующихся соединений азота зависит от температуры горения и соотношения количества топлива и воздуха — чем выше температура горения, тем больше образуется соединений азота.

Согласно Киотскому протоколу, к парниковым газам относятся 6 основных химических соединений (углекислый газ, метан, фторуглеводороды, фторуглероды, закись азота, гексафторид серы). Наиболее значимые из них 3 соединения: углекислый газ (двуокись углерода) — СО2, метан — СН4, закись азота — N2O. Как правило, нормирование и учет осуществляется по этим трем газам.

Каждый из трех указанных газов обладает разной парниковой активностью и, соответственно, в разной степени воздействует на изменение климата. Поэтому для упрощения учета выбросов парниковых газов подсчитывается общий объем выбросов через сопоставляемые им объемы углекислого газа, который обладает наименьшей парниковой активностью.

С этой целью введена условная единица эквивалента углекислого газа — потенциал глобального потепления (ПГП).

Для углекислого газа ПГП —1, для метана ПГП — 25, для закиси азота ПГП — 298, то есть, если при горении образуется 1 кг закиси азота, то это эквивалентно 298 кг углекислого газа.

В соответствии с VI Национальным сообщением Украины по вопросам изменения климата, выбросы парниковых газов в Украине в 1990 г. составили 950 млн т, в том числе: СО2 (углекислый газ) — 76%; СН4 (метан) — 18%; N2O (закись азота) — 7%.

Там же приведены данные, что в 2011 г., спустя 20 лет, выбросы парниковых газов в Украине уменьшились и составили 400 млн т. Пропорция распределения практически не изменилась: 76%, 16% и 8% — углекислый газ, метан, закись азота соответственно.

Имеющее место снижение выбросов обусловлено не мерами по защите окружающей среды, а снижением хозяйственной деятельности, и только частично мерами по повышению энергоэффективности.

По данным Министерства защиты окружающей среды, динамика изменения выбросов основного компонента парниковых газов углекислого газа в Украине за 30 лет следующая: 1990 г. — 722 млн т, 2011 г. — 304 млн т, 2014 г. — 274 млн т, 2015 г. — 229 млн т, 2019 г. — 185 млн т.

При этом данные Министерства защиты окружающей среды по выбросам углекислого газа за 2019 г. соответствуют оценке компании British Petrolium от 14.06.20 г. — 185.4 млн т, а согласно оценке World Bank от 17.02.21 г., выбросы углекислого газа в Украине в 2019 г. составили 202.2 млн т. То есть данные Министерства защиты окружающей среды Украины практически соответствуют данным зарубежных экспертов.

Если исходить из того, что пропорция между составляющими компонентами сохраняется, то суммарный выброс парниковых газов в 2015 г. составил 301 млн т, в 2019 г. — 243 млн т.

Наличие парниковых газов в атмосфере влияет на изменение климата в виде глобального потепления. Международное сообщество приняло меры, целью которых является удержание прироста глобальной температуры до 1.5 0С посредством уменьшения выбросов парниковых газов.

Взаимодействие стран по предотвращению глобального потепления выразилось в заключении Парижского соглашения по изменению климата 12 декабря 2015 г. Парижское соглашение — юридически обязательный международный договор по тематике изменения климата, к которому присоединилась и Украина.

Соглашение предусматривает, что страны-участницы соглашения разработают и направят к 2020 г. в Секретариат ООН по климату свои планы по борьбе с изменением климата — определяемые на национальном уровне вклады в виде количества выбросов парниковых газов.

Вклад Украины по предотвращению изменения климата, представленный в ООН, составляет снижение выбросов парниковых газов до 2030 г. на 40% от значения выбросов в 1990 г., то есть с 950 млн т до 570 млн т.

В дополнение к вышесказанному отметим, что Президент Украины Владимир Зеленский, готовясь к Конференции сторон Парижского соглашения в Глазго в декабре 2020 г., заявил, что Украина прорабатывает второй национальный вклад по выбросам парниковых газов, целью которого является возможность снижения выбросов парниковых газов в 2030 г. во всех секторах экономики до 36-42% по сравнению с 1990 г., то есть сокращение с 950 млн т до 342-400 млн т.

