Введение
Большинство ученых сходятся во мнении, что климат на планете меняется в сторону потепления [2]. Проведенные исследования говорят о том, что главная причина повышения изменения климата сегодня — деятельность человека. Большинство ученых склоняются к утверждению, что наибольшее влияние на климат оказывают так называемые парниковые газы, в основном это метан и двуокись углерода. Из общего объема парниковых газов, выбрасываемых в атмосферу, порядка 50% приходится на выбросы объектов энергетики, работающих на углеводородном топливе. В Российской Федерации, по данным Росгидромета, объем попавших в атмосферу парниковых газов в результате сжигания углеводородного топлива составляет 81,5% от общего объема [5]. Самым простым способом сокращения выбросов парниковых газов является внедрение энергоэффективных и энергосберегающих технологий.
Комбинированное производство тепла и электроэнергии (когенерация) рассматривается, как важнейшее мероприятие климатической политики. Для внедрения мероприятий по энергосбережению и экологической безопасности предусматривается использование мини-ТЭЦ с различными видами двигателей. Основными достоинствами мини-ТЭЦ являются: низкая стоимость вырабатываемой электроэнергии, тепла и холода, возможность быстрого строительства, быстрая окупаемость, низкий расход топлива, длительный ресурс эксплуатации оборудования, экологическая безопасность [3; 4].
Снизить парниковые выбросы возможно с помощью реализации низкоуглеродных сценариев развития экономики. В основе подобных сценариев, прописанных в «Энергетической стратегии – 2030», – постепенный отказ от традиционных путей развития энергетики, реализация широкомасштабных мероприятий по энергосбережению и повышению энергетической эффективности и развитие возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Географически и климатически так сложилось, что основной потенциал использования возобновляемых источников энергии в России связан с гидроэнергетикой (крупные, малые и микро-ГЭС), в меньшей степени – с биоэнергетикой, ветровой и геотермальной энергетикой, солнечной [1].
В данной работе приведены результаты исследования влияния различных источников энергии на вклад в парниковый эффект. Были изучены следующие источники: мини-ТЭЦ с дизельными двигателями, использующими дизельное топливо, газопоршневыми двигателями, работающими на природном газе и биогазе, газотурбинными двигателями, работающими на природном газе, ветровые и солнечные электростанции. Все электростанции имеют мощность 1 МВт.
Расчет парниковых газов для разных источников энергии
Расчет парниковых газов был выполнен в соответствии с методикой «Пересмотренные Руководящие принципы национальных инвентаризаций парниковых газов МГЭИК», которые включают методологии по сжиганию топлива, индустриальным процессам, сельскохозяйственным почвам, изменению землепользования и лесному хозяйству, отходам. При расчете учитывались следующие парниковые газы: углекислый газ, закись азота и метан.
Расчет эмиссии парниковых газов был проведен для мини-ТЭЦ мощностью 1 МВт с дизельными двигателями Уральского дизель-моторного завода, газопоршневыми двигателями Caterpillar, работающими на природном газе и биогазе, газотурбинными двигателями Kawasaki Heavy Industries Ltd. Исходными данными для расчета являлись: паспортные данные двигателя, расход топлива. Паспортные данные двигателей приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Паспортные данные двигателя
Производитель двигателей |
Модель двигателя |
Мощность, кВт |
Расход топлива, т/год или тыс. м3/год |
Дизельные |
|
|
|
Уральский дизель-моторный завод |
8ДМ-21С |
1080 |
1724,0 |
Газопоршневые на природном газе |
|
|
|
Caterpillar |
G3516 |
1030 |
2505 |
Газопоршневые на биогазе |
|
|
|
Caterpillar |
G3516 |
1030 |
4608 |
Газотурбинные |
|
|
|
Kawasaki |
M1A-01 |
1100 |
5009 |
Результаты расчета эмиссии парниковых газов представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Сводная таблица по эмиссии парниковых газов
Мощность, кВт |
Эмиссия парниковых газов, т/год |
Эмиссия парниковых газов в пересчете на СО2экв, т СО2/год |
Эмиссия парниковых газов в пересчете на СО2экв |
||||
СО2 |
N2О |
СН4 |
СО2 |
N2О |
СН4 |
т СО2/год |
|
8ДМ-21С |
5473,7 |
0,045 |
0,149 |
5473,7 |
13,9 |
3,14 |
5491 |
G3512 (газ) |
3008,3 |
0,006 |
0,276 |
3008,3 |
1,7 |
5,79 |
3016 |
G3516 (биогаз) |
5533 |
0,010 |
0,507 |
5533 |
3,1 |
10,64 |
5547 |
M1A-01 |
9217 |
0,0169 |
0,84 |
9217 |
5,2 |
17,7 |
9240 |
Достоинства и недостатки возобновляемых источников энергии
Основным преимуществом возобновляемых источников энергии является использование неисчерпаемых источником энергии, таких как солнечная энергия, ветер и биотопливо.
