Дмитрий РОЖИЦКИЙ
Доцент кафедры «Теплоэнергетика транспорта», Российский университет транспорта (РУТ (МИИТ), к. т. н., доцент
Е-mail: rodim@yandex.ru
Юрий БАРДЫКИН
Руководитель проектов, АО «Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта» (АО «ВНИИЖТ»), к. т. н.
Е-mail: yunb1212@yandex.ru
Александр ЧЕПИЛЬ
Заместитель начальника отдела,
Центральная дирекция по тепловодоснабжению – филиал ОАО «РЖД», магистр
Е-mail: chepilav@cdtv-rzd.ru
Юрий ПАВЛОВ
Заведующий кафедрой теплоэнергетики и водоснабжения на транспорте, Российская открытая академия транспорта (РУТ (МИИТ), к. т. н., доцент
Е-mail: yuripavlov2012@yandex.ru
В связи с возрастанием значимости вопросов защиты климата в международной и российской повестке, снижение выбросов парниковых газов и противодействие изменению климата выделены в Экологической стратегии ОАО «РЖД» (далее также – компания) как самостоятельное направление, которое является одним из приоритетов развития компании и неотъемлемой частью ее технической политики в сфере охраны окружающей среды [1].
Компания относится к организациям, потребляющим топливно-энергетические ресурсы (далее также – ТЭР) для обеспечения не только тяги поездов, но и стационарных объектов. Она относится к территориально-распределенным организациям, для которых характерна значительная рассредоточенность объектов по всей территории Российской Федерации [2]. Если снабжение электрической энергией более чем на 99% осуществляется централизованно от подразделений РАО «ЕЭС России» через собственную специализированную организацию («Трансэнерго»), то обеспечение теплотой происходит как за счет собственных производственно-отопительных котельных (на уровне 65% от потребности), так и от сторонних поставщиков, которые тоже локализованы в конкретном географическом месте. Последнее объясняется тем, что транспортировка теплоты рентабельна, как правило, на расстоянии от теплоисточника до потребителя не более чем на несколько километров.
ОАО «РЖД» обладает высоким потенциалом для реализации климатических проектов [2], в том числе за счет модернизации котельных с повышением их эффективности и замещением одного вида топлива на другой (например, с угля и нефтепродуктов на газ и биомассу), снижения потерь в электро- и теплосетях при транспортировке, повышения энергоэффективности зданий (применение новых высокоэффективных в части теплоизоляции материалов, установка солнечных коллекторов и т. д.), а также прочих проектов.
Все выбросы парниковых газов в зависимости от сферы охвата можно разделить на:
– прямые выбросы от собственных энергоисточников;
– косвенные выбросы, связанные с генерацией электроэнергии и теплоты, закупаемых со стороны;
– все другие косвенные выбросы, включая перевозку на транспортных средствах, не принадлежащих данному структурному подразделению и не контролируемых им, деятельность внешних подрядчиков, удаление отходов и т. д.
Прямые выбросы на стационарных энергообъектах обусловлены генерацией теплоты при сжигании котельно-печного топлива (далее также – КПТ). Выполним оценку потенциала снижения величины этих выбросов при условном сохранении потребности в данном энергоресурсе для объектов железнодорожного транспорта с учетом реализации сложившейся на сегодняшний день политики энергосбережения.
По состоянию на конец 2022 г. в ОАО «РЖД» генерация тепловой энергии производилась в 7 145 теплоисточниках, в том числе: угольных – 2 008 (1828 на каменном угле и 180 – на буром), на электростанциях – 4 023, потребляющих природный газ – 873, мазут – 133, дизельное топливо – 58, на прочих видах топлива – 50.
Статистическая отчетность в части расходования теплоты и топлива подразделениями железнодорожного транспорта (ТХО‑3, ТХО‑4, 4‑топливо, ТВО‑1 и ряд других), согласно [3], предусматривает применение внесистемных единиц измерения – Гкал (гигакалория) и т(кг) у. т. (тонна (килограмм) топлива в условном исчислении).