28 февраля 2019 г. принят Закон Украины № 2697-VIII "Основные принципы (стратегия) государственной экологической политики Украины на период до 2030 г.". Согласно этому закону, установлены требования поэтапного снижения выбросов парниковых газов и загрязняющих веществ.

В Приложении к этому Закону в строке 21 "Выбросы парниковых газов" значится, что при расчете данных по снижению выбросов, базовым годом считается 2015 г., в котором выбросы парниковых газов составили 37.8% от уровня 1990 г., то есть 359 млн т.

По данным Министерства защиты окружающей среды, как было указано выше, выбросы углекислого газа в 2015 г. составили 229 млн т, соответственно, всего парниковых газов — 301 млн т.

В этом же Приложении к Закону № 2697-VIII значится, что выбросы в 2020 г. должны составить не более 76% от уровня 2015 г., в 2025 г. не более 60% и в 2030 г. не более 60%. То есть, согласно Закону № 2697-VIII, в 2030 г. выбросы парниковых газов должны составить не более 215.4 млн т.

Таким образом, имеется три значения по ограничению выбросов парниковых газов в Украине в 2030 г.: 570 млн т — квота согласно Парижскому соглашению, 400 млн т — обязательства по заявлению Президента Украины и 215 млн т — согласно Закону Украины № 2697-VIII.

В VI Национальном сообщении Украины по вопросам изменения климата сказано, что основным источником выбросов является "Энергетика" и в то же время не указано, какие отрасли хозяйства в данном случае отнесены к "Энергетике". Такой подход к оценке выбросов завуалировал источники выбросов парниковых газов.

Это позволило через СМИ сформировать мнение у населения, у народных депутатов, у членов правительства и у Президента Украины, что "Энергетика" — это и есть генерация электроэнергии. Соответственно, ключом решения проблемы выбросов парниковых газов является уменьшение использования ископаемых энергоносителей при электрогенерации и увеличение доли электрогенерации с использованием возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

Сформировано необоснованное ожидание, что проблемы с выбросами парниковых газов решаются массовым строительством солнечных и ветровых электростанций (СЭС и ВЭС) и заменой природного газа водородом.

В результате, в Украине началась компания по лоббированию сооружения ВЭС, СЭС и принятия законов по созданию необоснованных преференций на энергорынке.

Как результат, в 2020 г. выработка электроэнергии на ВЭС и СЭС составила всего 7.3% от общей выработки, тем не менее, данное обстоятельство создало проблему на энергорынке и привело к резкому повышению цены на электроэнергию, что имело не только экономические, но и политические последствия.

Фактически источником выбросов парниковых газов являются не только средства генерации электроэнергии, но и угле-, газо- и нефтедобыча, металлургия, автомобильный транспорт, использование природного газа населением, промышленностью и пр. Проблема выбросов парниковых газов этими отраслями в СМИ обойдена вниманием.

На АЭС, ГЭС в процессе производства электрической энергии парниковые газы не образуются, соответственно, выбросы отсутствуют. Аналогично и на ВЭС и СЭС. Однако наличие или отсутствие выбросов от ВЭС и СЭС зависит от оценки их роли в работе энергосистемы.

СЭС генерируют электроэнергию только днем, ВЭС — только при наличии ветра. Коэффициент использования установленной мощности СЭС около 16%, ВЭС — 35%. В связи с этим, в энергосистеме на случай "плохих" дней и обеспечения потребителей электроэнергией ночью должны быть замещающие мощности. Если в качестве замещающих мощностей используются угольные ТЭС и ТЭЦ, то выбросы парниковых газов замещающими электростанциями следует отнести на счет СЭС и ВЭС.

Выработка электроэнергии в Украине на ТЭС и ТЭЦ производится в основном за счет сжигания каменного угля и только незначительная доля при сжигании природного газа. В качестве примера приведем оценку выбросов парниковых газов в 2019 г. на ТЭС и ТЭЦ.

