Александр ИШКОВ
Заместитель начальника департамента – начальник управления ПАО «Газпром», профессор кафедры ЮНЕСКО «Зеленая химия для устойчивого развития» РХТУ им. Д. И. Менделеева, д. х. н.
Константин РОМАНОВ
Заместитель начальника управления ПАО «Газпром», генеральный директор ООО «Газпром водород», ответственный секретарь координационного комитета ПАО «Газпром» по вопросам рационального природопользования, к. э. н.
Евгений КОЛОШКИН
Главный технолог ПАО «Газпром», ученый секретарь секции № 19 научно-технического совета ПАО «Газпром»
Денис НЕРЕТИН
Начальник КНТЦ экологической безопасности и энергоэффективности ООО «Газпром ВНИИГАЗ», к. т. н.
Введение
Развитие комплекса мер по сохранению природного газа Единой газотранспортной системы, реализуемого ПАО «Газпром», создает предпосылки для уточнения значений коэффициентов выбросов метана (СН4) и диоксида углерода (СО2) при транспортировке газа, применяемых в национальном кадастре Российской Федерации (НК России).
Оценки выбросов и абсорбции парниковых газов (ПГ) ведутся по секторам экономики с 1990 г. и охватывают всю территорию Российской Федерации. Данные национального кадастра России формируются расчетным путем на основании национальной или ведомственной статистической отчетности с использованием конверсионных коэффициентов для пересчета данных о хозяйственной деятельности в величины эмиссии и поглощения парниковых газов. В этих условиях значимость настоящей работы определяется необходимостью представления в РКИК ООН более точных оценок объемов выбросов парниковых газов в отраслях ТЭК.
В соответствии с руководящими принципами МГЭИК РКИК ООН [1], при составлении национального кадастра России данные количественной оценки выбросов нефтегазового комплекса представляют в секторе 1 «Энергетика», который подразделяется на выбросы, происходящие от сжигания топлива с целью получения энергии и тепла (подсектор 1.A) и летучие (фугитивные) выбросы от утечек и испарения топлив (подсектор 1.B) [2].
Выбросы от операций с природным газом входят в категорию 1.В.2 сектора «Энергетика». Данная категория включает выбросы СН4 и СО2 в результате поступления природного газа в атмосферу без сжигания, основная доля которых приходится на транспортировку природного газа по магистральным газопроводам (МГ).
В руководящих принципах МГЭИК [1] определены 3 уровня количественной оценки выбросов или поглощений, различающиеся по своей сложности и требованиям к исходной информации. Переход от уровня 1 к уровню 3 представляет собой снижение неопределенности оценок выбросов СН4. Национальные отчеты по инвентаризации должны основываться на подходе уровня 3 для всей цепочки поставок природного газа.
В настоящее время для оценки выбросов от транспортировки природного газа по магистральным газопроводам в России за 2017 г. и последующие периоды в кадастре применяются коэффициенты выбросов CH4 и CO2, разработанные на основе данных ПАО «Газпром», об использовании газа на собственные технологические нужды газотранспортными обществами за 2010–2018 гг., равные 1,72×10–3 тыс. т CH4/млн м3 и 7,38 ×10–6 тыс. т CO2/млн м3 транспортируемого газа.
Цель настоящей работы заключалась в уточнении коэффициентов выбросов CH4 и CO2 при операциях по транспортировке газа, а также в разработке национальных коэффициентов выбросов при операциях с природным газом в подземном хранении газа (ПХГ) для количественной оценки выбросов сектора «Энергетика» национального кадастра России.
Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:
– анализ текущего состояния объектов газотранспортной инфраструктуры и подземного хранения природного газа;
– анализ производственных показателей транспортировки и подземного хранения природного газа за установленный период 2019–2022 гг.;
– сбор исходных данных о расходе природного газа на собственные нужды и потери при его транспортировке и подземном хранении;
– сбор исходных данных о физико-химических параметрах (компонентном составе) транспортируемого природного газа;
– расчет коэффициентов выбросов при операциях с природным газом при транспортировке и подземном хранении (на основе данных ПАО «Газпром» за период 2019–2022 гг.);
– оценка неопределенности средневзвешенных параметров газа.
