Методы энергосбережения в разных секторах экономики

Глобальное потепление является твердо установленным научным фактом. За последние 20-25 лет зафиксированное увеличение температуры составило 0,35 °С. По прогнозам специалистов пик глобального потепления будет зафиксирован на уровне 1,5-2,0 °С выше современного примерно через 200 лет.

Основной причиной глобальных процессов, которые приводят к изменению климата на нашей планете, являются существующие технологии, оказывающие негативное воз­действие не только на климат, но и на здоровье людей, выбрасывая в атмо­сферу парниковые газы, обуславливающие возникновение парникового эффекта, который был описан ещё в начале XIX века.

Парниковый эффект– это свойство атмосферы пропускать солнечную радиацию (ультрафиолетовое излучение), но частично задерживать земное (инфракрасное) излучение и, тем самым, способствовать аккумуляции тепла Землей, средняя температура которой в настоящее время составляет около 15 °С. При данной температуре поверхность планеты и атмосфера находятся в тепловом равновесии.

До вмешательства человека в глобальные процессы Земли изменения, происходящие на её поверхности и в атмосфере, были связаны с содержанием в природе газов, которые и были названы «парниковыми».

К парниковым газам принято относить такие компоненты атмосферы естественного и антропогенного происхождения, которые поглощают и излучают радиацию в том же инфракрасном диапазоне, что и поверхность Земли, атмосфера и облака. К ним относятся: водяной пар (Н₂О), диоксид углерода (CO₂), метан (CH₄), закись азота (N₂O), тропосферный озон (О₃) и некоторые другие, например, антропогенные хлорфторуглероды (ХФУ), гидрофторуглероды (ГФУ), перфторуглероды (ПФУ), шестифтористая сера (SF6), которые под воздействием солнечного излучения распадаются, поставляя активные радикалы хлора, разрушающие озоновый слой. Без такого газо­вого «покрывала», окутывающего Землю, температура на её поверхности была бы ниже на 30-40 °С, что обусловило бы проблематичность существова­ния живых организмов в таких условиях (рис.3.1).

Углекислый газ является наиболее важным по влиянию на климат парниковым газом. Согласно докладу МГЭИК после 1750 г. отмечается беспрецедентный по скорости рост концентрации СО₂ в атмосфере (на 35 %): с 280 ppm в 1750 г. до 379 ppm в 2005 г. [25].

Рисунок 3.1. Парниковый эффект

Метан – второй по значимости после CO₂ парниковый газ, концентрация которого увеличилась с 715 ppb в доиндустриальный период до 1774 ppb в 2005 г., т.е. в 2,5 раза. В конце 1970-х и начале 1980-х годов наблюдалась максимальная скорость роста концентрации метана в атмосфере – около 1 % в год. [25]. Однако сначала 1990-х годов она значительно уменьшилась. Несмотря на среднегодовое замедление роста концентрации метана за последние 15 лет, наблюдается его значительная межгодовая изменчивость, причины которой не совсем понятны и порой необъяснимы.

Концентрация закиси азота по сравнению с доиндустриальным периодом (270 ppb) увеличилась на 18 % и в 2005 г. составила 319 ppb. В течение последних десятилетий этот рост был примерно линейным и составлял 0,8 ppb/год. В настоящее время примерно 40 % N₂O поступает в атмосферу в результате хозяйственной деятельностью (удобрения, животноводство, химическая промышленность), однако существует большая неопределенность в оценках эмиссии, как от антропогенных, так и природных источников. N₂O принадлежит важная роль в химии атмосферы, ибо этот газ является источником диоксида азота NО₂, разрушающего стратосферный озон. В тропосфере NО₂ способствует образованию озона и в значительной степени определяет химический баланс. [25].

Тропосферный озоноказывает как прямое влияние на климат через поглощение инфракрасного излучения Земли и ультрафиолетового излучения Солнца, так и через химические реакции, которые изменяют концентрации других парниковых газов, например, метана (тропосферный О₃ способствует образованию важного окислителя парниковых газов – радикала ОН). [25].

