2

Размещено на http://www.allbest.ru/

глобальные и региональные аспекты взаимосвязей в системе «энергетический комплекс -- окружающая среда»

Общая характеристика работы

топливный энергетический охрана среда

Актуальность темы

Энергетика (в данной работе под этим термином подразумеваются все процессы, связанные с производством, распределением и потреблением энергии, содержащейся в органическом и ядерном топливе, а также в возобновляемых источниках) относится к тем отраслям экономики, где особенно сильна взаимосвязь деятельности человека и состояния окружающей среды. Энергетический комплекс, являясь основой экономики, не только влияет на атмосферу, гидросферу и климат, но и сам испытывает значительное воздействие со стороны природно-климатических факторов.

Глубокая озабоченность мирового сообщества ухудшением состояния окружающей среды нашла отклик в целом ряде международных соглашений, наиболее масштабным из которых стали Рамочная Конвенция ООН по изменениям климата (РКИК, 1992 г.) и дополняющий ее Киотский протокол по парниковым газам (1997). Россия подписала и ратифицировала оба этих документа, включившись в международную систему стабилизации климата и взяв на себя определенные обязательства по контролю и ограничению вредного антропогенного воздействия на атмосферу на своей территории.

Тем не менее, как показала состоявшаяся в декабре 2009 г. Конференция участников РКИК в Копенгагене, до сих пор остаются открытыми вопросы, какова роль антропогенного фактора (в том числе энергетики) в наблюдающихся изменениях климата, каков будет их масштаб в будущем и какие меры необходимы для предотвращения их негативных последствий. Решения мирового сообщества по ограничению выбросов парниковых газов могут стать критическими для дальнейшего развития России. С другой стороны, до сих пор остаются неиспользованными экономические механизмы Киотского протокола, которые в период до 2012 г. могут стать дополнительным источником инвестиций в модернизацию отечественной энергетики.

Сфера теплоснабжения -- самая энергоемкая и климатозависимая отрасль отечественной экономики. По оценкам специалистов Росгидромета, вклад погодно-климатических факторов в экономическую безопасность отечественной энергетики составляет примерно 20%, из которых половина приходится на гидрометеорологические явления. Огромные возможности снижения негативного влияния энергетики на окружающую среду имеют энергосберегающие и природоохранные технологии. Так, по оценкам, потенциал энергосбережения в России составляет 300-400 млн. т у.т. (тонн условного топлива) ежегодно. Развивающееся глобальное потепление несомненно приведет к уменьшению затрат энергии на теплоснабжение.

Таким образом, для эффективного планирования развития отечественной энергетики с учетом экологических ограничений необходим единый комплекс методов, направленный на исследование взаимодействий в системе «энергетический комплекс-окружающая среда».

Цель работы -- создание системы методов и инструментов количественной оценки прямых и обратных связей в системе «энергетика-климат» на глобальном, национальном и региональном уровнях, направленных на решение следующих задач:

разработка перспективного мирового топливно-энергетического баланса на период до 2100 г.;

оценка влияния ТЭК на окружающую среду, в первую очередь, расчет объёма выбросов парниковых газов (диоксид углерода, метан, закись азота) и загрязняющих веществ (оксиды серы и азота);

оценка глобальных объемов эмиссии указанных соединений в различных видах антропогенной деятельности в 1800-2005 гг. и разработка их сценариев на период до 2100 г.;

оценка инновационного потенциала ТЭК в области энергосбережения и охраны окружающей среды, в том числе, за счет реализации экономических механизмов Киотского протокола;

прогнозирование изменений состава и теплового радиационного баланса атмосферы, связанных с антропогенной эмиссией исследуемых веществ;

оценка антропогенного влияния на климат на фоне его естественных изменений;

прогнозирование климатических характеристик, влияющих на уровень энергопотребления;

учет ожидаемых изменений природной среды и климата при прогнозировании развития энергетики.

Научная новизна

Впервые реализован единый подход к учету прямых и обратных связей в системе «энергетический комплекс - окружающая среда»

Получил дальнейшее развитие историко-эктраполяционный подход к исследованию перспектив развития энергетического комплекса

С учетом ресурсных, технологических и экологических ограничений разработан перспективный мировой топливно-энергетический баланс, основанный на анализе действующих тенденций в сфере производства и потребления энергии

С учетом действующих природоохранных тенденций в различных отраслях мировой экономики предложены сценарии эмиссии диоксида углерода, метана, закиси азота, оксидов серы и азота из антропогенных источников на период до 2100 г.

С помощью комплекса моделей атмосферы и климата рассчитаны будущие изменения химического состава и радиационного баланса атмосферы, а также среднеглобальной температуры, оценен вклад антропогенных выбросов.

Проведено исследование динамики климатических параметров, влияющих на режимы функционирования энергетических объектов на региональном уровне. Предложены методы фонового прогнозирования продолжительности и средней температуры отопительного периода, а также температур самых холодных суток и пятидневок.

Разработаны методы прогнозирования теплопотребления в условиях изменения климата, опирающиеся на базы данных по природно-климатическим и технико-экономическим характеристикам энергосистем субъектов федерации, комплекс моделей региональных изменений природной среды и климата и использующие расчетные методики для оценки теплопотребления в различных сферах экономики.

На защиту выносятся:

1. перспективный мировой топливно-энергетический баланс, основанный на анализе действующих тенденций в сфере производства и потребления энергии

2. сценарии эмиссии диоксида углерода, метана, закиси азота, оксидов серы и азота из антропогенных источников на период до 2100 г.

3. оценка антропогенного вклада в наблюдающиеся и ожидаемые глобальные изменения атмосферы и климата и доли в нем мирового энергетического комплекса

4. оценки выбросов парниковых газов в ТЭК России в 1950-2007 гг. и на период до 2050 г.

