Владимир КЛИМЕНКО
Профессор, д. т. н., академик РАН, главный научный сотрудник НИУ «МЭИ», заведующий лабораторией НИТУ «МИСиС»
Е-mail: nilgpe@mpei.ru
Алексей ТЕРЕШИН
Ведущий научный сотрудник НИУ «МЭИ», ведущий научный сотрудник НИТУ «МИСиС», д. т. н.
Е-mail: TereshinAG@mpei.ru
Константин КОЛИКОВ
Профессор, д. т. н.,
заведующий кафедрой НИТУ «МИСиС»
Е-mail: kolikov.ks@misis.ru
Игорь БЕРНАДИНЕР
Доцент, к. т. н., доцент НИУ «МЭИ», старший научный сотрудник
НИТУ «МИСиС»
Е-mail: BernadinerIM@mpei.ru
Введение
Проблема глобальных изменений климата постоянно остается в фокусе внимания мирового сообщества, несмотря на различные потрясения планетарного масштаба, преследующие человечество в последние годы. С тех пор, как в Рио-де-Жанейро в 1992 г. была подписана Рамочная конвенция ООН по изменениям климата (РКИК ООН), практически ежегодно страны-участницы собираются на конференции для обсуждения хода выполнения конвенции и формирования новых инструментов защиты климата. Результаты трех таких встреч, на которых были приняты наиболее значимые решения, представлены в таблице 1.
Анализируя таблицу 1, можно отметить нарастание решительности предпринимаемых мировым сообществом мер по противодействию опасным изменениям климата, которая обусловлена сохраняющимися тенденциями глобального потепления, более глубоким пониманием существа и опасности происходящих процессов, а также медленными темпами декарбонизации мировой экономики.
Вопросы эффективности предлагаемых мер по предотвращению неприемлемого изменения климата (а таким считается повышение среднеглобальной температуры выше 2 °C по сравнению с доиндустриальным периодом) постоянно находятся в центре внимания научного сообщества. В частности, в [1–5] было показано, что мероприятия ни Киотского протокола (1997 г.), ни Парижского соглашения (2015 г.) даже при полном их осуществлении не в состоянии удержать глобальное потепление в пределах 2 °C, и лишь полное выполнение решений пакта Глазго (2021 г.) способно предотвратить повышение среднеглобальной температуры выше 1,5 °C (рис. 1).
В частности, заявленное в Глазго снижение выбросов метана (этот газ обладает потенциалом глобального потепления на вековом временном горизонте, в 25 раз превышающим показатель диоксида углерода, а также весьма небольшим периодом жизни в атмосфере в 9,1 года [7]), способно уменьшить повышение среднеглобальной температуры к 2100 г. на 0,3 °C по сравнению с базовым Парижским сценарием, что почти в два раза превышает эффект лесоклиматических мероприятий (рис. 1).
Выбросы парниковых газов в России
Россия входит в десятку стран с максимальными значениями эмиссии парниковых газов (диоксид углерода, метан, закись азота и др.). Согласно данным Росгидромета (рис. 2), в 2020 г. доля диоксида углерода в суммарных выбросах парниковых газов составляла примерно 80% (1,6 млрд т, из которых примерно треть поглощалась наземными биосистемами, в первую очередь лесами), 15% приходилось на метан и 5% – на закись азота и прочие газы. Что касается источников, то 80% всех парниковых выбросов приходится энергетику (сжигание топлива, в т. ч. в промышленности и на транспорте, а также утечки в добывающих отраслях), около 10% – на промышленные процессы, не связанные со сжиганием топлива, и примерно по 5% – на сельское хозяйство и обращение с отходами.
(млн т СО2-экв.) по компонентам (а) и по источникам (б) по данным Росгидромета [8]
Россия принимает активное участие в деятельности РКИК ООН, последовательно подписав и ратифицировав все ее основные документы (за исключением Глобального обязательства по метану 2021 г.). На федеральном уровне принят ряд стратегических документов, определяющих направления климатической политики нашей страны. К числу важнейших из них следует отнести:
Климатическая доктрина Российской Федерации (утв. Распоряжением Президента РФ от 17.12.2009 г. № 861‑рп).