С 2000 г. ПАО «Газпром» ежегодно реализует программы по комплексному ремонту и модернизации газотранспортных объектов. Информацию о проводимых мероприятиях компания публикует в открытом доступе [3]. В связи с проведением указанных выше программ по модернизации, национальный коэффициент выбросов был пересмотрен, так как не отражал результаты от проведенных мероприятий по совершенствованию газотранспортной системы. Можно считать, что старый коэффициент был релевантным только для выбросов, происходивших в период 1990–2000 гг. При подготовке национального кадастра России для оценки выбросов CH4 до 2000 г. был использован старый национальный коэффициент выбросов. Для оценки выбросов в период после 2000 г. значение старого коэффициента было линейно интерполировано до значения нового коэффициента выбросов CH4, разработанного на основе данных ПАО «Газпром» и примененного для оценки выбросов, начиная с 2017 г. (см. рис. 1). Новые национальные коэффициенты позволили корректно оценить результат от проводившихся программ по модернизации газотранспортных объектов в России, осуществляемых ПАО «Газпром» [4].
С учетом внедрения ПАО «Газпром» с 2019 г. мобильных компрессорных станций и других инновационных энергосберегающих мероприятий по сокращению выбросов CH4, предлагается в рамках проводимой работы актуализировать национальный коэффициент для выбросов CH4 при транспортировке природного газа.
Объекты и методы
Расчет коэффициентов выбросов CH4 и CO2 при операциях с природным газом в транспортировке был произведен на основе исходных данных по расходу природного газа на технологические операции без сжигания 17 газотранспортных дочерних обществ (ГТ ДО) ПАО «Газпром», представительных для всей территории России.
На основе компонентного состава транспортируемого природного газа для каждого участка/ЛПУ были рассчитаны усредненные доли CH4 и CO2, которые затем были использованы для определения среднегодовой доли CH4 и CO2 в транспортируемом природном газе по каждому дочернему предприятию.
Объем технологических потерь газа без сжигания, в том числе в результате продувок, стравливания, неорганизованных выбросов (утечек), а также инцидентов (аварий) без возгорания, определялся на основе баланса расхода природного газа на собственные нужды по каждому дочернему обществу за период (год) по формуле (1):
где:
Vпот., i, y – объём технологических потерь природного газа без сжигания в i‑том ГТ ДО за период y;
VСТН, i, y – общий расход газа на собственные нужды i-го ГТ ДО за период y;
Vтэн, i, y – общий расход газа на топливно-энергетические нужды i-го ГТ ДО за период y.
Расчёт коэффициентов для каждого года производился по формуле (2):
где:
Vпот., i, y – объём технологических потерь газа без сжигания в i‑том ГТ ДО за период y;
φ(j, i, y) – усреднённая объёмная доля j-го ПГ в составе транспортируемого природного газа i-го ГТ ДО;
pj – плотность j-го ПГ, принимается согласно методике приказа Минприроды России от 27.05.2022 г. № 371 [5];
Vтр, y – общий объём транспортировки природного газа по МГ в России за период y.
Итоговый национальный средневзвешенный коэффициент выбросов CH4 и CO2 усреднялся за период 2019–2022 гг. с учётом доли каждого года в суммарном объёме транспортировки газа за рассматриваемый период.
Аналогичным образом были рассчитаны коэффициенты выбросов в атмосферу СН4 и СО2 от технологических операций без сжигания для ПХГ. Расчет произведен с учетом производственных показателей всех региональных подземных хранилищ газа ПАО «Газпром» за период 2019–2022 гг.
Выполнен анализ составов природного газа эксплуатируемых ПХГ ПАО «Газпром» за период 2019–2022 гг., получены средневзвешенные доли CH4 и CO2, используемые при расчете коэффициентов выбросов.
Произведен расчет коэффициентов выбросов CH4 и CO2 по объектам ПХГ за каждый год установленного периода, определены средневзвешенные коэффициенты данных выбросов при операциях с природным газом без сжигания в ПХГ ПАО «Газпром» за период 2019–2022 гг.
Расчет коэффициентов выбросов для ПХГ произведен с учетом объемов закачанного/отобранного природного газа за каждый год установленного периода аналогично транспортировке природного газа по формуле (3):
где:
Vпот., i, y – объём технологических потерь газа без сжигания в i‑том филиале ПХГ за период y;
φ(j, i, y) – усреднённая объёмная доля j-го ПГ в составе товарного природного газа i-го филиала ПХГ;
pj – плотность j-го ПГ, принимается согласно методике приказа Минприроды России от 27.05.2022 г. № 371 [5];
Vхр, y – общий объём товарного природного газа закачанного/отобранного из хранилищ за период y.
Итоговый национальный средневзвешенный коэффициент выбросов CH4 и CO2 при хранении природного газа усреднялся за период 2019–2022 гг. с учётом доли каждого года в суммарном объёме закачанного/отобранного природного газа за рассматриваемый период.
