Разработка способов сокращения выбросов парниковых газов на территории промышленного региона

brief description

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение...4

Глава 1. Влияние техногенных факторов на эмиссию парниковых газов, проблемы и пути регулирования проблемы...9

1.1. Парниковый эффект...9

1.2. Изменение климата...11

1.3. Прогноз состояния климатической системы...17

1.4. Нормативные документы, регулирующие выбросы парниковых газов, принятые мировым сообществом...26

1.5. Реализация пилотных проектов в Нижегородской области...44

Глава 2. Анализ факторов влияния на объемы парниковых газов и достижение сопутствующих выгод...46

2.1. Источники выбросов парниковых газов...46

2.2. Методика оценки выбросов парниковых газов МГИЭК...50

2.3. Расчет единиц сокращенных выбросов в рамках реализации проекта совместного осуществления...52

2.4. Сопутствующие выгоды...,...60

Глава 3. Реализация пилотных проектов по сокращению выбросов парниковых газов ...68

3.1. Анализ реализации пилотных проектов...68

3.2. Проект совместного осуществления — реконструкция котельной на ОАО«Нижфарм»...76

3.3. Определение границ анализа и разработка сценариев развития...78

3.4. Расчет прямых внутренних выбросов...99

3.5. Расчет прямых внешних выбросов...109

3

3.6. Сокращение выбросов парниковых газов в ходе реализации проекта...134

Глава 4. Инвентаризация выбросов парниковых газов в процессах хранения и переработки бытовых отходов и сточных вод...141

4.1. Первый этап - места захоронения твердых бытовых отходов...141

4.2. Второй этап - оценка эмиссии метана при очистке коммунально-бытовых сточных вод...143

4.3. Третий этап - оценка эмиссии NO2 из отходов жизнедеятельности человека ...146

Глава 5. Комплексный региональный подход к решению проблемы снижения эмиссии парниковых газов...151

5.1. Системный подход к решению проблемы изменения климата...152

5.2. Подсистема — данные инвентаризации и мониторинга выбросов парниковых газов...153

5.3. Подсистема - проекты совместного осуществления...156

5.4. Подсистема — учёт торговли единицами сокращённых выбросов парниковых газов...162

Основные выводы...175

Список литературы...178

Приложения...195

Приложение 1...196

Приложение 2...203

Приложение 3...215
Введение

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Изменение климата - одна из наиболее серьезных угроз устойчивости всемирной окружающей среды, здоровью и благосостоянию людей, глобальной экономике [9,56,76,115,118]. В настоящее время на международном и национальном уровнях ведется интенсивная работа по формированию законодательной и нормативно-методической базы, обеспечивающей снижение антропогенных выбросов парниковых газов в атмосферу [5,40,150]. Учитывая значимость проблемы, принят ряд нормативных актов международного и национальных уровней, регулирующих выбросы парниковых газов в целях стабилизации их концентраций в атмосфере, не допуская опасного антропогенного воздействия на климатическую систему, кроме того определены основные механизмы достижения поставленных целей [15 5,157].

Меры по предотвращению глобального изменения климата связаны с рядом принципиальных для Российской Федерации мероприятий по повышению эффективности использования энергоресурсов, переходу на более безопасные виды топлива, техническому перевооружению энергетического комплекса и жилищно-коммунального хозяйства, а также проведению работ по защите и восстановлению лесов и др.

Практическое решение проблемы сокращения выбросов парниковых газов в атмосферу обеспечивается инженерно-техническими мерами, основанными на результатах современных научных исследований, инновационных технологиях, прошедших испытания в производственных условиях [139,141].

Наибольшие объемы парниковых газов антропогенного происхождения образуются на объектах теплоэнергетики и промышленности. Большой процент в общие объемы выбросов дают объекты коммунального хозяйства [152].

При реализации механизмов, направленных на сокращение количества загрязняющих атмосферу веществ, существует возможность достигнуть улучшения экологической и экономической ситуации, поэтому, независимо от решения проблемы глобального изменения климата, важно изучить сопутствующие

5

результаты таких мероприятий и оценить их необходимость для промышленного региона. Кроме того, гибкие механизмы, разработанные для выполнения обязательств по сокращению антропогенных выбросов парниковых газов, позволяют привлечь дополнительные инвестиции (в первую очередь иностранные) для решения перечисленных выше задач.

Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы является научное обоснование технологических решений и осуществление проектов, реально влияющих на снижение объема выбросов парниковых газов промышленными предприятиями и жилищно-коммунальным комплексом промышленно развитого региона. Для достижения поставленной цели потребовалось решить ряд конкретных задач:

- проанализировать методологию и технологические решения аналогичных проблем в мировой практике;

- определить подходы к прогнозированию достижимых, по сокращению объемов выбросов парниковых газов, результатов с учетом региональной специфики, включая климатические и экономические особенности территорий, особенности промышленности и коммунального хозяйства;

- проанализировать приоритетные, с точки зрения сокращения объемов эмиссии парниковых газов, отрасли промышленного комплекса региона, выделить характерные для этих отраслей предприятия, изучить технологические параметры производств и направления их модернизации; оценить перспективы тиражирования результатов пилотных проектов по снижению объемов выбросов, осуществленных на этих предприятиях, и рекомендовать перспективные технологические решения;

- обосновать экологические и экономические выгоды, достигаемые при реализации проектов энергетической модернизации, в том числе повышение конкурентоспособности и инвестиционной привлекательности предприятий в регионе;

- выполнить проверку в производственных условиях достижения прогнозных показателей снижения выбросов за счет реализации пилотных проек-

6

тов технологической модернизации, разработать типовой алгоритм реализации таких проектов и оценки результатов по достижению планируемого сокращения выбросов парниковых газов;

- разработать методику инвентаризации выбросов парниковых газов, адаптированную к региональным условиям, произвести комплексную экологическую оценку источников выбросов в различных секторах промышленности и жилищно-коммунального хозяйства, включая оценку влияния полигонов бытовых отходов и осадков локальных и городских сооружений очистки сточных вод.