5. методы расчета перспективных объемов потребления тепловой энергии на региональном уровне с учетом ожидаемых климатических изменений

6. оценки теплопотребления в сфере ЖКХ субъектов федерации для различных сценариев изменения климата и экономического развития на период до 2025 г., а для Российской Федерации в целом - суммарная оценка объема теплопотребления на период до 2050 г.

Исходные данные, методы исследования, достоверность и обоснованность результатов

Для выполнения работы была создана обширная информационная база, включающая в себя обработанные и систематизированные данные из различных источников:

- данные национальной и международной статистики по производству и потреблению различных видов энергии

- данные национальных инвентаризаций антропогенных выбросов парниковых газов и загрязняющих веществ из различных источников

- данные инструментальных наблюдений и реконструкций по климатическим характеристикам и химическому составу атмосферы за период 1700-2008 гг.

Информация содержится в нескольких специализированных базах данных, получивших государственную регистрацию.

Для оценки мировых объемов выбросов вредных веществ развит укрупненный метод расчетов, применяемый в энергетике для определения экологического ущерба. При этом осуществлялся анализ динамики средних удельных показателей эмиссии (на единицу потребляемых или производимых ресурсов или приходящейся на душу населения) и переход к валовым объемам выбросов на основе демографических и экономических сценариев.

Основой для создания базового прогноза мирового топливно-энергетического баланса послужил историко-экстраполяционный метод, позволяющий путем анализа эволюции удельных показателей эмиссии для стран и регионов, находящихся на различных этапах технологического и экономического развития, определить тенденции и дальнейшие пути их изменения.

Изменения состава и теплового радиационного баланса атмосферы рассчитаны с помощью ряда простых моделей физики атмосферы.

Климатические расчеты проведены на регрессионно-аналитической модели климата научно-исследовательской лаборатории глобальных проблем энергетики МЭИ, оптимально сочетающей статистические методы и теоретические модели.

Для оценки влияния изменений природной среды и климата на функционирование энергетических объектов создана экспертная система поддержки принятия решений при прогнозировании развития энергетики, включающая методы расчета энергопотребления в различных отраслях экономики на региональном уровне с учетом климатических изменений.

Для обработки результатов применялись классические методы статистического анализа. Проводилось сопоставление полученных результатов с данными других работ.

Практическая значимость

Использование представленных оценок воздействия мирового ТЭК и других отраслей на атмосферу способно повысить адекватность и точность моделирования и прогнозирования глобальных и региональных климатических изменений.

Оценки выбросов парниковых газов в ТЭК России предназначены для оптимизации работы энергетических отраслей России в период реализации Энергетической стратегии России и действия Киотского протокола, а также на более отдаленную перспективу.

Разработанные методы учета климатических изменений при долгосрочном планировании теплоснабжения позволяют более эффективно использовать топливные ресурсы в масштабах региональных энергосистем.

Предлагаемые методы могут быть использованы в масштабах региональных и объединенных энергосистем, в администрациях субъектов федерации, на федеральном уровне, а также в научно-исследовательских организациях.

Полученные в ходе работы над диссертацией результаты были использованы при выполнении НИР по ряду федеральных и ведомственных научных программ: «Университеты России -- фундаментальные исследования» и «Перспективные технологии производства тепловой и электрической энергии» (обе -- Минобразования), «Глобальные изменения природной среды и климата» (Миннауки), «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России» и «Исследование природы Мирового океана» (обе - Роснаука), «Развитие научного потенциала высшей школы» (Рособразование), проектов по грантам федеральных, муниципальных и неправительственных организаций.

Внедрение

С использованием разработанных методов выполнен большой объем прикладных разработок для ряда организаций, работающих в сфере энергетики: РАО «ЕЭС России», Росатом, Спецстрой, ОАО «Системный оператор ЕЭС России», региональные энергосистемы (Мосэнерго, Татэнерго, Иркутскэнерго), отраслевые научные учреждения.

Апробация

Материалы диссертации были представлены на научных семинарах кафедр Котельных установок и экологии энергетики, Инженерной экологии и охраны труда и научно-исследовательской лаборатории глобальных проблем энергетики (НИЛ ГПЭ) МЭИ (ТУ), а также на следующих конференциях:

1. Молодежный форум и глобальный диалог “Взгляд в будущее”. Всемирная выставка EXPO 2000. Ганновер, Германия, 11-13 июля 2000 г.

2. Международная энергетическая конференция и выставка Energex'2002. Международный энергетический фонд. Краков, Польша, 19-24 мая 2002 г.

3. II научно-техническая конференция «Научно-инновационное сотрудничество» по межотраслевой программе сотрудничества между Минобразования России и Минатомом России. Москва. МИФИ. 27-30 января 2003 г.

4. Международная конференция "Взаимодействие общества и окружающей среды в условиях глобальных и региональных изменений". Москва-Барнаул, 18-29 июля 2003 г.

5. Всемирная конференция по изменению климата. Москва. 29 сентября-3 октября 2003 г.

6. Международная научная конференция «Электротехника, энергетика, экология» ЭЭЭ-2004. СПб: 12-15 сентября 2004 г.

7. XIV Международная научная конференция «Человек и природа. Проблемы социоестественной истории». Судак, 20-24 сентября 2004 г.

8. Международная конференция «Планирование развития энергетики: методология, программное обеспечение, приложения». Москва, 25-27 октября 2004 г.

9. Тематическая научно-практическая конференция «Городской строительный комплекс и безопасность жизнеобеспечения граждан». Москва, 9-10 ноября 2005 г.

10. Энергосбережение: состояние и перспективы: VII Всероссийское совещание-выставка по энергосбережению. Екатеринбург, 21-24 марта 2006 г.

11. Всероссийская конференция «Академическая наука и ее роль в развитии производительных сил в северных регионах России». Архангельск, 19-21 июня 2006 г.

12. Национальная конференция по теплоэнергетике «НКТЭ-2006». Казань, 5-8 сентября 2006 г.