За 2022 г. в целом теплоисточниками структурных подразделений ОАО «РЖД» в целях генерации тепловой энергии было израсходовано 4 основных вида котельно-печного топлива (таблица 1).
В дальнейших расчетах объемами потребления дизельного топлива и прочих видов ТЭР в связи с их относительной незначимости пренебрегаем (1% от суммарного потребления). За вычетом указанных видов ТЭР общий объем потребления составит 1 039 375 т у. т. Теплоисточниками ОАО «РЖД» за 2022 г. было отпущено потребителям 5 980 120 Гкал тепловой энергии.
В связи с незначительностью доли отпуска теплоты от прочих видов топлива (пеллеты, СУГ) и дизельного топлива (суммарно 1%), и с учетом того, что в компании взят курс на полное замещение дизельного топлива другими видами энергоресурсов, в дальнейших расчетах тепловой энергией от этих видов КПТ пренебрегаем. Объем тепловой энергии за вычетом отпуска теплоты от ТЭР, имеющих незначительное применение в компании, составил 5 921 813 Гкал или, округляя, 5 922 000 Гкал. Данную величину будем использовать в дальнейших расчетах.
К одному из наиболее действенных способов экономии топлива (а значит, и снижения выбросов парниковых газов) относится замещение топочного мазута природным газом. Выполним оценку потенциала сокращения выбросов при изменении структуры топливопотребления в длительной перспективе (до 2050 г.). Очевидно, что поставленная задача является многокомпонентной и может быть разделена на несколько локальных подзадач, а именно:
1) прогнозирование потребности в тепловой энергии на заданный период;
2) прогнозирование изменения удельного расхода топлива (под действием энергосберегающих мероприятий) на тот же период;
3) планирование постепенного сокращения доли мазута, его замещения природным газом и учет влияния этого фактора на общий удельный расход топлива.
И только затем на основе полученных результатов можно оценить снижение величины выбросов парниковых газов на выбранном временно́м горизонте.
Прогноз потребности в тепловой энергии собственной генерации до 2050 г.
Статистические данные по отпуску тепловой энергии теплоисточниками по отчетности в компании за период 2016–2022 гг. приведены в таблице 2.
Тренд по отпуску тепловой энергии имеет нисходящий характер. Это объясняется целенаправленной технической политикой по сокращению непрофильных активов (выводом котельных в муниципальную собственность), переводом части мелких котельных на электроэнергию, а также планированием и реализацией мероприятий по экономии ТЭР.
Исходя из этих соображений, в качестве аппроксимирующей выбирается степенная функция вида:
Q = A · tm, (1)
где Q – отпущенная тепловая энергия, тыс. Гкал; t – порядковый номер года; A, m – коэффициенты, определяемые на основе обработки статистических материалов.
Линеаризация аппроксимирующей функции (1):
ln Q = ln A + m · ln t (2)
Выражение (2) представляет собой формулу прямой линии в логарифмических координатах.
После проведения логарифмирования для определения коэффициентов m и A применим метод наименьших квадратов с условием: график аппроксимирующей функции должен проходить через базовую точку с координатами (t7, Q7), т. к. данные последнего года выборки считаются наиболее достоверными.
После выполнения расчетов окончательно получаем:
Q = 8996 · t−0,2149 (3)
Для удобства расчетов t заменяем на (τ – 2015), где τ – текущий год.
Q = 8996 · (τ – 2015)−0,2149 (4)
Для подтверждения правильности проведенной аппроксимации определим индекс детерминации:
, (5)
где – среднеарифметическое значение выборки; – значение отпущенной тепловой энергии в i-м году, рассчитанное в соответствии с принятой функцией.
В данном случае индекс детерминации превысил значение 0,8, что свидетельствует о хорошей сходимости математической модели с фактическими данными [4].