Достоинства производства биотоплива из навоза или растительных отходов: получение биогаза для выработки электро- и теплоэнергии на когенерационных установках, производство высококачественных биоудобрений с высоким содержанием азотной и фосфорной составляющей, экономия затрат на очистных сооружениях и уменьшение платы за загрязнение почвы, снижение уровня вредных выбросов в атмосферу.
Ветровая энергетика - один из наиболее безопасных для окружающей среды способов производства электроэнергии.
Преимущества ветровой энергетики: производство энергии не сопровождается выбросами в атмосферу вредных веществ; отсутствует загрязнение водного бассейна, ветроэнергетика не мешает ведению сельского хозяйства и промышленной деятельности вблизи ветростанций. Ветровой энергетике не требуется невозобновимое органическое топливо.
Одним из экологических недостатков возобновляемых источников энергии (солнечных и ветровых) являются большие площади электростанций, по сравнению с традиционной энергетикой.
Площадь, занимаемая электростанцией, составляет:
- солнечные - 1га/МВт,
- ветровые - 20 га/кВт.
Площади, изымаемые у окружающей природной среды, были заняты лесами, полями или другими естественными экологическими системами. Изъятие больших площадей приводит к уменьшению образования органической массы в процессе фотосинтеза в зеленых растениях. Средняя продуктивность для лесов составляет 7т/га за год.
Растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Уменьшение площади растений приводит к изменению баланса кислорода и углекислого газа. Деревья, поглощая углекислый газ, способствуют уменьшению интенсивного парникового эффекта. При отчуждении территории для строительства электростанции этот процесс нарушается.
Известно, что максимальной способностью поглощать углекислый газ обладают леса, и величина эта составляет за год 4 т/га. Исходя из этого можно определить величину уменьшения поглощения углекислого газа при вырубке леса для строительства электростанции мощностью 1 МВт.
Результаты расчетов уменьшения поглощения углекислого газа лесами и уменьшение образования органической массы представлены в таблице 3.
Таблица 3 – Уменьшение поглощения углекислого газа лесами и уменьшение образования органической массы
|
Вид ВИЭ |
|
Параметр |
солнечные |
ветровые |
Площадь, занимаемая электростанцией, га |
1 |
20 |
Удельное поглощение лесом углекислого газа, т/га |
4 |
4 |
Уменьшение поглощения углекислого газа, т |
4 |
80 |
Продуктивность лесов, т/га за год |
7 |
7 |
Уменьшение образования органической массы, т |
7 |
140 |
На рисунке 1 представлены результаты расчета эмиссии парниковых газов для мини-ТЭЦ мощностью 1 МВт с дизельными двигателями, газопоршневыми двигателями, работающими на природном газе и биогазе, газотурбинными двигателями, а также уменьшение поглощения углекислого газа при вырубке леса для строительства солнечной и ветровой электростанций.
Рис. 1. Результаты расчета эмиссии парниковых газов для мини-ТЭЦ мощностью 1 МВт с дизельными двигателями, газопоршневыми двигателями, работающими на природном газе и биогазе, газотурбинными двигателями, а также уменьшение поглощения углекислого газа при вырубке леса для строительства солнечной и ветровой электростанций
Выводы
Проведенные исследования показали:
- все источники энергии оказывают влияние на эмиссию парниковых газов,
- газотурбинные двигатели выбрасывают парниковых газов больше, чем остальные двигатели,
- газопоршневые установки на биогазе выбрасывают парниковых газов больше из-за худшего состава топлива,
- самым экологичным способом производства электроэнергии являются солнечные батареи.
Рецензенты:
Михаленко Михаил Григорьевич, д.т.н., профессор, декан ИФХФ, Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева (НГТУ), г. Нижний Новгород.
Лоскутов Алексей Борисович, д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Электроснабжение и электроэнергетика» (ЭСиЭ), Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева (НГТУ), г. Нижний Новгород.