13. 9-й Международный Симпозиум молодых ученых, аспирантов и студентов «Инженерные и технологические исследования для устойчивого развития». Москва, МГУИЭ, 21-24 ноября 2007 г.

14. 42-я ежегодная сессия CIGRE (Международный совет по большим электрическим системам). Париж, 24-29 августа 2008 г.

15. Международный семинар «Сотрудничество в области энергетических технологий: глобальные вызовы и согласованные действия» Москва, ВВЦ, 30 сентября - 1 октября 2008 г.

16. Научно-практическая конференция «Глобальные изменения климата и механизмы адаптации к ним». Москва, Роснаука, 10-11 ноября 2009 г.

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 53 печатных работах, из которых 20 статей изданы в журналах, рекомендованных ВАК для докторских диссертаций.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Объем работы 306 с., 99 илл., 27 табл., 352 ист.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы, делается постановка задачи и дается краткое содержание работы.

Глава 1 представляет методы разработки перспективного мирового топливно-энергетического баланса и прогноза выбросов основных парниковых газов. С использованием авторских подходов к прогнозированию развития мировой энергетики и оценке возможных изменений глобального климата под действием антропогенных и естественных факторов проанализированы долгосрочные последствия реализации целей Киотского протокола в области ограничения эмиссии парниковых газов.

В основе предлагаемых оценок лежит т. н. генетический прогноз мирового энергопотребления, разработанный более 20 лет назад в МЭИ и показавший за истекший период очень хорошее соответствие фактическим данным: отклонение прогнозных оценок от данных мировой энергетической статистики не превышало 2%, что, на наш взгляд, делает возможность построения сверхдолгосрочного энергетического прогноза с точностью, необходимой для климатических расчетов, вполне реальной. Последовательное применение генетического подхода к прогнозированию развития энергетики (поиск, анализ и экстраполяция исторических тенденций в будущее) позволило сформулировать два фундаментальных вывода, определяющих путь развития энергетики мира в ближайшие десятилетия:

1. стабилизация национального удельного энергопотребления на душу населения на уровне, в основном определяемом климатогеографическими факторами (этот процесс уже завершился в большинстве развитых стран мира); благодаря росту энергоэффективности экономики, это не препятствует увеличению ВВП

2. неуклонное и практически линейное снижение со временем углеродной интенсивности мировой энергетики в результате изменений структуры топливно-энергетического баланса, наблюдающееся уже более 100 лет.

В настоящей работе для оценки добычи углеводородного топлива (нефти и природного газа) использована т.н. «методика расходования исчерпаемого ресурса», предполагающая снижение объемов добычи этого ресурса по мере истощения его месторождений. В этом случае кривая его кумулятивного потребления описывается логистической функцией с экспоненциальным начальным участком и асимптотой, определяемой объемом доступных запасов. В качестве последних в настоящей работе принимается сумма разведанных извлекаемых запасов и перспективных дополнительных ресурсов, устанавливающая теоретический предел возможностей использования данного вида топлива с геологической и экономической точек зрения (по терминологии Всемирного энергетического совета WEC (1993)) (рис. 1). Траектория данной кривой определяется исторически сложившейся динамикой спроса на различные виды энергоресурсов.

Сравнение структуры топливно-энергетического баланса, предлагаемого в настоящей работе для прогноза мирового энергопотребления (рис. 2а), с аналогичными показателями работ WEC и Межправительственной группы экспертов по изменениям климата (IPCC) показывает, что для первой половины столетия они весьма близки. Заметные отличия во вкладах углеводородного топлива и вкладе источников энергии, не связанных с эмиссией углекислого газа, проявляются только ближе к 2100 г., когда неопределенность статуса энергетических технологий максимальна. Тем не менее, ожидаемая нами к 2100 г. доля источников энергии, не связанная со сжиганием топлива (66%), предусмотрена в нескольких сценариях IPCC (семейства A1T, A1B и B1). Таким образом, несмотря на принципиально отличный подход к прогнозной оценке состояния мировой энергетики, предлагаемая структура мирового топливного баланса в целом не противоречит экспертным оценкам путей развития технологий производства энергии и в части органического топлива полностью обеспечена природными ресурсами.

Что касается экологических характеристик предложенных сценариев, то, в отношении к Киотскому протоколу, их характеризует углеродный коэффициент мирового энергопотребления, представленный на рис. 2б.

а б

Рис. 1 -- Кумулятивное потребление нефти (а) и газа (б) в мире: 1 -- исторические данные; 2 -- прогноз настоящей работы; 3 -- основной сценарий WEC/IIASA (1993)

Как видно, в результате роста доли угля в глобальном объеме потребления коммерческой энергии многолетнее снижение углеродной интенсивности в последние 10 лет сменилось её незначительным ростом до уровня 1,9 тCO₂/т у.т. против минимального значения 2000 г. в 1,8 тCO₂/т у.т. Безусловно, такие изменения приведут к заметному увеличению эмиссии диоксида углерода (и остальных парниковых газов) по сравнению со сценарием «чистой энергетики». Эти последствия, равно как и соответствующие глобальные климатические изменения, рассмотрены в главе 5.

аб

Рис. 2 -- Структура перспективного топливно-энергетического баланса (а) и динамика углеродного коэффициента мирового коммерческого энергопотребления (б): 1 -- исторические данные; 2а -- сценарий «чистая энергетика»; 3 -- сценарий «угольная энергетика»

В главах 2-3 описывается подробная информационная база по выбросам оксидов азота NO_x, оксидов серы SO_x и закиси азота N₂O, в различных отраслях экономики для отдельных стран и регионов мира. Анализ структуры эмиссии данных веществ в странах, находящихся на разных этапах экономического развития, позволил сделать глобальные оценки выбросов. На основе экстраполяции действующих тенденций в изменении топливного баланса и внедрении природоохранных технологий построен долгосрочный базовый прогноз эмиссии SO_x, NO_x, N₂O из различных хозяйственных источников в атмосферу, а также несколько альтернативных сценариев.

