Анализ корректности сравнения показателей выбросов парниковых газов в энергосистемах ЕС и РФ

Евгений ГАШО
Профессор НИУ МЭИ, д. т. н.
E-mail: anna.gorshik@yandex.ru

Сергей БЕЛОБОРОДОВ
НП «Энергоэффективный город», к. т. н.
E-mail: anna.gorshik@yandex.ru

Климатическая повестка является одним из ключевых факторов, оказывающих влияние на развитие мировой экономики в настоящее время. Снижение выбросов парниковых газов, в первую очередь углекислого газа (СО2) рассматривается в качестве основного направления в борьбе с изменением климата на Земле [1].
Европейский союз планирует достичь нейтральности к углероду к 2050 г. путём реализации стратегии развития водородной экономики [2]. Приоритетом для ЕС является развитие возобновляемых источников энергии и производство с их помощью водорода.
Важным аспектом реализации водородной стратегии Европейского союза является намерение распространить её действия на внешних торговых партнёров с помощью экономических связей и дипломатии, в том числе за счёт инвестиций «в международное сотрудничество в области климата, торговли и исследовательской деятельности» [3].
Пакет предложений включает в том числе правила пограничного углеродного регулирования Carbon Border Adjustment Mechanism (CBAM) [4]. Предполагается, что в рамках механизма СВАМ цена на выбросы углекислого газа будет одинаковой как для продукции европейских производителей, так и для импортных товаров. Таким образом, Европейским союзом декларируется недискриминационный характер механизма СВАМ и его соответствие правилам ВТО и другим международным обязательствам ЕС.
В соответствии с Рамочной конвенцией ООН об изменении климата каждая страна «проводит национальную политику» с целью ограничения выбросов парниковых газов в атмосферу.
Указом Президента Российской Федерации поставлена задача обеспечить к 2030 г. сокращение выбросов парниковых газов до 70 % относительно уровня 1990 г. с учётом максимально возможной поглощающей способности лесов и иных экосистем и при условии устойчивого и сбалансированного социально-­экономического развития Российской Федерации [5].
Стратегия социально-­экономического развития Российской Федерации с низким уровнем выбросов парниковых газов до 2050 г. [6] позволит достичь баланса между антропогенными выбросами парниковых газов и их поглощением не позднее 2060 г.
Приоритетом стратегии является выполнение задачи, поставленной в послании Президента Российской Федерации Федеральному Собранию Российской Федерации от 21 апреля 2021 г. по сокращению в период с 2021 по 2050 гг. накопленного объема чистой эмиссии парниковых газов в Российской Федерации до более низких значений по сравнению с показателями Европейского союза.
Важно отметить, что поставленные Европейским союзом цели достижения углеродной нейтральности к 2050 г. [2] и снижения выбросов парниковых газов на 55 % относительно уровня 1990 г. [7] в настоящее время не подтверждаются ни наличием ресурсов, ни фактическими действиями [8]. Так годовой ввод в промышленную эксплуатацию ветровых и солнечных электростанций в ЕС составляет менее 10 % от необходимого объёма [8]. Водородная стратегия не решает вопросы со снижением выбросов парниковых газов в секторах: сельское хозяйство, утилизация отходов, лесное хозяйство. Снижение выбросов в секторе промышленного производства возможно только после изменения структуры экономики ЕС [4].
Важной задачей является корректное сравнение показателей выбросов парниковых газов в разных странах, поэтому анализ отличий в принципах расчёта выбросов парниковых газов в Европейском союзе и Российской Федерации является актуальным.