На протяжении XXI века из-за увеличения антропогенной эмиссии предшественников озона в результате развития мировой экономики и роста населения (особенно в Юго-Восточной Азии, Центральной и Южной Америке, Африке) влияние тропосферного озона на климатическую систему будет оставаться значительным.

Водяной пар – важнейший естественный парниковый газ, вносит значительный вклад в парниковый эффект с сильной положительной обратной связью. Так, увеличение температуры воздуха вызывает рост влагосодержания атмосферы при примерном сохранении относительной влажности, что вызывает усиление парникового эффекта и тем самым способствует дальнейшему повышению температуры воздуха. Влияние водяного пара также может проявляться через увеличение облачности и изменение количества осадков. Вклад хозяйственной деятельности человека в эмиссию водяного пара незначителен и составляет менее 1 %. Водяной пар, наряду со способностью поглощать радиацию практически во всем инфракрасном диапазоне, также является источником образования ОН-радикалов, являющихся чрезвычайно активными окислителями и в значительной степени (несмотря на малые концентрации) определяющими химический состав тропосферы. [25].

В результате техногенной деятельности человека изменяется общий баланс тепла, влаги и веществ в атмосфере Земли. Это касается, прежде всего, углекислого газа, содержание которого в связи колоссальным ростом потребления углеводородного топлива неуклонно растет. Примерно на 50 % парниковый эффект вызван углекислым газом, на долю ХФУ приходится 15-20 %, на долю метана – около 18 %.

Парниковые газы различаются «силой» воздействия своего парникового эффекта, а также длительностью присутствия в атмосфере. Для сравнения парникового воздействие различных газов вводится эквивалент: их эффект пересчитывается в эффект от наиболее распространённого парникового газа – углекислого газа СО₂. Численные оценки выбросов всех парниковых газов даются в тоннах СО₂ эквивалента, получаемых в результате такого пересчета (обозначение – т СО₂-экв).

Именно концентрация антропогенных парниковых газов (прежде всего, углекислого газа и метана) в атмосфере существенно изменилась в течение последнего столетия в результате деятельности человека, т.е. в век углеводородного топлива, что доказано изотопным и корреляционным анализами.

Конечно, вряд ли Земля может превратиться в Венеру или Марс (ведь и так уже порядка 90 % излучения поглощается), однако, если не предпринимать никаких мер, повышение средней температуры Земли на несколько градусов вполне возможно. А это уже грозит серьёзными последствиями: по оценкам специалистов увеличение средней температуры Земли на 2 ºС может привести в росту температуры в Арктике более чем на 5 ºС, а диапазон колебаний, т.е. скачков температуры, может достигнуть 20 ºС. [12].

На рис. 3.2 представлены глобальные антропогенные выбросы парниковых газов. [2].

Рисунок. 3.2. а) Глобальные антропогенные выбросы ПГ с 1970 г. по 2004 г.

b) Доля различных антропогенных ПГ в суммарных выбросах в 2004 г.

с) Доля различных секторов в суммарных выбросах антропогенных ПГ.

В связи с необходимостью изучения среды обитания человека, в июне 1992 г. в Рио-де-Жанейро состоялась конференция с участием первых лиц 156 государств, которые подписали так называемую Рамочную конвенцию об изменении климата. Развитием её является межправительственный Протокол, подписанный в 1997 г. в японском городе Киото – поэтому он и был назван Киотским Про­токолом. Это первый в истории человечества случай, когда практи­чески всё мировое сообщество подключилось к решению такой сложной на­учной задачи, как охрана окружающей среды.

По состоянию на сентябрь 2011 г. Протокол был ратифицирован 191 страной мира. Заметным исключением из этого списка являются США.

Цель – сократить или стабилизировать выбросы парниковых газов (CO₂, CH₄, гидрофторуглеводороды, перфторуглеводороды, закись азота N₂O, SF₆) на 5,2 % в 2008-2012 годах по сравнению с 1990 годом.

Основные обязательства взяли на себя индустриальные страны:

- Евросоюз должен сократить выбросы на 8 %;

- Япония и Канада – на 6 %;

- Страны Восточной Европы и Прибалтики – в среднем на 8 %;

- Россия и Украина – сохранить среднегодовые выбросы в 2008-2012 годах на уровне 1990 года.