Глава 2 посвящена оценке и прогнозу выбросов оксидов азота (NO_x и N₂O) в различных видах антропогенной деятельности. В ней приводится обзор литературы по данной проблеме, освещается современное состояние вопроса. Отмечается, что, несмотря на многочисленные публикации, до сих пор нет надежных оценок глобальной эмиссии данных соединений за весь индустриальный период (начиная с 1800 г.) В главе описывается база данных (БД) по эмиссии оксидов азота при сжигании топлива, других производственных процессах, в сельском и лесном хозяйстве, при обращении с отходами, созданная по многочисленным статистическим источникам для более чем 50 стран и охватывающая период с 1965 г. по настоящее время. Переход к удельным выбросам NO_x при сжигании органического топлива позволил оценить влияние изменений в топливном балансе и внедрения природоохранных технологий в энергетике и других отраслях экономики. Для корректного учета национальных особенностей экономического развития все страны мира были разделены нами на пять основных групп. Основными критериями отбора служили демографические и энергетические показатели, характеризующие уровень развития стран: естественный ежегодный прирост населения и полное удельное энергопотребление на душу населения, отнесенное к оптимальному для данных географических и климатических условий. Установлено, что природоохранные технологии внесли заметный вклад в снижение удельных выбросов (более 15% за период 1970-2005 гг.) лишь в группе промышленно развитых стран, причем наибольший эффект был достигнут в теплоэнергетике: так, выбросы NO_x на ТЭС, отнесенные к выработке электроэнергии, за этот же период снизились в 1,5-2 раза. В группе стран с переходной экономикой, куда входит и Россия, 5%-ное снижение удельных выбросов вызвано в основном увеличением доли газа в топливном балансе, а ввод воздухоохранных технологий был заторможен в начале 1990-х в связи с постигшим страны региона экономическим кризисом. В остальных группах изменения удельных показателей крайне незначительны и определяются лишь типом и качеством потребляемого топлива, в то время как первые эксперименты по оснащению предприятий энергетики технологиями подавления образования NO_x относятся лишь к последним годам. Опираясь на концепцию догоняющего развития, согласно которой все страны последовательно проходят через одни и те же этапы технологического развития, удалось экстраполировать действующие тенденции на весь период текущего столетия. Согласно нашему базовому прогнозу, удельная эмиссия оксидов азота (здесь и далее в пересчете на NO₂) при сжигании органического топлива в течение этого периода в среднем по миру снизится с 8,5 кг NO₂/т у.т. до 7,0 кг NO₂/т у.т. в основном за счет прогрессирующего внедрения воздухоохранных технологий, причем примерно с середины столетия темпы снижения несколько снизятся за счет увеличения доли угля (имеющего наибольший коэффициент азотной эмиссии) в мировом топливном балансе. Используя данные базового сценария развития мировой энергетики, рпедставленного в 1 главе, получены объемы валовых мировых выбросов NO_x при сжигании органического топлива, представленные на рис. 3 вместе с оценками эмиссии NO_x в других видах антропогенной деятельности. По представленным оценкам, мировая эмиссия NO_x уже через 15-20 лет достигнет своего максимума на уровне около 130 млн. т/год, после чего начнётся её медленное снижение.

Рис. 3 -- Мировая эмиссия оксидов азота NO_x (в пересчете на NO₂) при сжигании топлива (1 -- газа, 2 -- нефти, 3 -- угля, 4 -- биомассы) и из других источников (5 -- промышленность, 6- сельское и лесное хозяйство) в период с 1800 г. до 2100 г.

Для оценки выбросов закиси азота N₂O из энергетических источников был проведен сравнительный анализ данных по эмиссии N₂O и NO_x для стран Западной Европы и США. Полученное нами соотношение выбросов указанных веществ, равное 0,014 (т.е. на каждую 1000 т NO_x приходится 14 т N₂O) хорошо согласуется с результатами зарубежных полевых исследований состава уходящих газов энергетических установок. Объемы эмиссии закиси азота при сжигании органического топлива, рассчитанные с помощью данного коэффициента через выбросы NO_x, показаны на рис. 4.

Для расчета эмиссии оксидов азота за счет изменений в землепользовании (вырубке лесов, распашке сельскохозяйственных угодий, сжигания растительных остатков) была использована методика Боумена и др., связывающая выбросы CO₂, NO_x и N₂O из этих источников. Согласно ей на каждую тысячу тонн углекислого газа, попадающего в атмосферу за счет сведения лесов, приходится около 4 т закиси азота и 8 т оксидов азота, а за счет эксплуатации сельскохозяйственных земель -- 1 и 4 тонны соответственно. Для исторического периода мы воспользовались данными Хьютона и др. по биотической эмиссии углерода. Оценка будущих выбросов опирается на базовый прогноз Клименко и др. (1997) изменений в землепользовании и учитывает как уже фактически проявившуюся стабилизацию площади обрабатываемых земель в мире, так и наметившуюся тенденцию к восстановлению умеренных и снижению темпов вырубки тропических лесов. Рассчитанные объемы выбросов из всех антропогенных источников показаны на рис. 4.