Сравнение отчётных данных (разные подходы и методики)

Изменение объёма выброса парниковых газов рассчитывается относительно показателей 1990 г., принятых в качестве базовых значений. Выбросы рассчитываются для [9,10]:
энергетического сектора, включающего сжигание всех видов ископаемого топлива, утечки и технологические выбросы продуктов в атмосферу;
промышленных процессов и использования продукции;
сельского хозяйства;
сектора землепользования, изменения землепользования и лесного хозяйства (ЗИЗЛХ);
отходов.
Одним из показателей, характеризующих экологическую эффективность электроэнергетической системы, является величина удельного выброса углекислого газа на выработку электрической энергии.
Величина удельного выброса СО2 определяется:
структурой топливного баланса электростанций;
долей комбинированной выработки электрической энергии и тепла в энергобалансе;
коэффициентом использования теплоты топлива комбинированной выработки;
выбором методики разнесения расхода топлива на выработку электрической энергии и тепла;
электрическим КПД конденсационных и теплофикационных турбин.
Сравнение удельных выбросов углекислого газа на выработку электроэнергии в энергосистемах ЕС и ЕЭС России необходимо проводить на основе методик, одинаково трактующих термин «комбинированная» выработка электрической энергии и тепла, использовать одинаковые подходы к разнесению топлива между производством электроэнергии и тепла, корректно учитывать удельную теплоту сгорания разных видов топлива.

Отчётные показатели выработки ВИЭ

Выработка электрической энергии ветровыми и солнечными электростанциями характеризуется суточной и сезонной неравномерностью и плохой прогнозируемостью.
Германия и Дания являются лидерами ЕС в области внедрения ВИЭ, обеспечивают баланс производства и потребления электроэнергии в своих энергосистемах за счёт экспорта и импорта электроэнергии.
На рис. 1 представлены фактические значения выработки электрической энергии ТЭС, а также требуемая выработка ТЭС в случае отсутствия экспорта электроэнергии из энергосистемы Германии в соседние страны для дней с долей ВИЭ в производстве электроэнергии около 60 % [11].
Тепловая генерация не участвует в регулировании частоты, работает в эффективных режимах. Избыток выработки ВИЭ в энергосистеме Германии не востребован и отправляется на экспорт, при этом формируются отрицательные цены на электроэнергию [11]. Таким образом, в часы избытка выработки ВИЭ потребителям доплачивают за потреблённую электроэнергию.

Рис. 1. Производство электроэнергии на ТЭС в энергосистеме Германии
(1. – фактический режим ТЭС; 2. – требуемый режим ТЭС при отсутствии экспорта электроэнергии)

В случае отсутствия экспорта/импорта потребовалась бы работа ТЭС с ежедневными пусками/остановами генерирующего оборудования. Ухудшение режимов привело бы к снижению топливной эффективности ТЭС, росту выбросов парниковых газов в энергосистеме [12, 13].
На рис. 2 и 3 представлены данные о динамике экспорта/импорта электроэнергии в энергосистемах Германии и Дании.

Рис. 2. Динамика экспорта/импорта электроэнергии в энергосистеме Германии
1. – экспорт; 2. – импорт; 3. – сумма объёмов экспорта и импорта; 4. – выработка ВЭС.
Рис. 3. Динамика экспорта/импорта электроэнергии в энергосистеме Дании
1. – экспорт; 2. – импорт; 3. – сумма объёмов экспорта и импорта; 4. – выработка ВЭС.

Рост выработки ВЭС и СЭС в балансе электроэнергии приводит к росту объёмов экспорта и импорта в энергосистемах Германии и Дании. В энергосистеме Германии объём экспорта превышает объём импорта. Дания значительно сократила выработку электрической энергии на угольных ТЭС и в значительной мере зависит от импорта электроэнергии. В энергосистеме Дании объём импорта превышает объём экспорта электроэнергии (таблица 1).

Таблица 1. Производство электроэнергии в энергосистемах Германии и Дании в 2020 г.

В официальных отчётах используются показатели отношения выработки ВИЭ (ВЭС и СЭС) к потреблению и к производству электроэнергии без учёта перетоков с энергосистемами соседних стран, что приводит к значительному росту данных показателей (таблица 2).

Таблица 2. Доля ВЭС и СЭС в энергосистемах Дании и Германии в 2020 г.