В 2019 г., согласно статистическим данным, на ТЭС и ТЭЦ было сожжено всего 25.92 млн т угля. При сжигании угля на электростанциях образуются в основном углекислый газ в количестве 3000 кг/т угля, закись азота — 14 кг/т угля, которые выбрасываются в атмосферу в виде дымовых газов.

Поскольку в 2019 г. было сожжено на ТЭС и ТЭЦ 25.92 млн т угля, то в атмосферу выброшено углекислого газа 77.8 млн т, закиси азота 0.362 млн т, в сумме всего парниковых газов — 78.16 млн т, что составляет 32.1% от общих выбросов парниковых газов в Украине в 2019 г. (243 млн т).

Отсюда следует, что в Украине генерация электроэнергии на ТЭЦ и ТЭС является основным источником парниковых газов, однако, как показано ниже, по количеству не сильно опережает выбросы другими источниками.

Несмотря на значительное количество выделяемых парниковых газов при генерации электроэнергии на ТЭЦ и ТЭС, его уменьшение с точки зрения технических и организационных мероприятий является дорогостоящей, но наиболее понятной и простой задачей.

Как обстоит дело в промышленно развитых странах с выбросами парниковых газов при генерации электроэнергии с использованием ископаемых энергоносителей?

В Украине в 2020 г. произведено 149 млрд кВтч электроэнергии, из них 52.4 млрд кВтч на ТЭС и ТЭЦ с использованием ископаемых энергоносителей (35.1%).

В свою очередь, в Австралии — произведено 213 млрд кВтч, из них 176.4 млрд кВтч с использованием ископаемых энергоносителей (82.8%), в Великобритании — соответственно 286 млрд кВтч и 129.6 млрд кВтч (45.3%); в Германии — 486 млрд кВтч и 64.1 млрд кВтч (13.1%); во Франции — 500 млрд кВтч и 36,5 млрд кВтч (7.3%); в ЕС — 3227 млрд кВтч и 1161 млрд кВтч (36%); в Канаде — 650 млрд кВтч и 131.3 млрд кВтч (20.2%); в США — 4165 млрд кВтч и 2541 млрд кВтч (61%).

Как видим, генерация электроэнергии с использованием ископаемых энергоносителей в абсолютных значениях во всех перечисленных странах значительно превышает генерацию электроэнергии в Украине с использованием каменного угля, за исключением Франции. Соответственно, выбросы парниковых газов во всех этих странах больше, чем в Украине.

В Украине на начало 2021 г. не так уж плохо обстояло дело в части выбросов углекислого газа как основного компонента парниковых газов при генерации электроэнергии. В соответствии с этим, Украина имеет некоторый запас времени в решении проблемы с выбросами парниковых газов при генерации электроэнергии.

С ростом экономики производство электроэнергии на ТЭС и ТЭЦ необходимо будет увеличивать, что приведет к увеличению выбросов парниковых газов, так как выработка электроэнергии на АЭС практически достигла 100% возможностей.

В Украине в 2019 г. потребление природного газа составило 29.8 млрд куб м. Полагаем, что это количество газа было сожжено в тех или иных устройствах для получения тепловой энергии.

Согласно справочным данным, при сгорании одного метра кубического природного газа образуется углекислого газа 2.0 кг/м3 и закиси азота 11 г/м3 .

Следовательно, при сжигании 29.8 млрд куб м природного газа было выброшено в атмосферу углекислого газа 59.6 млн т и закиси азота 0.33 млн т, т.е. в сумме 60 млн т. Доля выбросов парниковых газов вследствие сжигания природного газа в 2019 г. составила 24.7%.

По данным Государственного комитета по статистике, в 2019 г. потребление бензина, дизельного топлива и автогаза составило 1.95 млн т, 6.99 млн т и 1.92 млн т соответственно.

При использовании моторного топлива в 2019 г. в двигателях внутреннего сгорания было выброшено в атмосферу в целом парниковых газов 21.75 млн т (9% от общего количества парниковых газов) — это третий источник по количеству выбросов.