Рис. 4 -- Эмиссия закиси азота N₂O в атмосферу при различных видах человеческой деятельности: 1 -- сельское и лесное хозяйство; 2 -- сжигание топлива; 3 -- другие производственные процессы; 4 -- утилизация отходов

В суммарной эмиссии N₂O значительная доля принадлежит сельскому хозяйству -- за счет использования минеральных азотных удобрений и содержания скота. Для оценки и прогноза выбросов закиси азота из этих источников проведен анализ мировых данных Организации по продовольствию и сельскому хозяйству ООН по объемам применения удобрений и поголовью скота, приходящимся на душу населения. Результаты анализа показывают, что первый показатель после бурного роста в 1960-1980 гг. в настоящее время близок к стабилизации и его временной ход хорошо описывается логистической кривой. В то же время рост поголовья скота заметно отставал от роста численности населения мира при постоянном росте удельного потребления продуктов животноводства на душу населения. Очевидно, дальнейшее развитие агротехнологий приведет к постепенной стабилизации и этого показателя на уровне, обеспечивающем основные потребности населения в продуктах питания и достигнутом в настоящее время в целом ряде стран мира. Расчет эмиссии закиси азота из этого источника проводился с использованием результатов Боумена и др., показавших, что в виде N₂O в атмосферу поступает около 2% и 0,5% азота, содержащегося соответственно в минеральных удобрениях и отходах содержания скота. Рассчитанные по этим коэффициентам объемы выбросов также показаны на рис. 4.

Для оценки объемов эмиссии соединений азота в промышленных процессах, не связанных со сжиганием топлива, использованы значения удельных выбросов из вышеупомянутой БД. В химической и нефтеперерабатывающей промышленности образуется примерно вдвое больше NO_x, чем закиси азота N₂O, в противоположность энергетике, где подобное соотношение составляет 1:0,014=70.

На рис. 3-4 показаны результаты расчетов суммарных мировых объемов выбросов NO_x и N₂O. Для обоих типов веществ характерны незначительные изменения их эмиссии в XIX в. и ее бурный рост в течение большей части прошлого столетия. В последние десятилетия наблюдается снижение темпов ее роста, связанное со стабилизацией потребления материальных ресурсов и внедрением природоохранных технологий в энергетике и ряде других отраслей промышленности. Наши расчеты дают основание ожидать стабилизацию антропогенных выбросов N₂O ко второй половине следующего столетия на уровне 15 млн. т/год, и снижения выбросов NO_x, начиная с 2020-30 гг., когда они достигнут своего максимального значения в 130 млн. т NO₂/год, до 80 млн. т NO₂/год к концу следующего столетия.

Глава 3 посвящена изучению эволюции мировой антропогенной эмиссии оксидов серы, которые поступают в атмосферу из нескольких антропогенных источников: при сжигании серосодержащего топлива -- угля и нефтепродуктов, а также в процессах металлургического, химического и целлюлозно-бумажного производств. В обзоре литературы приведены многочисленные оценки выбросов серы из антропогенных источников, в основном для экономически развитых регионов планеты -- Европы, США и Японии, а также стран Восточной Европы. Развивающиеся регионы Азии, Африки и Латинской Америки подобными исследованиями практически не охвачены. Имеющиеся оценки мировых выбросов серы порой значительно отличаются друг от друга. Тем не менее, ряд различных международных программ -- IPCC, Программа охраны окружающей среды ООН UNEP оперируют в своих трудах глобальными значениями выбросов серы, достоверность которых на наш взгляд недостаточна, а прогнозы в высшей степени сомнительны.

В созданной базе данных НИЛ ГПЭ МЭИ по промышленным выбросам серы представлены страны из всех пяти групп, причем для развитых стран она охватывает около 85% потребления энергии в этой группе, для новых индустриальных -- около 50%, для переходных -- более 95%, для развивающихся -- около75% и для нефтедобывающих -- около 60%. Таким образом, имеющаяся в нашем распоряжении информация дает основание для создания целостной картины эволюции выбросов серы из индустриальных источников для всего мира.

Абсолютные значения годовой эмиссии оксидов серы при сжигании органического топлива для различных стран были отнесены к объемам потребляемого ими серосодержащего топлива -- угля и нефти, измеренных в тоннах условного топлива. Полученные ряды удельной эмиссии дают возможность сопоставить динамику изменения экологического ущерба, наносимого промышленностью стран, принадлежащих к различным экономическим группам.

Каждая из групп имеет свои особенности. В развитых странах, потребляющих в настоящее время большую долю энергии и, соответственно, выбрасывающих в атмосферу основную долю загрязняющих веществ, уже с начала 1970-х годов начинается устойчивое снижение удельных выбросов серы. За последующие 25 лет они сократились вдвое и составили в 1995 г. 10 кг/т у.т., а на предприятиях теплоэнергетики достигнуты еще более высокие результаты -- удельные выбросы за тот же период сократились в 2-3 раза и составили в 1995 г. в среднем около 5 г/кВтч. В бывших соцстранах введение мер по снижению содержания серы в дымовых газах энергообъектов относятся ко второй половине 80-х годов. Снижение доли высокосернистых топлив в энергетическом балансе, внедрение технологических способов сероочистки привело к некоторому снижению удельных выбросов в этом регионе с 23 кг/т у.т в 1985 г. до 12 кг/т у.т в 2007 г. Группа новых индустриальных стран находится в настоящее время на этапе интенсивного роста потребления органического топлива (со скоростью 5-7% в год) и соответствующего загрязнения окружающей среды. Изменения в топливном балансе в 1980-х гг. в ряде стран (Малайзия, Северная Корея) привели к некоторому сокращению удельной эмиссии оксидов серы из энергетических источников. В целом по региону за последние 15 лет наблюдается спад удельных выбросов оксидов серы при сжигании топлива: средний коэффициент снизился с 22 кг/т у.т в 1980 г. до 12 кг/т у.т в 2000 г., и эта тенденция сохраняется. Немногочисленная группа стран-экспортеров нефти характеризуется высокими значениями удельных выбросов серы, что объясняется утилизацией серосодержащих составляющих добычи и переработки нефти. Недостаточное количество данных и малый удельный вес этих стран в мировом потреблении топлива позволяет присвоить этой группе средний коэффициент 25 кг/т у.т, что соответствует его значению для Саудовской Аравии. Для развивающихся стран характерны высокие уровни удельных выбросов серы и их умеренное изменение. Вместе с тем бурный рост потребления энергии, и в первую очередь угля, и отсутствие должных природоохранных мер в этой группе поставили ее на первое место в мире по выбросам серы.