Указ Президента Российской Федерации от 04.11.2020 г. № 666 «О сокращении выбросов парниковых газов».
Федеральный закон от 02.07.2021 г. № 296-ФЗ «Об ограничении выбросов парниковых газов».
Стратегия социально-экономического развития России с низким уровнем выбросов парниковых газов до 2050 года (утв. Распоряжением Правительства РФ от 29.10.2021 г. № 3052‑р) [12].
Федеральная научно-техническая программа в области экологического развития Российской Федерации и климатических изменений на 2021–2030 гг. (утв. Постановлением Правительства РФ от 08.02.2022 г. № 133).
Согласно этим документам, Россия планирует до 2030 г. не превысить 70–75% от уровня выбросов парниковых газов в 1990 г., а к 2060 г. достичь углеродной нейтральности своей экономики (это означает, что суммарные выбросы парниковых газов будут равны суммарному их поглощению на территории страны биологическими и техногенными системами) (рис. 3).
Настоящая работа призвана ответить на вопрос, каков может оказаться вклад выбросов метана в достижении поставленных целей, какие мероприятия наиболее эффективны для снижения выбросов метана в экономике России и способны ли они обеспечить условия для присоединения нашей страны к Глобальному соглашению по метану (Глазго, 2021).
Эмиссия метана на территории России
Как было показано в [5], вслед за снижением выбросов углекислого газа при сжигании ископаемого топлива наиболее эффективным инструментом уменьшения глобального парникового эффекта должны стать мероприятия по сокращению выбросов метана и увеличению площади лесов.
К сожалению, в отличие от эмиссии углерода при сжигании топлива расчеты выбросов метана представляют значительно более сложную задачу и не отличаются необходимой точностью. Как видно из рис. 4а, показывающего динамику выбросов CH4 на территории страны за последние 50 лет, эти оценки могут различаться в несколько раз. Инвентаризация метановых выбросов, проводившаяся в 1994–2021 гг. Росгидрометом, претерпела два существенных изменения. Смена методики расчетов в 2011 г. привела к увеличению оценок примерно в 1,5 раза, а модификация 2017 г. – к их снижению почти в два раза, причем основные изменения коснулись энергетических источников – шахтного метана и утечек из газопроводов (рис. 4б).
Выбросы метана в настоящее время можно оценить в 15–35 млн т ежегодно, т. е. примерно в 20–50 млрд м3, что составляет 5–12% от ежегодного потребления природного газа экономикой России. Это вполне соответствует среднемировому показателю в 9%. В мире разработаны и успешно применяются различные технологии улавливания и утилизации шахтного [18–22] и свалочного метана [23], а также производства биогаза из сельскохозяйственных отходов [25]. К сожалению, в России реализованы единичные проекты в этой области. Модернизация газотранспортной системы, использование технологий улавливания и утилизации шахтного метана и свалочного газа способны не только дать заметную экономию топлива, но и обеспечить существенный «климатический» эффект, поскольку парниковый эффект, вызываемый метаном, в 25 раз выше, чем у диоксида углерода [9].
Международные сравнения
На рис. 5 представлены данные об использовании угольного метана, свалочного и биогаза в некоторых странах – крупнейших эмитентов метана, а также максимальные достигнутые доли их утилизации (отношение использования к сумме использования и выбросов в атмосферу по данным РКИК).
Как видно из представленных данных, безусловными лидерами в использовании метансодержащих смесей во всех отраслях экономики является США, в сфере использования биогаза – также и Евросоюз, в угольной отрасли заметных успехов добились Австралия, Канада и Китай.
При этом удалось достичь высоких показателей утилизации метана: в угольной отрасли – на уровне 20–35% для шахтного метана, в обращении с отходами – 30–45% для свалочного газа, в сельском хозяйстве – 65–85% биогаза, образующегося от отходов животноводства.
В результате в большинстве стран в период 1990–2020 гг. значительно снизились удельные показатели выбросов метана в основных отраслях-эмитентах (рис. 6):
в нефтегазовой промышленности – отнесенные к объему добычи (для стран-экспортеров газа) и потребления (для стран-импортеров) природного газа;
в угольной отрасли – отнесенные к объему добычи угля;
в сельском хозяйстве – отнесенные к объему производства животноводства;
в обращении с отходами – приходящиеся на душу населения.