Учёт экспорта электроэнергии приводит к снижению доли выработки ВЭС и СЭС в производстве электроэнергии в энергосистеме Дании с 60,9 до 20,2 %, а в потреблении с 49,2 до 16,3 %. Аналогично, доля выработки ВЭС и СЭС в производстве электроэнергии в энергосистеме Германии снижается с 31,4 до 19,8 %, а в потреблении с 32,5 до 20,5 %.
В таблице 3 представлена зависимость обеспечения баланса электрической энергии в энергосистемах Германии и Дании от экспорта/импорта.
Отношение суммы объёмов экспорта/импорта, обеспечивающих баланс производства и потребления электроэнергии в энергосистеме, к потреблению составляет 20,6 и 85,1 %, к производству 19,9 и 105,5 % для Германии и Дании соответственно.
Рост доли ВЭС и СЭС увеличивает зависимость работы энергосистемы от экспорта/импорта электроэнергии, что приводит к снижению надёжности (живучести) энергоснабжения потребителей.

Методики

Российская Федерация в соответствии с решением 1/СР.16 конференции сторон Рамочной конвенции Организации Объединённых Наций об изменении климата каждые два года публикует доклады о состоянии дел с выбросами парниковых газов. В настоящее время опубликовано четыре доклада. Первый доклад был опубликован в 2014 г., четвёртый в 2019 г.
Статистические данные о выбросах парниковых газов, публикуемые в различных источниках, могут:
формироваться на основе разных методик;
рассматривать все или отдельные виды парниковых газов;
исключать из рассмотрения отдельные источники выбросов;
не учитывать ЗИЗЛХ, в том числе поглотительную способность лесов;
использовать отличающиеся или фиксированные эмиссионные факторы, не учитывающие специфики топлив в разных странах [14].

Леса как естественные поглотители СО2
Источник: JuliaSha / depositphotos.com

Поэтому, при проведении сравнения показателей разных стран необходимо быть уверенными в соответствии используемых методик и структуры данных. Выполнение международных обязательств формируется на основе показателей 1990 г., поэтому важнейшей задачей РФ является фиксация объёмов выбросов парниковых газов на данную дату.
К сожалению, данное требование не всегда выполняется. В качестве примера отметим некорректное сравнение в работе [15] совокупных выбросов парниковых газов с учётом ЗИЗЛХ на основе официальных отчётов Российской Федерации [9] с данными, подготовленными нефтяной компанией BP [16], учитывающими исключительно выбросы углекислого газа при сжигании ископаемого топлива. В соответствии с данными BP в 1990 г. выбросы СО2 при сжигании топлива составили 2234 млн т СО2, в то время как совокупные выбросы парниковых газов с учётом ЗИЗЛХ в соответствии с четвёртым двухгодовым отчётом РФ составили 3113 млн т СО2. Сравнение выбросов СО2 в результате сжигания топлива в 1990 г. показало полное соответствие данных, взятых из официальных отчётов Российской Федерации и подготовленных компанией BP (рис. 4).

Рис. 4. Выбросы СО2 в результате сжигания топлива в РФ
1. первый двухгодовой отчёт; 2. второй двухгодовой отчёт; 3. третий двухгодовой отчёт; 4. четвёртый двухгодовой отчёт: 5. ВР отчёт

Данные компании BP подтверждают значительное снижение текущих выбросов СО2 в Российской Федерации в результате сжигания топлива по сравнению с 1990 г. Однако значения выбросов, представленные в официальных отчётах РФ, примерно на 100 млн т СО2 ниже, чем оценки BP.
Таким образом, важным направлением является разработка достоверной доказательной базы по расчёту выбросов парниковых газов в Российской Федерации. Анализ четырёх двухгодовых отчётов Российской Федерации [9] показал, что основное влияние на отклонение показателей выбросов и поглощения парниковых газов в 1990 г. имело место в результате значительного разброса данных по:
технологическим выбросам и утечкам метана (СН4) (от 251 до 889 млн т СО2‑экв);
поглощению СО2 лесами (от -248 до –190 млн т СО2);
выбросам СО2 возделываемыми землями (от 75 до 315 млн т СО2).