Для оценки серных выбросов из других промышленных источников -- химических, нефтеперерабатывающих, металлургических и других процессов, использовались показатели эмиссии по этим отраслям в разных странах, приходящиеся на душу населения. При анализе этих данных оказалось, что средний на душу населения показатель для стран первой группы колеблется в довольно широких пределах -- от 1 кг/чел. в Германии до 5 кг/чел. в США и Норвегии. Бывшие соцстраны в настоящее время характеризуются приблизительно такими же коэффициентами -- около 5 кг/чел. Данные по изменению этого показателя со временем позволили дать линейную оценку снижения среднедушевых выбросов в этих двух группах с 20 кг/чел. в 1970 г. до 4 кг/чел. в 1995 г. с последующей стабилизацией на этом уровне. Отдельные значения таких же показателей для новых индустриальных и развивающихся стран с учетом отсутствия до настоящего времени природоохранных технологий в этих регионах дают основание предположить линейный рост эмиссии оксидов серы в промышленных процессах с 0,3 кг/чел. в 1950 г. до 3,0 кг/чел. в 2005 г.

Для мира в целом характерно увеличение доли энергетических источников в общей эмиссии оксидов серы. Если в 1950 г. доля промышленных процессов оценивается нами в 12%, то к 2005 г. она снизилась до 8%. Таким образом, сегодня при сжигании органического топлива в атмосферу выбрасывается более 90% антропогенных SO₂, в т.ч. 60% -- на ТЭС, что ставит мировую энергетику перед необходимостью строгого контроля и ограничения эмиссии серы. Кроме того, современный этап развития мировой цивилизации характеризуется постепенным переносом основной экологической нагрузки с промышленно развитых на развивающиеся страны. Учитывая экономические трудности, стоящие перед последними, следует отметить, что без технологической и финансовой помощи Запада странам третьего мира сокращение выбросов серы (как, впрочем, и других вредных веществ) в глобальном масштабе невозможно. С другой стороны, нет решительно никаких оснований предполагать, что эмиссия серы в ближайшие десятилетия может значительно вырасти -- так, как это предполагается, в частности, в сценариях IPCC, которые по-прежнему широко используются в качестве научного базиса для построения прогнозов будущих изменений климата.

Наш базовый прогноз изменения удельных выбросов оксидов серы при сжигании угля и нефти в различных регионах предполагает сохранение тенденции к их снижению. Однако если в ближайшие десятилетия можно ожидать довольно высоких темпов уменьшения удельных выбросов за счет внедрения очистных технологий, то с середины следующего столетия их суммарный эффект будет снижаться за счет увеличения роли угля в мировом топливном балансе. Эти процессы, по-видимому, будут характерны для всех рассматриваемых групп стран. Оценки удельной эмиссии оксидов серы при различных видах хозяйственной деятельности в следующем столетии были использованы для построения прогноза мировой антропогенной эмиссии SO_x в атмосферу на период до 2100 г. Полученные результаты представлены на рис. 5 вместе с базовым прогнозом настоящей работы объемов сжигания серосодержащего топлива (угля и нефти).

Как видно из рисунка, вплоть до 70-х годов прошлого столетия рост выбросов серы происходил с теми же темпами, что и увеличение потребления угля и нефти в мире. В последние четыре десятилетия внедрение природоохранных технологий существенно снизило этот рост, а затем остановило его. Более того, есть все признаки, что в последние несколько лет объём выбросов серы начал снижаться -- этот эффект был успешно предсказан нами около 15 лет назад. Нынешнее снижение эмиссии происходит на фоне сохраняющегося увеличения объемов сжигания угля и нефти (до 2040 г.) и продолжающегося роста численности населения мира. До 2030 г. это снижение будет определяться в основном действиями экономически развитых стран, со второй половины столетия начнут сказываться эффекты от экологической политики в развивающихся странах и мирового снижения потребления органического топлива (по мере ожидаемого исчерпания нефтяных ресурсов). По нашему прогнозу к концу 21 столетия следует ожидать почти трехкратного сокращения мировых выбросов SO_x (до 50 млн. т SO₂/год против 145 млн. т SO₂ в 2000 г.). Наши оценки близки базовому сценарию Всемирного энергетического Совета (1993) и в несколько раз ниже большинства сценариев IPCC (2001), недооценивающих распространение в мире сероочистных технологий.

Рис. 5 -- Потребление серосодержащего топлива E и эмиссия оксидов серы S в мире

Глава 4 посвящена исследованию изменений состава атмосферы, связанных с антропогенными выбросами указанных парниковых газов и загрязняющих веществ, а также их влияния на глобальный климат. В ней по приведенным в предыдущих главах сценариям эмиссий рассчитываются изменения концентраций исследуемых веществ в атмосфере и связанные с ними девиации планетарного теплового баланса. С помощью регрессионно-аналитической модели климата рассчитываются изменения среднеглобальной температуры приземного слоя воздуха на период до 2100 г. Проводится сравнение с другими работами в этой области.

В главе рассматриваются простые модели для расчета атмосферных концентраций парниковых газов и аэрозолей и изменения радиационного баланса. На основании сделанных в предыдущих главах оценок антропогенной эмиссии оксидов серы и азота, закиси азота рассчитываются современные уровни концентраций парниковых газов (в том числе и образующегося в присутствие NO_x тропосферного озона), а также тропосферного сульфатного аэрозоля, проводятся сравнения с инструментальными наблюдениями, а также рассматриваются связанные с ними тепловые процессы в атмосфере. По предложенным в настоящей работе сценариям выбросов указанного ряда веществ построены прогнозы изменения их концентраций и связанных с последними тепловых нагрузок на атмосферу в текущем столетии.