Для анализа были выбраны страны – крупнейшие производители топливных ресурсов и продукции животноводства: США, ЕС, Норвегия, Россия, Австралия, Турция, Украина, а также Япония.
Аномальным следует признать удельные выбросы угольного метана в Японии, что объясняется сохранением эмиссии из закрытых шахт при практически нулевой добыче угля, рост выбросов в газотранспортной системе Украины, связанной со сложившейся экономической ситуацией в стране на фоне геополитического обострения, и рост удельных выбросов метана из отходов в России и на Украине, что вызвано еще не устоявшейся моделью потребления этих постсоветских государств.
Пути снижения эмиссии метана в России
Шахтный метан (современное состояние и перспективы). В настоящее время газоносные угольные месторождения следует рассматривать как углегазовые, что определяется значительными ресурсами метана, содержащегося в угленосных отложениях. По своему компонентному составу газ, содержащийся в угольных пластах на глубинах более 400 м, соответствует природному газу, в котором содержание метана составляет 95–99%, концентрация тяжелых углеводородов изменяется от долей до нескольких процентов, на водород, углекислый газ и инертные газы приходится до 1–2%. Следует отметить и практическое отсутствие вредных примесей, т. к. уголь представляет собой природный сорбент. Однако аэродинамическая связь ряда элементов дегазации с атмосферой горных выработок приводит к значительному падению и колебаниям концентрации метана в извлекаемом газе, что препятствует его эффективной утилизации. Поэтому с точки зрения газовой динамики наиболее перспективным следует признать утилизацию метана из ликвидированных шахт (старых выработанных пространств), где отсутствует влияние вентиляции. Добыча угля сопровождается выделением значительного количества метана, относительная газообильность которого по отрасли превысила 15 м3/т. При отработке высокогазоносных пластов Воркутского месторождения абсолютная метанообильность шахт превышает 120 м3/мин, даже при отработке угольных пластов с газоносностью менее 10 м3/т при высоких нагрузках метанообильность достигает 50 м3/мин и более. Так, на шахте им. В. Д. Ялевского АО «СУЭК-Кузбасс» при относительной метанообильности несколько большей 5 м3/т, абсолютное значение метанообильности превышало 50 м3/мин, достигая 100 м3/мин. Именно поэтому неотъемлемым элементом технологии угледобычи стала дегазация, обеспечивающая потенциальную возможность использования шахтного метана. Постоянное ухудшение горно-геологических условий отработки и развитие техники и технологии определяют тенденцию повышения метанообильности угледобычи, высокую актуальность проблемы метанобезопасности и, как следствие, увеличение потенциала шахтного метана.
На текущее положение и развитие данного направления большое влияние оказывает общая экономическая ситуация, и в первую очередь мировые цены на нефть и природный газ. Современный период следует рассматривать как благоприятный для развития способов и средств его утилизации по причине роста требований к обеспечению комплексного освоения запасов недр и экологичности горного производства. Анализ опыта дегазации и утилизации шахтного метана показывает, что данные работы являются необходимой составляющей технологии разработки угольных месторождений не только с точки зрения безопасности, но и экономически окупающейся, особенно с учетом прироста добычи угля за счет снижения ограничения по газовому фактору. Метановоздушные смеси по концентрации могут быть разделены на три группы:
1 группа – смеси, извлекаемые средствами вентиляции, которые, как правило, имеют концентрацию 0,2–0,7%;
2 группа – смеси, извлекаемые средствами дегазации, с концентрацией от 1 до 25% (некондиционные по их взрывоопасности);
3 группа – смеси, извлекаемые средствами дегазации, с концентрацией свыше 25%.
В дополнительную группу можно выделить газ природного состава (более 95% метана), извлекаемый при добыче метана из угольных пластов или их заблаговременной дегазации.