Коэффициент эмиссии парниковых газов

При проведении сравнения объёмов выбросов углекислого газа в разных странах иностранными экспертными организациями применяется унифицированный подход к коэффициентам выбросов углекислого газа при сжигании топлива на основании данных Международного энергетического агентства (IEA, 2005): для природного газа – 56,1 т СО2/ТДж, каменного угля – 94,6 т СО2/ТДж, бурого угля – 101,2 т СО2/ТДж [16–18]. Применение унифицированного подхода с одной стороны обеспечивает согласование результатов, полученных различными исследователями, с другой стороны приводит к снижению их точности.
Коэффициенты выбросов углекислого газа, применяемые в РФ при формировании национального доклада о кадастре антропогенных выбросов, их источников и абсорбции поглотителями парниковых газов, полученные путём проведения исследований топлив составляют: природный газ – 54,4 т СО2/ТДж; кузнецкий уголь – 91,9 т СО2/ТДж, тугнуйский уголь – 94,2 т СО2/ТДж, воркутинский уголь – 92,6 т СО2/ТДж, канско-­ачинский бурый уголь – 98,1 т СО2/ТДж, гусиноозерский бурый уголь – 94,9, азейский уголь – 93,9 т СО2/ТДж [10].
Таким образом, применение унифицированного подхода приводит к завышению выбросов СО2 в Российской Федерации более чем на 3 % при сжигании природного газа, до 3 % при сжигании каменного угля и до 7,5 % при сжигании бурых углей [8, 16].
Завышенные показатели выбросов парниковых газов в докладе ВР при сжигании топлив по сравнению с официальными данными РФ могут быть следствием применения унифицированных показателей эмиссии вместо фактических значений. Необходимо отметить, что по информации ВР рассчитанные в соответствии с их методикой объёмы выбросов парниковых газов разных стран часто не соответствуют официальным значениям.

Когенерация

В Российской Федерации выработка электрической энергии источниками когенерации подразделяется на теплофикационную (комбинированную) и конденсационную. В статистической отчётности европейских стран может указываться только суммарный объём выработки электрической энергии источниками когенерации.
В рамках европейского подхода практически все ГРЭС и АЭС в ЕЭС России могут считаться источниками комбинированной выработки. Среднее значение электрического КПД источников комбинированной выработки в ЕС в 2020 г. составило около 26 % [19]. При проведении расчётов топливной эффективности источников комбинированной выработки в зарубежных методиках применяется электрический КПД теплофикационных турбин в диапазоне от 10 до 20 % [18], что снижает топливную эффективность выработки электроэнергии российскими ТЭЦ более чем в 2 раза, и приводит к росту выбросов парниковых газов в энергосистеме РФ по сравнению с фактическими значениями.
Международное энергетическое агентство (IEA) рассматривает два способа разнесения расхода топлива между выработкой электрической энергии и тепла источниками когенерации: пропорциональный метод и метод фиксированной эффективности выработки тепла на уровне КПД 90 % [20]. В Российской Федерации основными методами разнесения расхода топлива являются физический метод и метод ОРГРЭС, а также используется тепловой метод.
В рамках физического метода эффективность выработки тепла может быть на уровне КПД 80 %, а в рамках метода ОРГРЭС превышать 100 %.
Разные подходы к разнесению расхода топлива между производством электрической энергии и тепла в разных странах приводят к различию показателей выбросов парниковых газов.

СЕКТОР ЗИЗЛХ

В Указе Президента РФ поставлена задача сокращения выбросов парниковых газов относительно уровня 1990 г. с учётом максимально возможной поглощающей способности лесов и иных экосистем.