Для расчета концентраций малых парниковых примесей атмосферы было использовано уравнение сохранения массы в виде:

,(1)

где N -- атмосферное содержание компонента; и -- интенсивности естественного и антропогенного источников соответственно; (t) -- время жизни компонента в атмосфере.

Т. к. время жизни тропосферного озона мало и составляет всего несколько недель, изменение его концентрации рассчитывалось пропорционально антропогенной эмиссии оксидов азота.

Рассчитанные таким образом по представленным в главах 1-3 значениям эмиссий исследуемых веществ атмосферные концентрации малых парниковых компонентов хорошо соответствуют данным инструментальных наблюдений, полученным различными исследователями в последние два десятилетия (рис. 6).

Для расчета радиационного форсинга Q (изменения теплового потока, поступающего на верхнюю границу тропосферы, по сравнению с доиндустриальными условиями (1800 г.)), связанного с динамикой состава атмосферного воздуха, для каждого парникового компонента атмосферы используется конкретный тип зависимости от концентрации этого компонента. Если концентрация парникового газа в атмосфере мала, то поглощение длинноволновой радиации происходит при малых оптических толщинах. В этом случае увеличение количества молекул парникового газа будет приводить к линейному росту радиационного форсинга. По мере увеличения содержания данного компонента и заполнения соответствующих окон прозрачности атмосферы влияние концентрации ослабевает.

Известная модель Кейла-Диккенсона дает простые зависимости для индивидуальных значений радиационного форсинга. Для закиси азота, в частности, справедливо соотношение:

Q (-),(2)

для озона и остальных газов:

Q (C-C_o),(3)

где C -- текущая концентрация;

С_o -- концентрация в доиндустриальную эпоху (до 1800 г.)

Среднеглобальная концентрация тропосферного сульфатного аэрозоля (ТСА) из-за малого времени жизни в атмосфере (несколько дней) прямо пропорциональна эмиссии серы в виде SO_x в атмосферу. Таким образом, связь среднеглобального форсинга и эмиссии может быть представлена в виде:

Q S_s,(4)

где S_s -- эмиссия оксидов серы, Мт SO₂/год.

а б в

Рисунок 6 -- Атмосферные концентрации CO2 (а), и N2O(б); суммарный форсинг парниковых газов и тропосферного сульфатного аэрозоля (в)

Коэффициент пропорциональности для соотношения (4), рассчитанный по данным, полученным на различных химико-радиационных моделях, имеет большой интервал значений -- Вт·м-²/млн. т SO₂, отрицательный знак коэффициента указывает на охлаждающую роль ТСА в климатических изменениях. Поэтому для поиска наиболее вероятного значения коэффициента пропорциональности было проведено отдельное исследование с привлечением дополнительной информации по климатам полушарий для прошлого и настоящего, позволившее уточнить значение суммарного радиационного эффекта от образования антропогенного сульфатного аэрозоля в тропосфере и существенно сузить имеющийся чрезвычайно широкий диапазон неопределенности в -(0,25-2,5) Вт/м². Проведенные численные эксперименты позволяют заключить, что современное значение суммарного радиационного форсинга ТСА составляет около -0,8 Вт/м². Значения радиационного форсинга малых атмосферных компонентов для начала и конца нынешнего столетия приведены на рис. 7.

а

б

Рисунок 7 -- Структура антропогенного радиационного форсинга

В настоящей работе для расчета климатических изменений используется регрессионно-аналитическая модель климата (РАМК), разработанная в НИЛ ГПЭ МЭИ и основанная на комбинировании статистических оценок эмпирических данных с расчетами на нестационарной энергобалансовой модели. С помощью этого метода проведен анализ данных Джонса и др.(2009) по приземной температуре воздуха за 1856-2009 гг., представляющих собой оперативно обновляемую компиляцию сведений об изменении среднеглобальной и полушарных температур с начала более или менее надежных инструментальных наблюдений. Полученные результаты использовались для анализа изменений среднеглобальной температуры в XIX-XX вв. и экстраполяции на XXI столетие, представленной на рисунке 8.



Рисунок 8 -- Изменение среднеглобальной годовой температуры, рассчитанное на РАМК для различных сценариев изменения радиационного форсинга (в отклонениях от среднего значения за 1951-80 гг.)

Расчеты ожидаемых в текущем столетии глобальных климатических изменений, проведенные на РАМК, показывают, что, по базовому прогнозу основных климатообразующих факторов и сценарию «угольной энергетики», среднеглобальная температура за 100 лет повысится еще примерно на 1,3 градуса, что, хотя и превысит максимальную отметку голоцена, но, по другому важнейшему критерию -- скорости изменения температуры, -- находится в рамках адаптационных возможностей биосферы. Моделирование результатов ограничений Киотского протокола (рис. 8) показало, что меры, предлагаемые этим международным соглашением для стабилизации климата, хоть и не окажут существенного эффекта на динамику среднеглобальной температуры, способны уменьшить глобальное потепление на 0,3 градуса. Сравнение «киотского» сценария и сценария «чистой энергетики» (кривые 1 и 2 на рис. 8) показывает, что выполнение ограничений Киотского протокола задает верное направление развития энергетики в сторону повышения ее экологической безопасности. Таким образом, для оценки отдаленных последствий реализации масштабных природоохранных программ необходим комплексный подход, учитывающий как их непосредственные результаты, например улучшение качества воздуха, так и климатические аспекты.

В главе 5 представлены основные подходы к экологической оценке инновационного развития энергетики России. Разработана система методов оценки экологической эффективности инновационных технологий в энергетике, предложены научные основы долгосрочной энергетической политики России на период действия Киотского протокола. Представлен аналитический обзор возможных сценариев производства и потребления энергии на территории России в зависимости от динамики экономических и демографических процессов. Предложены методы расчета объемов эмиссии основных парниковых газов во всех отраслях ТЭК России и приведены результаты их применения для периода 1950-2008 гг. (см. рис. 9) и сценариев выбросов в отечественной энергетике на период до 2020 г., в частности, в период действия ограничений Киотского протокола 2008-2012 гг.