В мировой практике наиболее эффективно утилизируются смеси третьей группы с концентрацией метана 25–40 и более процентов. Шахтный метан используют в промышленных масштабах уже более 50 лет. Современное состояние техники и технологии позволяет уже сейчас достаточно успешно решать вопросы использования метана. В развитых угледобывающих странах тем или иным способом утилизируется до 50% метана, извлекаемого средствами дегазации. В отдельных бассейнах доля используемого метана достигает 80% и более от каптируемого. В основном шахтный метан используется в качестве топлива в котельных, в ряде случаев его применяют для нагрева доменных, мартеновских печей, коксовых батарей и других целей. Каптируемый метан применяется также в качестве добавок в городские газовые сети и в качестве топлива для газовых турбин и двигателей внутреннего сгорания. В последние годы каптированный газ широко используется как топливо для дизельных двигателей (ДВС) генераторов переменного тока, однако стоимость электроэнергии при этом значительно выше, чем на крупных тепловых электростанциях. Основной параметр, определяющий возможные направления его использования – концентрация метана в каптируемом газе. Как моторное топливо он применяется редко из-за сложности поддержания высокого и стабильного содержания метана.
В этих условиях проведение комплексного освоения ресурсов угольных, точнее углегазовых месторождений на основе промышленного использования метана возможно при решении следующих задач:
– разработка и использование способов извлечения метана из угольных пластов с обеспечением необходимого коэффициента эффективности дегазации;
– разработка способов и технических средств подготовки извлекаемого газа в соответствии с требованиями промышленных потребителей.
Первая задача имеет длительную историю в теории и практике дегазации угольных шахт. Проведенный перспективный анализ способов дегазации показал, что с учетом ухудшения горно-геологических условий и роста нагрузки на очистной забой, к наиболее перспективным относятся способы, предусматривающие проведение воздействий на угольные пласты с целью повышения их проницаемости или использующие эффект разгрузки газоносного углепородного массива. Вторая задача не является традиционной для угольной промышленности, а учитывая относительно низкие дебиты газа, нестабильность компонентного состава и дебита, опыт газоподготовки газовой промышленности может быть использован в незначительном объеме. Хотелось бы подчеркнуть, что в области промышленного использования метана, извлекаемого при разработке угольных пластов, в странах СНГ (Россия, Казахстан и др.) образовался большой разрыв между практикой и полученными научными результатами. Проект РНФ, выполняемый в НИТУ МИСИС, ставит своей задачей сокращение этого разрыва.
Свалочный газ (современное состояние и перспективы). Свободное распространение биогаза приводит к загрязнению атмосферы прилежащих территорий, токсичными и дурно пахнущими соединениями. Выделяемые свалками газы содержат огромное количество токсичных и вредных веществ, крайне опасных для здоровья и жизни людей. Добыча и утилизация биогаза на полигоне может решить экологические проблемы посредством предотвращения выбросов метана в атмосферу.
В зависимости от этапа жизненного цикла объекта захоронения отходов и факторов, влияющих на эмиссию свалочного газа, полигоны ТКО можно разделить на следующие группы:
– необорудованные (стихийные) свалки, закрытые к настоящему времени, т. е. находящиеся на пострекультивационном этапе;
– необорудованные полигоны, на стадии эксплуатации или подлежащие рекультивации в ближайшее время;
– санитарные полигоны на стадии эксплуатации;
– санитарные полигоны на инвестиционном этапе (в стадии проектирования, строительства, ввода в эксплуатацию).
В Российской Федерации реализованных проектов по утилизации свалочного газа с использованием его энергетического потенциала очень мало. Среди наиболее известных можно выделить: полигон «Ядрово» Московской области площадью 10 га, производит 1400 м3/ч свалочного газа, который сжигается в факеле; полигон «Кучино» Московской области площадью 50 га производит 2500 м3/ч свалочного газа, который подаётся на теплоэлектростанции, а излишки сжигаются в факеле; полигон «Преображенка» Самарской области, площадь газосбора составляет 6000 м2, объёмы свалочного газа 245 м3/ч, который подаётся на теплоэлектростанции, а излишки сжигаются в факеле [17].
Главным критерием успеха реализации проекта по созданию системы сбора и утилизации биогаза, является предварительная оценка потенциала газообразования на полигоне. От качества проведённой оценки напрямую зависят техническая реализация проекта и его экономические показатели.