Методика оценки неопределенности. Количественная оценка неопределённости разработана в соответствии с утверждёнными параметрами государственных стандартов и стандартов ПАО «Газпром» для средств измерений, установленных на объектах Единой газотранспортной системы. Неопределённость коэффициентов выбросов определялась по погрешностям средств измерений параметров, включённых в его расчёт, согласно формулам (2) и (3), где для удобства расчёта Vпот., i, y рассматривается не как разница между общим объёмом расхода газа на собственные технологические и теплоэнергетические нужды, а как сопоставимая с ней сумма объемов газа на продувки, стравливание неорганизованных выбросов в результате утечек и аварий без возгорания (формула 1). В таблице 1 приведены перечень параметров расчёта, соответствующие им погрешности приборов и ссылки на источники.
Оценка неопределённости производилась поэтапно для каждого параметра из формул (2) и (3) в следующем порядке:
Расчёт неопределённости (Vпот., i, y).
Расчёт неопределённости (Vпот., i, y × φj, i, y× pj).
Расчёт неопределённости ∑(Vпот., i, y × φj, i, y× pj).
Расчёт неопределённости итогового средневзвешенного среднемноголетнего коэффициента.
При расчёте неопределённостей для шагов 1 и 3 применяли формулу 4, а для шага 2 формулу 5, согласно руководящим принципам МГЭИК 2006 г.
где:
Uобщ – неопределенность суммы величин, выраженная в процентном отношении;
Ui – неопределенности в процентах, связанные с каждой величиной;
xi – значения каждой величины.
где:
Uобщ – неопределенность произведения, выраженная в процентном отношении;
Ui – неопределенности в процентах, связанные с каждой величиной.
При выполнении шага 4 применялся метод многократных статистических испытаний или метод Монте-Карло [1, 10]. Было принято допущение, что каждый из параметров расчёта коэффициентов эмиссии имеет нормальное распределение. Расчёт выполнялся с использованием модели, приведённой в открытом доступе [11].
Результаты и апробация
Средние доли СН4 и СО2 в составе природного газа ПАО «Газпром» при осуществлении операций в транспортировке и хранении природного газа приведены в таблице 2.
Результаты расчета коэффициентов эмиссии CH4 и CO2 категорий «Транспортировка природного газа по магистральным газопроводам» и «Хранение природного газа» и сравнение их с коэффициентами 2017 г., используемыми в кадастре, представлены в таблице 3.
В результате расчетов полученный коэффициент выбросов CH4 при транспортировке газа снизился относительно используемого в национальном кадастре России на 11%. Коэффициент выбросов CO2 изменился незначительно, что не оказывает существенного влияния на результат количественной оценки эмиссии. Увеличение коэффициента выбросов CO2 при транспортировке газа в 1,2 раза связано с использованием большего и более точного массива данных, релевантно отображающего среднюю долю CO2 в транспортируемом газе и расхода газа на собственные нужды транспорта, по сравнению с данным исследований [12]. Однако значения неопределённости коэффициентов выбросов при осуществлении операций в транспортировке и хранении природного газа снизились существенно, что связано с корректировкой методов расчёта неопределённостей.
Рассчитанные в настоящем исследовании коэффициенты выбросов CH4 и CO2 при хранении природного газа на порядок больше применяемого в настоящее время в национальном кадастре России, однако полученная неопределенность коэффициентов выбросов данной категории значительно ниже, что связано с тем, что в кадастре сейчас в оценке выбросов от категории хранения природного газа по умолчанию используется коэффициент из руководящих принципов МГЭИК [1]. Применение рассчитанного коэффициента повышает точность и снижает неопределенность НК России.
Апробация. С использованием уточненных коэффициентов эмиссии парниковых газов были рассчитаны выбросы при операциях с природным газом в транспортировке и ПХГ за 2019–2021 гг. подсектора 1.В.2 сектора «Энергетика» национального кадастра России и проведена сравнительная оценка величин выбросов с данными кадастра. Расчет проводился по форме электронных таблиц раздела 1.В.2 ОФД НК России.
В качестве исходных данных для расчета выбросов при операциях с природным газом нефтегазового комплекса Российской Федерации с использованием уточненных коэффициентов эмиссии CH4 и CO2 были использованы данные государственной статистической отчетности, приведенные в таблице 4.