Всего в Украине в 2019 г. было выброшено в атмосферу парниковых газов при генерации электроэнергии на ТЭЦ и ТЭС, при использовании природного газа населением и в промышленности, при использовании автомобильного транспорта около 160 млн т или 65.8% от общего количества выбросов (243 млн т).

Разница в 83 млн т приходится на иные источники выбросов: машиностроение, добывающие производства, металлургию, транспортировку газа, производство удобрений и пр.

В 2019 г. производство электроэнергии в Украине на АЭС составило несколько больше 50%, что и обусловило снижение выбросов парниковых газов. В настоящее время на 12 блоках АЭС из 15 продлены сроки эксплуатации сверх проектного срока в 30 лет до 40 лет, т.е. продление составило 10 лет. Сроки продления на 11 блоках заканчиваются к концу 2031 г. Возможно ли дополнительное продление работы энергоблоков АЭС на следующие 10 лет — вопрос открытый.

Если продление не состоится, то генерация будет осуществляться не на АЭС, а на ТЭС, ТЭЦ и частично с использованием ВИЭ. Это значит, что в начале 2030-х годов в Украине можно ожидать увеличения выбросов парниковых газов, которое влечет за собой нарушение обязательств Украины по Парижскому соглашению по климату, что приведет к санкциям.

Украина присоединилась к Парижскому соглашению по климату и это нашло отражение в "Энергетической стратегии Украины на период до 2035 г. "Безопасность, энергоэффективность, конкурентноспособность", одобренной распоряжением КМУ №605-р от 18 августа 2018 г.

Однако в этом документе относительно выбросов парниковых газов акцентируется внимание на разработке законодательной базы в части сопровождения схемы торговли квотами на выбросы парниковых газов и реализации в Украине системы торговли квотами. Создается впечатление, что вместо разработки и реализации мероприятий по снижению выбросов парниковых газов, Украина направляет свои усилия на торговлю квотами по выбросам.

В "Энергетической стратегии Украины на период до 2035 года…" отсутствуют конкретные планы снижения выбросов парниковых газов, более того, в преамбуле содержатся взаимоисключающие положения.

Сказано, что Украина в перспективе будет стремиться оставаться одним из наибольших в континентальной Европе производителей углеводородов. Здесь же сказано о приложении усилий по выполнению обязательств по сокращению выбросов парниковых газов.

Как видно из оценочных расчетов, выброс парниковых газов при использовании природного газа по количеству находится на втором месте. С увеличением производства и потребления природного газа растут выбросы парниковых газов.

Сокращение выбросов в принципе возможно за счет отказа от использования ископаемых энергоносителей, то есть углеводородов, за счет увеличения доли производства электроэнергии на АЭС, ГЭС, ВЭС, СЭС и, другими словами, от отказа использования угля и природного газа.

Для примера рассмотрим, как обстоит дело с планами по снижению выбросов парниковых газов в Китае, где текущая ситуация с экологией крайне неблагоприятная.

В Китае к окончанию 2020 г. установленная мощность ВЭС составила 281.5 ГВт, СЭС — 253.4 ГВт. В то же время на Всекитайском Съезде Народных Представителей (депутатов парламента) отмечено, что для того, чтобы обеспечить достижение углеродной нейтральности в 2060 г. установленная мощность АЭС в 2035 г. должна составить 180 ГВт, при том что установленная мощность АЭС в КНР на конец 2020 г. составила 51 ГВт.

В украинской энергетической стратегии на период до 2035 г. относительно планов по снижению выбросов парниковых газов приведены декларации и ни одной цифры, ни одной даты.

Водородные дали

Приверженцам водородных технологий, которые ратуют за замену природного газа водородом, следует помнить, что теплотворная способность природного газа в среднем составляет 38 МДж/м3, водорода — 10.7 МДж/м3. То есть, чтобы получить равное количество тепла, следует сжечь объемов водорода в 3.5 раза больше, чем природного газа.