Полученный по результатам расчетов график позволяет спрогнозировать изменение отпуска тепловой энергии с учетом проводимой политики энергосбережения (рис. 1).
В перспективе потребление мазута и угля будет снижаться за счет более широкого использования природного газа. На основании планов развития систем теплоснабжения в компании потребление мазута сократится до нуля за ближайшее десятилетие, замещение газом других ТЭР продолжится, и к 2050 г. около 70% всей тепловой энергии планируется генерировать на газовых энергоустановках.
Принимая эти положения за исходные, на основе разработанной математической модели вначале выполним прогноз изменения удельного расхода топлива до 2050 г.
В 2050 г. общее количество тепловой энергии (4 190 тыс. Гкал, согласно вышеприведенным прогнозным расчетам) распределится следующим образом: 70% вырабатывается в установках, работающих на природном газе, и 30% – на угольном топливе, мазут при генерации теплоты к 2050 г. не используется; другими видами КПТ пренебрегаем.
Паспортные КПД (брутто) для теплоисточников на различных видах топлива принимаются следующие:
– при работе на природном газе = 0,93;
– при работе на мазуте = 0,9;
– при работе на угле = 0,82.
Коэффициент собственных нужд (в среднем) принимается следующим [5]:
– при работе на природном газе = 0,025;
– при работе на мазуте = 0,07;
– при работе на угле = 0,05.
КПД (нетто) определяется по формуле: = · (1 – ).
– при работе на природном газе = 0,93 · (1 – 0,025) = 0,907;
– при работе на мазуте = 0,9 · (1 – 0,07) = 0,837;
– при работе на угле = 0,82 · (1 – 0,05) = 0,779.
Тогда удельный расход топлива на отпуск тепловой энергии:
– для природного газа
Средневзвешенное значение минимального удельного расхода: b = · + · = 157,44 · 0,7 + 183,31 · 0,3 = 165,20 кг у. т./Гкал. Полученная величина будет являться целевым значением для аппроксимирующей функции.
Формула линии тренда принимается в следующем виде:
b = A · eαt + С, (6)
где b – удельный расход КПТ, кг у. т./Гкал; t – порядковый номер года; C – лимитирующее (минимальное) значение удельного расхода топлива, кг у. т./Гкал; A, α – коэффициенты, определяемые на основе обработки статистических материалов; e – основание натурального логарифма (2,71828…).
Подробная методика вычисления прогноза изменения величины удельного расхода топлива изложена в [6, 7]. После выполнения расчетов, аналогичных описанным при выполнении прогноза потребности в тепловой энергии, получим искомую функцию в виде:
b = 18,0803 · e–0,0746 · (τ – 2015) + 165,2 (7)
График функции, приведеный на рис. 2, показывает нисходящий тренд величины удельного расхода топлива, приближающийся к своему минимальному значению, определенному выше (165,2 кг у. т./Гкал).
Примем, что полное замещение мазута природным газом завершится к 2035 г. Доля мазута в общем балансе генерации тепловой энергии в базовом году (2022) составляет 0,267; в 2035 г. – 0. Кроме того, предположим, что характер кривой, представленной на рис. 2, сохранится (степенная функция). С учетом принятых условий, производство теплоты мазутными источниками в период 2022–2035 гг. будет меняться по формуле:
Тогда доля мазутной составляющей будет равна:
Следующим шагом будет определение долей использования различных видов топлива в изменившихся условиях (при постоянном сокращении доли мазута). Соотношение этих долей описывается системой уравнений:
Решая эту систему, получим
Величины для каждого года определяются по формулам, приведенным выше; – по графику (рис. 2).
Зная доли , можно предположить объем отпуска тепловой энергии от газовых, мазутных и угольных источников по годам (рис. 3).
Анализ графика на рис. 3 позволяет сделать следующие выводы. Доля использования угля будет меняться незначительно; природный газ сначала восполняет убыль мазута, его потребление возрастает, затем (приблизительно с 2035 г.) начинает превалировать эффект энергосберегающих мероприятий, приводящий к снижению расхода газа.