Президент РФ Владимир Путин подписал Киотский Протокол 4 ноября 2004 года.

Благодаря КП темпы роста эмиссии диоксида углерода в атмосферу резко замедлились. Анализ перспективных структур мирового энергоба­ланса позволяет заключить, что пик этой эмиссии будет зафиксирован в те­чение ближайших 20-25лет на уровне, не слишком отличающемся от современного. В настоящее время выбросы составляют около 7 млрд. т в год, а ожидаемый пик по прогнозам составит примерно 9 млрд. т в год.

Киотский протокол обязывал большинство из промышленных стран мира к 2012 г. сократить свои объёмы выбросов ПГ в среднем на 5,2 % от уровня 1990 г. Тем не менее, не все страны справились с принятыми обязательствами.

Наибольших успехов в снижении выбросов ПГ достигли страны Прибалтики (особенно, Латвия), в то время как на противоположном полюсе «лидируют» Испания и Канада. Удивительно, но Испания входит в четвёрку стран, наиболее развитых в сфере освоения ВИЭ. Что касается Канады, то в 2011 г. они вышли из Киотского протокола. [8].

В приложении к климатической Конвенции ООН названы технологические процессы, приводящие к эмиссии парниковых газов:

- сжигание топлива – энергетика, обрабаты­вающая и строительная промышленности;

- добыче и транспортировке топлива – уголь, нефть и природный газ;

- промышленные технологии – горнодобывающая, химиче­ская, металлургическая, производство и использование галогенизированных углеродных соединений;

- сельское хозяйство – интенсивная ферментация, хранение и использование навоза, производство риса и других с/х культур, управляемый пал травы;

- хранение и сжигание отходов, обработка сточных вод.

Основным загрязнителем атмосферы является СО2, образующийся в результате сжигания органического топлива при выработке электроэнергии и тепла. Евросоюз с насе­лением 16 % от общего населения в мире является в настоящее время одним из основных загрязнителей атмосферы (26 %).

Среди стран мира самым крупным загрязнителем окружающей среды в начале ХХI века яв­лялись США – 7,7 млн. тонн СО₂ (более 20 % от суммарной общемировой эмиссии углекислого газа), Китай – 7,6 млн. т, России – 6,2 млн.т. [14].

По относительным показателям эмиссии СО₂ (выбросы в тоннах на 1 МВт установленной электрической мощности ТЭС) крупнейшим загрязнителем воздуха можно считать Россию (80 т/МВт), затем следует Индия и Великобритания (по 65 т/МВт), Китай (61 т/МВт). Наиболее низкие показатели в Германии и Японии – всего 7 т/МВт. [14].

Одним из самых загрязнённых мегаполисов в мире является Пекин с его 12-милионным населением. Основной причиной загрязнения являются промышленные предприятия, густо разбросанные по городу. Во многом способствует загрязнению Пекина и отопление домов углем.

В последние годы по «экологическим» причинам в Китае было закрыто 73 тыс. предприятий. К 2001 г. более 90 % из 238 тыс. производств, кото­рым были предъявлены претензии со стороны государства, осуществили необходимые мероприятия по обеспечению экологической безопасности и стали соответствовать государственным экологи­ческим стандартам. В результате, за годы бурного экономического роста за­грязнение окружающей среды удалось сократить на 10 % по сравнению с 1995 г. В первой декаде ХХI века Китай намерен снижать количество вредных выбросов на 10 % ежегодно путём внедре­ния новых технологий и экологически чистых процессов производства.

Выброс парниковых газов зависит от вида сжигаемого топлива и содержания углерода и составляет примерно 1,4 кг на 1 кВт∙ч. Наиболее высокие уровни выброса СО₂ имеют электростанции, работающие на угле.

Киотским протоколом закреплены количественные обязательст­ва как развитых стран, так и стран с переходной экономикой по ограниче­нию и снижению поступления парниковых газов (прежде всего СО₂) в атмо­сферу. По состоянию на февраль 2011 г. его ратифицировали 191 страна.