Определение «лес»

Одним из способов достижения нейтральности стран к выбросам СО2 является увеличение площади и поглотительной способности лесов.
Отдельной проблемой является то, что в Российской Федерации до сих пор отсутствует точное определение понятия «лес» [21]. В настоящее время при производстве Государственной инвентаризации лесов (ГИЛ) не учитываются все леса на территории субъекта РФ [21, 22].
В докладе конференции, состоявшейся в Марракеше в 2001 г., было определено, что в соответствии с Киотским протоколом для деятельности в области ЗИЗЛХ применяется определение «лес», которое «означает территорию площадью 0,05–1,0 га с лесным древесным покровом (или эквивалентным уровнем накопления), при этом более 10–30 % деревьев должны быть способны достигнуть минимальной высоты в 2–5 м в период созревания на местах» [23].
В Российской Федерации в целях выполнения обязательств по Киотскому протоколу под термином «лес» понимается «сообщество деревьев и кустарников, которое в возрасте спелости имеет минимальную полноту 0,3 (эквивалент сомкнутости крон 18 %), минимальную высоту деревьев 5 м, минимальную площадь 1 га и минимальную ширину 20 м» [24].
В Европейском союзе уточнение критериев лесных земель отдано на усмотрение национальных правительств европейских стран. Площади лесов варьируются от минимум 0,05 га для Чешской Республики и Австрии до минимум 1 га для Испании и Мальты. Кроновый покров деревьев колеблется от 10 до 30 %, а высота деревьев определяется как минимум 2, 3 или 5 м для каждой страны.
Различные значения отражают различные национальные условия и различия в типах лесов, а также позволяют государству-­члену ЕС применять определения, соответствующие их национальным определениям лесов [25].
Площадь лесов в ЕС (27 стран) составляет около 1,58 млн км2. В РФ площадь лесных земель выросла с 7,89 млн км2 в 1990 г. до 8,97 млн км2 в 2019 г. Рост был обеспечен в результате переустройства 1,23 млн км2 земель за период с 1990 по 2005 гг. в лесные земли. Площадь управляемых лесных земель в РФ составила 6,91 млн км2 в 2019 г. [10].
В 2021 г. Министерство природных ресурсов и экологии Российской Федерации внесло изменения в «Методические указания по количественному определению объема поглощения парниковых газов» с целью уточнения площадей «управляемых лесов» с учетом резервных лесов и лесов на землях сельскохозяйственного; использования данных первого этапа государственной инвентаризации лесов; уточнения площадей погибших лесов в результате воздействия лесных пожаров, вредных организмов, ветровалов, а также сплошных рубок; уточнения региональных коэффициентов накопления углерода в основных пулах; уточнения площадей осушенных и обводненных торфяников [26, 27].

Методики поглотительной способности лесов

В настоящее время оценки поглотительной способности лесов РФ, выполненные с использованием разных методик, могут отличаться в несколько раз [26, 28–32].
Для официальной оценки годовых изменений запасов углерода на лесных землях используется специальная программа РОБУЛ, разработанная Центром по проблемам экологии и продуктивности лесов Российской академии наук (ЦЭПЛ РАН) [10].
В таблице 4 представлены результаты оценок поглощения СО2, выполненные с использованием разных методик, а также сальдо выбросов парниковых газов в РФ с учётом ЗИЗЛХ.
Результаты оценки поглощения углекислого газа, выполненные на основании методики РОБУЛ [31], в разы ниже, чем полученные с помощью других методик. Поглотительная способность российских лесов, рассчитанная международной группой учёных [32], превышает эмиссию парниковых газов в РФ. В соответствии с расчётами, выполненными ВНИИЛМ [29] и IIASA [30], поглотительная способность лесов чуть меньше эмиссии парниковых газов.
Необходимо отметить, что при выполнении официальных расчётов не учитывается около 2 млн км2 площади неуправляемых лесных земель, составляющей около 29 % от учтённых в расчётах [28]. При формировании данных государственного лесного регистра (ГЛР) не используется информация, получаемая со спутников из космоса. В то время, как исследования, выполненные на базе информации, полученной со спутников NASA, указывают на значительный рост площади лесов по всему земному шару, включая Российскую Федерацию за последние 30 лет [33].