1 -- добыча, транспортировка, хранение и переработка; 2 -- сжигание на ТЭС и ТЭЦ; 3 -- сжигание на транспорте; 4 -- прочие источники, связанные со сжиганием

Рис. 9 -- Эмиссия парниковых газов (в эквиваленте углерода), связанная с органическим топливом в России в 1950-2008 гг.

Проведено исследование «посткиотского» периода в отечественной энергетике и экологических проблем развития топливно-энергетического комплекса России на период до 2050 г.

В главе представлены результаты расчетов эмиссии парниковых газов, выполненных для различных сценариев энергопотребления. Как видно из рис. 10, до 2020 г. даже при оптимистическом варианте развития экономики и энергетики России по оценкам настоящей работы выбросы парниковых газов в ТЭК не превысят уровня 1990 г. (базового по Киотскому протоколу). Даже при реализации «высокого» варианта развития уровень эмиссии 1990 г. будет достигнут лишь в 2017 г., что также не противоречит условиям Киотского соглашения.

а

б

Рисунок 10 -- История (1 -- расчеты данной работы; 2 -- данные III национального сообщения РФ; 3 -- данные ИЭС) и прогноз эмиссии парниковых газов при сжигании органического топлива: 4 -- умеренный вариант МЭРТ; 5 -- оптимистический вариант МЭРТ; 6 -- «высокий» вариант; 7 -- консервативный сценарий МЭРТ; 8 -- правительственный сценарий ИЭА; 9 -- инерционный сценарий ИЭА; 10 -- сценарий удвоения ВВП ИЭА

Расчеты выбросов парниковых газов для первого зачетного периода Киотского протокола (2008-2012 гг.) показывают, что при реализации каждого из трех сценариев ожидается значительная экономия квот на эмиссию, определенных Киотским протоколом:

- умеренный вариант -- 2940 млн. т СО₂;

- оптимистический -- 2100 млн. т СО₂;

- «высокий» -- 1400 млн. т СО₂.

Результаты расчетов выбросов диоксида углерода из энергетических источников на территории России до 2050 г. представлены на рисунке 11, из которого видно, что превышение уровня выбросов 1990 г. произойдет лишь при росте энергопотребления по самому высокому сценарию при сохранении современных значений его углеродной интенсивности.

Рисунок 11 -- Эмиссия СО2 при сжигании органического топлива в России (а) по различным сценариям энергопотребления (a -- высокого и b -- базового) и динамики углеродного коэффициента (1 -- постоянный; 2 -- снижающийся со среднемировым темпом; 3 -- экспоненциальный)

В главе 6 представлены основы планирования теплоснабжения на уровне субъектов федерации с учетом климатических изменений. Разработаны методы и программные средства прогнозирования производства и потребления тепловой и электрической энергии в различных регионах России с учетом изменения природно-климатических условий. Представлен прогноз теплопотребления в ЖКХ России на период до 2050 г.

Как показано автором, используемые в настоящее время методы оценки влияния природно-климатических процессов на функционирование энергетических отраслей не обладают надежностью и детальностью, необходимой для использования в прикладных целях. Более того, опубликованные результаты имеют значительный разброс, а используемые сценарии глобальных изменений не соответствуют действительным тенденциям в современной динамике климата. Предложенный в настоящей работе подход к моделированию климатических параметров энергопотребления позволил значительно улучшить характеристики прогноза, что было проиллюстрировано на примере энергосистем России.

Для регионов рассчитывались коэффициенты корреляции между рядами продолжительности и средней температуры отопительного периода и рядами средних сезонных температур. По результатам корреляционного анализа проведен регрессионный анализ исходного массива данных методом пошаговой регрессии. Стандартным методом наименьших квадратов искались коэффициенты линейной регрессии, связывающей параметры отопительного периода со средними сезонными температурами. Результаты расчетов представлены на рисунках 12-14.

Средняя температура отопительного периода к 2050 г. на большей части территории страны повысится на 2-3єС по сравнению с нормами (1951-80 гг.) (рис. 12). В то же время на северо-западе ЕТР эти изменения составят лишь 1-2єС и а в южных и северных районах Сибири повышение этой климатической характеристики достигнет максимальных значений -- до 4 градусов.

Продолжительность отопительного периода на большей части территории России к 2050 г. снизится на 5-10 суток по сравнению с современными нормами (рис. 13). Наибольшие изменения ожидаются в южных регионах и на Дальнем востоке. Так, на северо-западе европейской части России, в Среднем Поволжье период с температурами ниже +8єC сократится на 10-15 суток, а на Северном Кавказе и Урале -- даже больше, чем на 2 недели. В азиатской части страны аналогичные изменения этого климатического параметра ожидаются в Южной Сибири, на Дальнем Востоке и Камчатке, где продолжительность отопительного периода сократится на 10-15 суток, а на Алтае и в Приморье -- более чем на 15 суток. В северных регионах Сибири изменения будут незначительны -- не более 5 суток, а на большей части Арктического побережья даже к середине столетия среднесуточные температуры так и не превысят порог +8 °C и, таким образом, в этих областях сохранится необходимость круглогодичного отопления.

Максимальное сокращение потребности в энергии на отопление на России к 2050 г., определяемой уменьшением дефицита тепла, следует ожидать на территории энергосистем Северного Кавказа, Нижней Волги, Урала, Южной Сибири, Камчатки и Приморья, где оно достигнет 20% от современных нормативных значений (рис. 14). В региональных энергосистемах ОЭС Северо-запада и Урала сокращение будет меньше и составит примерно 5-8% от современных объемов. В то же время подобное снижение энергозатрат на Северо-западе ЕТР, в северной части Западной Сибири и Якутии не превысит 10%. На остальной территории России ожидается снижение потребности в тепловой энергии на уровне 10-15% от современных нормативов.

...