Данные о деятельности в единицах массы были переведены в единицы объема, с учетом средневзвешенных плотностей природного газа, нефти и газового конденсата, использованных при расчете в кадастре: 0,8; 0,856 и 0,772 кг/м3 соответственно.
Уточненные коэффициенты выбросов CH4 и CO2, полученные в результате исследования и примененные при расчете эмиссии, приведены в таблице 5.
Для сравнительного анализа был проведен пересчет выбросов по 2 вариантам применения уточненных коэффициентов в соответствии с методическим подходом НК России:
1) для транспортировки газа;
2) для транспортировки и хранения газа.
В результате пересчета количества выбросов с применением уточненных коэффициентов эмиссии при операциях с природным газом в транспортировке и ПХГ снижение выбросов в секторе «Энергетика» за 2021 г. составило 0,393 млн т СО2‑экв. (или 0,02%), по сравнению с данными кадастра. За период 2019–2021 гг. снижение эмиссии парниковых газов в секторе «Энергетика», с учетом полученных коэффициентов, составило около 0,9 млн т СО2‑экв.
Таким образом, использование новых уточненных коэффициентов эмиссии для расчета выбросов при транспортировке и хранении природного газа снижает абсолютную величину выбросов парниковых газов национального кадастра России за рассматриваемый период 2019–2021 гг. от 0,01% до 0,02% в год (таблица 6).
На рис. 2 представлена оценка выбросов парниковых газов от операций с природным газом категории 1.В.2 сектора «Энергетика», а также разница (снижение) выбросов ПГ в секторе «Энергетика» при применении уточненных коэффициентов, по сравнению с НК России.
Новые коэффициенты учитывают эффект от дополнительных мер по сокращению выбросов парниковых газов, внедряемых ПАО «Газпром» на объектах ГТС, начиная с 2019 г.
Результаты оценки неопределенности коэффициентов эмиссии СН4 и СО2 для транспортировки и хранения природного газа в категории «Летучие выбросы», с учетом средневзвешенных долей СН4 и СО2 в природном газе за 2019–2022 гг., приведены в таблице 7.
Таким образом, неопределенность коэффициентов эмиссии парниковых газов при осуществлении операций в транспортировке и хранении природного газа ПАО «Газпром» не превышает 3%. Полученные значения неопределенности значительно ниже значений национального кадастра России, интервал которых может достигать 240% [1]. Например, неопределенность выбросов по категории источников 1.В.2 в НК России за 2021 г. составила 30,6%, что также выше значений, рассчитанных в данном исследовании.
Выводы
Впервые рассчитаны коэффициенты эмиссии CH4 и CO2 при осуществлении операций в ПХГ, уточнены используемые коэффициенты выбросов CH4 и CO2 при осуществлении операций в транспортировке природного газа, необходимые для формирования национального кадастра России выбросов в разделе нефтегазового комплекса.
Выполнена оценка неопределенности средневзвешенных объемных долей CH4 и CO2 в природном газе. Оценка неопределенности коэффициентов выбросов CH4 и CO2 для категории хранения газа проведена впервые. Полученный результат более чем в 10 раз ниже, по сравнению с национальным кадастром России.
При пересчете выбросов с применением уточненных коэффициентов эмиссии снижение выбросов подсектора 1.В.2. за 2021 г. составило 393 тыс. т СО2‑экв., в том числе CH4–15,8 тыс. т. Таким образом, использование вновь рассчитанных и уточненных коэффициентов эмиссии при расчете кадастра вместо коэффициентов, применяемых в настоящее время, способствует снижению абсолютной величины выбросов парниковых газов и повышает точность оценки выбросов при составлении национального кадастра.
Количественная оценка всех выбросов СН4 в атмосферный воздух от операций с природным газом при транспортировке и хранении природного газа, наличие подробной статистики о выбросах СН4 на основе отчетности о выбросах загрязняющих веществ на уровне структурных подразделений газотранспортных дочерних обществ и объектов хранения газа ПАО «Газпром» создает условия для перехода на 3 уровень оценки руководящих принципов национальных инвентаризаций парниковых газов МГЭИК, при котором данные предприятий, осуществляющих основной объем операционной деятельности в стране, экстраполируются на национальный уровень.
Непрерывный мониторинг выбросов CH4 от технологического оборудования и в результате отдельных технологических операций, большой массив воспроизводимых измерений параметров, учитываемых при количественной оценке выбросов CH4, обеспечивает полноту и достаточность данных для оценки объемов выбросов CH4 и определения коэффициента эмиссии CH4 на уровне 3 методологии МГЭИК.