Брошенные с/х угодья

Рост площади лесов в результате снижения активности в аграрном секторе с 1991 г. является объективным результатом деятельности Российской Федерации в секторе ЗИЗЛХ за рассматриваемый период. Однако, новые леса, возникшие на заброшенных сельскохозяйственных землях, пока не учитываются [21, 26].
Площадь сельскохозяйственных земель в Российской Федерации сократилась с 638 млн га в 1990 г. до 382 млн га к 2020 г. Площадь неиспользуемых земель по разным оценкам составляет от 40 до 100 млн га. Проведенная в 2016 г. сельскохозяйственная перепись показала, что общая площадь неиспользуемых сельхозугодий в России в 2015 г. составляла 97,2 млн га или 44 % всех сельскохозяйственных угодий страны [34].
Для примера, выполненные исследования показали, что на средней и заключительной стадиях формирования леса находится 27 % общей площади сельскохозяйственных угодий Угличского района Ярославской области. Эта доля является минимальной оценкой степени зарастания, поскольку лесные контуры площадью менее 0,5 га исключены из расчетов при генерализации [22]. С учетом начальных стадий зарастания доля заброшенных и зарастающих лесом сельскохозяйственных земель может возрасти до 40–50 % площади сельскохозяйственных земель. На территории Брянской области неучтенными в ГЛР являются леса площадью 120,6 тыс. га, что соответствует площади лесов Орловской области [21]. Площадь заросших лесом и кустарниками сельхозугодий в СХП Барятино Тарусского района Калужской области в 2010 г. составила 48,9 % площади сельскохозяйственных земель, а к 2015 г. составит 80 % [35].
В настоящее время в лесном хозяйстве применяются такие термины, как запас , текущее изменение запаса , текущий отпад , которые определяют экономические показатели лесов для целей оценки коммерческой эффективности вырубки участков, но напрямую не определяющие эффективность поглощения углекислого газа. Леса, возникшие на землях, выведенных из сельскохозяйственного пользования, представлены молодняками, которые не представляют товарной ценности [21].
В работе [36] было показано, что учёт брошенных земель сельскохозяйственного назначения обеспечивает выполнение поручения Президента Российской Федерации по снижению выбросов парниковых газов.

Выводы

Сравнение удельных выбросов углекислого газа на выработку электроэнергии в энергосистемах ЕС и ЕЭС России необходимо проводить на основе методик, одинаково трактующих термин «комбинированная» выработка электрической энергии и тепла, использовать одинаковые подходы к разнесению топлива между производством электроэнергии и тепла, корректно учитывать удельную теплоту сгорания разных видов топлива.
Применение унифицированного подхода приводит к завышению выбросов СО2 в Российской Федерации более чем на 3 % при сжигании природного газа, до 3 % при сжигании каменного угля и до 7,5 % при сжигании бурых углей.
Результаты официальной оценки поглощения парниковых газов в секторе ЗИЗЛХ, выполненные на основании методики РОБУЛ, в разы ниже, чем полученные с помощью других методик. Для корректного учёта поглощения парниковых газов в секторе ЗИЗЛХ в Российской Федерации необходимо дать точное определение понятия «лес».
В настоящее время в лесном хозяйстве применяются термины, которые определяют экономические показатели лесов для целей оценки коммерческой эффективности вырубки участков, но напрямую не определяющие эффективность поглощения углекислого газа.
Учёт экспорта приводит к снижению доли выработки ВЭС и СЭС в производстве электроэнергии в энергосистеме Дании с 60,9 до 20,2 %, а в потреблении с 49,2 до 16,3 %. Аналогично, доля выработки ВЭС и СЭС в производстве электроэнергии в энергосистеме Германии снижается с 31,4 до 19,8 %, а в потреблении с 32,5 до 20,5 %.