С целью оценки метанового потенциала полигонов и свалок ТКО в России была выполнена их инвентаризация и создана база данных, включающая следующую информацию: наименование, местоположение, год начала эксплуатации, год закрытия или планируемого закрытия, размеры (площадь, высота или глубина), наличие/отсутствие природоохранных сооружений, объём и масса ежегодно размещаемых отходов, объём и масса накопленных отходов, владелец и его контактная информация, расчётная оценка количества образующегося свалочного газа и метана. Информация получена из официальных источников, включая региональные управления Росприроднадзора, Ростехнадзора, департаменты природопользования при областных администрациях, комитеты охраны окружающей среды при местных администрациях, а также в результате опроса владельцев свалок и анализа опубликованной информации.
Общее число полигонов и учтённых свалок – 866, общее количество ежегодно размещаемых отходов – 122,4 млн м3, или 24,6 млн т, количество накопленных отходов – 354 млн т.
На основании собранной информации выполнено ранжирование свалок по площади, количеству поступающих и количеству накопленных отходов. В результате ранжирования выявлены крупные свалки, наиболее подходящие для реализации проектов по извлечению метана.
Результаты расчётов показали, что общий объём свалочного газа на полигонах и учтённых свалках составил 1715 млн м3 в год, содержащегося в нем метана – 858 млн м3 в год. На 118 учтённых свалках (14% общего числа) образуется 75% метана. Наибольшие объёмы метана (9–30 млн м3 в год, или 1027–3424 м3/ч) образуются на 19 самых крупных свалках с объёмом поступающих отходов более 250 тыс. т.
Известно, что метан экономически целесообразно использовать в качестве энергоносителя для получения тепловой и/или электрической энергии при его образовании в количестве 600–800 м3/ч. Установлено, что такой потенциал имеют 34 свалки [19].
Проведённый анализ показал, что российские свалки обладают значительным потенциалом метана. В последние годы в России появилась тенденция закрытия старых свалок и открытия новых полигонов, выполненных по проекту. В связи с этим целесообразно организовать извлечение метана на закрывающихся свалках и начать проектирование систем дегазации на новых полигонах.
Строительство полигонов ТКО ведется преимущественно по проектам, разработанным на основе устаревшей нормативной базы и не обеспечивающим экологическую безопасность полигона, в том числе сбор и очистку фильтрата, дегазацию тела полигона и утилизацию биогаза. В связи с этим необходимо ориентироваться на оптимизацию использования ресурсного потенциала биогаза.
В проблеме оптимизации использования биогаза полигона ТКО выделяются несколько взаимосвязанных задач, в том числе:
наиболее полный отбор БГ (в % от его генерации) с целью утилизации;
наиболее эффективное преобразование собранного БГ в энергию;
оптимальное использование потенциальной мощности ГЭУ;
обеспечение экономической эффективности утилизации БГ.
Приемы, способствующие решению задачи наиболее полного отбора БГ:
1) технологические, направленные на максимизацию удельного газового потенциала на единицу площади:
– формирование тела полигона небольшими по площади секциями на максимально возможную высоту с обеспечением темпов наращивания по высоте более 2 м в год;
– применение тяжелой уплотнительной техники с достижением плотности укладки 1000 кг/м3.
2) технологические, направленные на минимизацию потерь биогаза с его эмиссией через поверхность массива отходов:
– применение для устройства промежуточной пересыпки и верхнего защитного покрытия грунтов или иных материалов с низкой проницаемостью;
– возможно более раннее (до окончания заполнения секции) начало отбора БГ;
– выбор оптимальной схемы газового дренажа (вертикальный или горизонтальный);
– оптимизация размещения газодренажных скважин по площади на основе расчета газового дренажа.
3) технические решения – использование газодренажных скважин восстающего типа и дренажной системы фильтрата в основании полигона для отбора на утилизацию БГ с начала его образования.
Сценарии эмиссии метана в экономике России
На рис. 7 представлена историческая динамика базовых показателей развития основных отраслей – источников выбросов метана в атмосферу, а также сценарии их развития на период до 2060 г., сформированных по последним стратегическим документам.
Последние годы, наполненные важными геополитическими событиями, существенно повысили неопределенность путей развития отечественной экономики. В результате наблюдается широкий спектр оценок будущей динамики различных показателей – от численности населения до объемов производства топливно-энергетических ресурсов.