Следует заметить, что прогноз потребности в тепловой энергии, выполненный выше, остается в силе, т. к. потребность в энергии не зависит от вида используемого топлива. Выполнив предварительные расчеты, можно приступить к определению потенциала сокращения выбросов парниковых газов согласно [8].
При расчете этих величин оцениваются выбросы следующих газов, обладающих прямым парниковым эффектом: двуокиси углерода (CO2), метана (CH4), закиси азота (N2O). Конечный результат для всех газов необходимо привести в пересчете на CO2‑экв.
Расчет выбросов CO2 для каждого вида топлива при сжигании его в энергетических установках производится по формуле:
E = FC · EF · GWP · 10–3, (13)
где E – годовой выброс CO2‑экв., т/год; FC – расход стационарно сжигаемого топлива в энергетическом эквиваленте, ТДж; EF – коэффициент выбросов парникового газа от стационарного сжигания топлива, кг/ТДж (по таблице 3); GWP – потенциал глобального потепления (принимается равным единице).
Перевод топлива в энергетические единицы осуществляется по формуле:
FC = FC’ · NCV, (14)
где FC’ – расход топлива в натуральном выражении, т (тыс. м3 – для газа); NCV – низшая теплота сгорания топлива, ТДж/т (ТДж/тыс. м3 – для газа), принимается по таблице 3.
Подставляя формулу (14) в (13), получим:
Е = FC’ · NCV · EF · GWP · 10–3, (15)
Коэффициент выбросов парниковых газов для угля зависит от его сорта (таблица 4).
Средневзвешенное значение коэффициента выбросов для угля . Во всех последующих расчетах 2022 г. принимаем за базовый (последний год с фактическими значениями потребления топлива).
По данным корпоративной отчетности, в 2022 г. структурными подразделениями компании было израсходовано на цели генерации тепловой энергии собственными источниками (в натуральном исчислении): угля – 451 012 т; мазута – 203 397 т; газа природного – 390 496 тыс. м3.
По формуле (15) годовой выброс CO2 составил (в базовом году):
при сжигании угля — = 451 012 · 0,02027 · 95426 · 1 · 10–3 = 872 386 т;
при сжигании мазута — = 203 397 · 0,04018 · 77400 · 1 · 10–3 = 632 551 т;
при сжигании природного газа — = 390 496 · 0,03373 · 0,03373 · 1 · 10–3 = 716 526 т.
Суммарный выброс парниковых газов при эксплуатации энергетических объектов в 2022 г. составил: Е = = 872 386 + 632 551 + 716 526 = 2 221 463 т.
Расчеты выбросов по другим годам выполняются аналогично. Графическая интерпретация результатов расчетов показана на рис. 4.
при изменении пропорций топливопотребления
Расчеты показывают, что суммарный объем парниковых газов (в пересчете на CO2) до 2050 г. включительно составляет около 46 489 тыс. т, при условии изменения пропорций потребления котельно-печного топлива (увеличении доли использования природного газа в общем балансе генерации тепловой энергии до 70% и постепенном полном отказе от жидкого топлива).
Анализ графика на рис. 4 позволяет сделать вывод, что при сохранении существующих пропорций и без учета других мероприятий по экономии топлива выбросы парниковых газов за прогнозируемый период составили бы 62 188 тыс. т. (2 221 тыс. т × 28 лет). Таким образом, потенциал сокращения объема выбросов парниковых газов при условии расширения масштабов использования природного газа составляет: 62 188 – 46 489 = 15 699 тыс. т.
Предложенный подход демонстрирует возможность реализовывать прогнозные вычисления по изменению величин расходуемых ресурсов, что позволяет не только выполнять моделирование при долгосрочном планировании в потребности рассматриваемых ресурсов, но и давать оценку влияния различных факторов на характер и темп их изменения.