Предположим, что в 2019 г. потребленный природный газ в количестве 29.8 млрд м3 был заменен на водород. Для получения такого же количества тепловой энергии требуется 104 млрд м3 водорода. Для его производства потребовалось бы более 500 млрд кВтч электроэнергии, что невозможно ни сегодня, ни в ближайшем будущем.
При сгорании водорода в воздухе не образуется углекислый газ, но при высокой температуре горения образуются соединения азота с кислородом. Температура горения водорода выше температуры горения природного газа и поэтому при сгорании водорода образуется больше соединений азота.

Если принять, что при сгорании водорода образуется такое же количество соединений азота, как и при сгорании природного газа, то есть 11 г/м3 газа, то при сгорании 104 млрд м3 водорода образуется как минимум 1.14 млн т закиси азота, что эквивалентно 339.7 млн т углекислого газа. И это только при использовании водорода, к этому надо добавить выбросы от использования моторного топлива и выбросы от работы ТЭС и ТЭЦ. И при этом, согласно заявлению Ппрезидента Украина относительно Парижского соглашения по климату, Украина берет на себя обязательство снизить выбросы парниковых газов до 400 млн т к 2030 г.

И в заключение

Во-первых, текущее значение выбросов парниковых газов в Украине основными источниками (электрогенерация, использование природного газа, автомобильный транспорт) находится в допустимых значениях и соответствует требованиям Парижского соглашения по изменению климата на период до 2030 г.

Однако это состояние определено не мерами по сокращению выбросов парниковых газов, а сокращением хозяйственной деятельности после 1990 г. и выработкой электроэнергии на АЭС более 50% от общей выработки.
Потребление природного газа дает второе значение по образованию парниковых газов, поэтому следует в будущем предусмотреть замену потребления природного газа электрическим током, что безопаснее, дешевле и технологичнее.

Во-вторых, в перспективе, к концу 2031 г., заканчиваются сроки первого продления эксплуатации 12 энергоблоков АЭС, и в случае непродления или проблем с продлением эксплуатации на последующие сроки Украина столкнется с серьезной угрозой по выбросам парниковых газов, так как наращивание электрогенерации будет осуществляться за счет работы старых угольных блоков ТЭС и ТЭЦ.

Наращивание генерации на ВИЭ имеет физические пределы, связанные с мощностью энергосистемы. При нарушении оптимального соотношения в энергосистеме между мощностью постоянно действующих систем генерации и мощностью ВИЭ возможен развал энергосистемы, что имело место в штате Техас в США в феврале 2021 г. (см. "Операция тьмы", "Энергобизнес" №12 от 23.03.21 г.), и практически грозило развалом энергосистеме Германии в 2016 г. Данное обстоятельство может привести к необходимости закупки электроэнергии за рубежом.

В-третьих, следует увязать между собой два основных документа: "Энергетическую стратегию Украины на период до 2035 г. "Безопасность, энергоэффективность, конкурентноспособность" и "Основные принципы (стратегию) государственной экологической политики Украины на период до 2030 г.", так как основные выбросы парниковых газов, более 65%, обусловлены энергетической деятельностью.

Кроме того, в официальных документах имеются три разных значения по выбросам парниковых газов в Украине в 2030 г.: 570 млн т — согласно Парижскому соглашению, 400 млн т — согласно заявлению Президента Украины и 215 млн т согласно Закону Украины № 2697-VIII.

В-четвертых, достижение углеродной нейтральности является длительным процессом нескольких десятилетий и ее достижение возможно только в случае полного отказа от использования ископаемых энергоносителей.
Если надо исключить использование ископаемых энергоносителей, то следует переходить на электрогенерацию с помощью АЭС и ВИЭ при разумном их сочетании.

И, наконец, в-пятых, переход на сжигание водорода вместо природного газа не решает проблему исключения выбросов парниковых газов, поскольку при горении водорода в воздухе образуется закись азота, у которой потенциал глобального потепления (ПГП) равен 298, что в 298 раз сильнее углекислого газа.

Георгий ГАВРИЛЕНКО, энергетик