По результатам анализа стратегических программ развития энергетики [12, 26] и сельского хозяйства [27], а также различных демографических прогнозов ООН [28] и Росстата [29] были сформированы два предельных сценария динамики основных показателей, определяющих выбросы метана в экономике России. Их источники представлены в таблице 2, а динамика самих показателей – на рис. 7.
На основе анализа приведенной выше международной информации были сформированы следующие группы мероприятий по снижению выбросов метана на территории России и их целевые показатели:
утилизация 15% шахтного метана («уголь 15%»);
утилизация 25% свалочного газа («отходы 25%»);
утилизация 35% биогаза от отходов сельского хозяйства («био 35%»).
Интенсификация экологической эффективности газовой промышленности России в настоящей работе не рассматривается, так как ее официальные показатели удельных выбросов (менее 5% добываемого природного газа) на порядок ниже, чем в других крупнейших газодобывающих странах (Норвегия, США) [30].
В зависимости от принятых сценариев развития основных отраслей – эмитентов метана, источники данных для которых приведены в таблице 2, были рассчитаны объемы выбросов этого парникового газа в 2020–2060 гг.
На рис. 8 показана эволюция удельных выбросов метана из различных источников для инерционного (сохраняющего тенденции последних десятилетий) и интенсивного (предполагающего реализацию дополнительных мероприятий по утилизации метановых выбросов) экологических сценариев.
На рис. 9 и в таблице 3 приведено сравнение возможных объемов сокращения выбросов метана за счет реализации мероприятий для этих групп. По инерционному сценарию суммарное снижение составит около 2 млн т CH4 или 50 млн т CO2-экв./год, утилизация метана угольных шахт, полигонов ТКО и сельскохозяйственных отходов обеспечит дополнительное эквивалентное уменьшение выбросов этого парникового газа в масштабе примерно 25 млн т CO2-экв./год.
по инерционному и интенсивному сценариям
Как видно из данных в таблице 3, для обоих сценариев развития рассматриваемых отраслей отечественной экономики ни в инерционном, ни даже в интенсивном экологических сценариях у России нет возможностей снизить к 2030 г. выбросы метана на 30% по сравнению с уровнем 2020 г., т. е. выполнить условие, заданное Глобальным соглашением по метану.
При благоприятных вариантах развития экономики в зависимости от экологического сценария оно выполняется лишь к 2045 или 2055 гг., а при реализации депрессивных вариантов – к 2035 и 2040 гг.
Выводы
Коммунальные и сельскохозяйственные отходы становятся в России главными источниками поступления метана в атмосферу, опережая энергетический сектор.
Россия не располагает реальными возможностями присоединиться к Глобальному соглашению по метану.
Для России приоритетными направлениями снижения выбросов парниковых газов могут быть комплексные мероприятия, климатический эффект которых сопровождается расширением топливной базы отечественной энергетики, экономией природных ресурсов, ростом промышленной безопасности и повышением качества окружающей среды: использование технологий улавливания и утилизации шахтного метана и свалочного газа, производство биогаза из отходов сельского хозяйства.
Работа выполнена в НИТУ «МИСИС» при поддержке Российского научного фонда (проект № 23-19-00398). В работе использованы данные Федеральной службы по гидрометеорологическому мониторингу (Росгидромет, www.meteo.ru), Статистической службы ООН (UN, https://data.un.org/), Рамочной конвенции ООН по изменениям климата (РКИК ООН, https://unfccc.int/), компании British Petroleum (BP, https://www.bp.com), базы данных для глобальных исследований атмосферы Европейской Комиссии EDGAR (https://edgar.jrc.ec.europa.eu), Информационно-аналитического центра по диоксиду углерода США (CDIAC, http://cdiac.ornl.gov), МГЭИК (http://www.ipcc.ch), Национальной службы по атмосфере и океану США (NOAA/ESRL, ftp://aftp.cmdl.noaa.gov/products/trends/), Центра климатических исследований Университета Восточной Англии (CRU, http://www.cru.uea.ac.uk/cru/data/temperature/), Организации ООН по лесному и сельскому хозяйству (FAO, http://www.fao.org/faostat/en/#data), базы данных по эмиссии парниковых газов Института мировых ресурсов (CAIT, https://www.wri.org/data/cait-climate-data-explorer).