Производство электроэнергии на основе безэмиссионных технологий в настоящее время связано со значительными материальными затратами, которые, в свою очередь, обуславливают повышенные энергозатраты, а значит, сопряжены с дополнительной эмиссией тех же пар­никовых газов.

Очевидно, что выбросы парниковых газов надо снижать. Встаёт закономерный вопрос: кто, где, когда и как? Почти как в популярном интеллектуальном телешоу «Что, где, когда?». В научных докладах самого различного уровня, в правительственных материалах различных стран и в межправительственных отчётах можно встретить, например, численные показатели: 50 % снижения выбросов ПГ к 2050 г. для мира в целом и 80 % – для наиболее развитых стран. Но чтобы судить о действиях той или иной страны в этом направлении, необходимо, но не достаточно замерить концентрацию СО₂ в её городах: это будет не показательно, поскольку для ПГ, также как и для других токсичных газов, не существует межгосударственных границ и «таможенных пунктов», они могут достаточно долго находиться в атмосфере и хорошо там перемешиваться. Поэтому их концентрации в Санкт-Петербурге, в Детройте или в Пекине, как правило, очень близки и не характеризуют ту или страну как источник парниковых газов. Здесь необходимы расчёты расхода использованного топлива, количества той или иной продукции, производство которой сопровождается выбросами и т. п. Кроме того, очень важен мониторинг состояния лесов и других экосистем, которые, как выясняется, могут не только поглощать углекислый газ, но и сами являться источниками СО₂ и метана.

Численно оценить суммарный объём выбросов ПГ вообще проблематично, поскольку достаточно хорошо изучена только наибольшая составляющая – выбросы СО₂ от сжигания ископаемых видов топлива, которая дает примерно 65 % от общего количества, а также выбросы различных промышленных химических процессов (производство цемента, металлургия и др.), которые дают только около 3 % общих выбросов парниковых газов. Таким образом, относительно точно известно лишь порядка 70 % от общего объёма глобальных выбросов ПГ, в связи с чем в каждом конкретном анализируемом случае необходимо обращать внимание на то, что же имеется в виду под понятием «выбросы парниковых газов».

Экологическая обстановка в мире в последние два десятилетия существенно изменилась. Если в 1990 г. на долю развивающихся стран приходилась 1/3 выбросов ПГ, а на долю промышленно развитых – 2/3, то к 2013 г. наблюдается почти зеркальное отображение, чему виной сильнейший рост выбросов в Китае, Индии, Бразилии, ЮАР и Индонезии, которые и определяют в настоящее время динамику глобальных выбросов (рис. 3.3).

Рисунок 3.3. Динамика выбросов ПГ по 2013 г.

В большинстве развитых стран выбросы либо стабильны, либо незначительно снижаются. Это объясняется тем, что внедрение новых энергоэффективных технологий и товаров идет быстрее, чем расширение объёмов производства и потребления. Существенным фактором является и невысокий рост численности населения в развитых странах по сравнению с развивающимися.

Что касается России, то у нас наблюдается медленный рост выбросов ПГ, поскольку энергоэффективность растёт пока медленнее, чем объём производства и потребления.

Остаётся только надеяться, что в ближайшие годы или десятилетия РФ встанет на путь устойчивого развития, что приведёт и снижению выбросов СО₂ и других парниковых газов.

Президент и премьер-министр РФ регулярно отмечают, что Россия будет предпринимать шаги по снижению выбросов, если столь же активно в этом процессе будут участвовать два главных «вредителя»: Китай и США. До недавнего времени Россия была на третьем месте по объёму выбросов парниковых газов, но на сегодняшний день по выбросам СО₂ в энергетике и промышленности наша страна уже четвертая (нас «опередила» Индия). Если же добавить ещё и данные о рубке лесов, то впереди нас и Бразилия (рис. 3.4). Относительный вклад РФ в глобальные выбросы ПГ сократился до 3 %.

Рисунок 3.4. Вклад отдельных стран в выбросы парниковых газов

в середине 2000-х г.