Научная новизна работы:

- для условий крупного промышленного региона теоретически обоснована и экспериментально подтверждена технологическая возможность комплексного решения задач, связанных с системным снижением эмиссии парниковых газов промышленными предприятиями и секторами жилищно-коммунального хозяйства региона, с достижением сопутствующих выгод, в том числе за счет внедрения экономичных, адаптированных к особенностям региона энергосистем;

- на основе научных исследований разработана методика выбора и тиражирования технологических процессов, обеспечивающая прогнозируемое снижение объемов выбросов при модернизации действующих производств и энергетических объектов жилищно-коммунального хозяйства в соответствии с со-временными требованиями инвестиционной привлекательности проектов;

- разработан метод многофакторной инвентаризации объема выбросов парниковых газов для региона с конкретными экологическими и экономическими условиями;

- предложена математическая модель оперативного определения количества выбросов в регионе на основе имеющихся технических средств и нормативных документов, не требующая существенных дополнительных вложений, базирующаяся на практической оценке мощности выбросов парниковых газов с

7

учетом всей структуры источников эмиссии, включая полигоны отходов и переработку сточных вод.

Практическая значимость работы. Разработанная методика многофакторной инвентаризации позволяет оценить уровень выбросов парниковых газов в регионе, что является необходимым условием при привлечении инвестиционных ресурсов и реализации проектов. На ряде типичных объектов жилищно-коммунального хозяйства городов региона и на промышленном предприятии средней мощности экспериментально изучены основные факторы, влияющие на объемы выбросов. На практических примерах дана экспериментальная оценка снижения объемов выбросов парниковых газов, выявлена зависимость расчетных параметров от особенностей региона.

Основные положения и результаты исследования могут быть использованы региональными законодательными и исполнительными органами для решения проблем экологической безопасности, а также проектными и производственными организациями, занимающимися реализацией проектов по сокращению выбросов парниковых газов, для осуществления текущей деятельности с повышением экологической и экономической эффективности.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на научно-практических конференциях в Нижнем Новгороде (форумы «Великие реки», 2000-2001 гг.), на международном семинаре «Проблемы реализации международных проектов технического содействия» (Нижний Новгород, 1997 г.), на международном семинаре «Выгоды от реализации Киотского протокола» (Москва, 2003 г.). Отдельные результаты использовались при реализации трех международных проектов, направленных на сокращение выбросов парниковых газов, в рамках технического сотрудничества Нижегородской области и правительства королевства Нидерландов, и при проведении инвентаризации выбросов парниковых газов в Нижегородской области за 1990-2000 гг., в рамках проекта Фонда дикой природы.

Публикации. По материалам выполненных исследований опубликовано 6 печатных работ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав основного текста, выводов, списка литературы, пяти приложений. Работа имеет общий объем 224 страницы машинописного текста, основной текст содержит 58 таблиц и 28 рисунков, список литературы состоит 166 наименований.

В первой главе проводится аналитический обзор зарубежного и отечественного опыта в области изучения происходящих климатических изменений, их причин и следствий, проведен анализ нормативных документов и методологии, направленных на сокращение антропогенных выбросов парниковых газов в атмосфере, изучены гибкие экономические механизмы регулирования выполнения международных обязательств по стабилизации уровня парниковых газов.

Во второй главе проведен анализ факторов регулирования объемов выбросов парниковых газов и возможностей достижения сопутствующих выгод.

Третья глава посвящена результатам реализации пилотных проектов по сокращению выбросов парниковых газов в Нижегородской области. В этой главе дано краткое описание всех проектов, реализованных с применением методик разработанных автором. Подробно приведен расчет выбросов, сокращаемых в результате реконструкции котельной на ОАО «Нижфарм».

В четвертой главе приведены результаты инвентаризации выбросов парниковых газов по направлению «отходы».

В пятой главе на основе результатов проведенных исследований предлагается комплексный региональный подход к решению проблемы глобального изменения климата, предусматривающий создание информационной системы содержащей данные об уровне выбросов парниковых газов в регионе, предлагаемых для реализации и реализуемых проектах совместного осуществления и квотах на выбросы парниковых газов.

В заключении сформулированы полученные результаты исследований.

В перечне литературы приводится 166 наименований на 17 страницах.

Диссертационная работа выполнена на кафедре ЮНЕСКО Нижегородского государственного архитектурного строительного университета.

9

Глава 1. Влияние техногенных факторов на эмиссию парниковых газов, проблемы и пути регулирования проблемы

1.1. Парниковый эффект

Механизм «причина-следствие» глобального процесса потепления климата на планете является предметом дискуссий научной общественности [17,27,31,39,111,116]. Первая гипотеза по данной проблеме была высказана в конце XIX века шведским ученым Сванте Арениусом, который предположил, что рост объемов сжигаемого ископаемого топлива приведет к увеличению концентрации в атмосфере углекислого газа, следствием чему будет являться потепление климата на планете [41]. В настоящее время большинство ученых сходятся во мнении, что происходящее изменение климата является результатом взаимодействия многих факторов антропогенного и природного характера [8,14,129,136].

К основным антропогенным воздействиям относятся:

рост выбросов в атмосферу загрязняющих веществ, вызывающих парниковый эффект;

сокращение площадей, занимаемых лесами - естественного поглотителя углекислого газа. Суммарные объемы депонирования углерода в фитомас-се лесов России оцениваются в 262 Мт С/год или в 960 Мт СО2/год [11].

К парниковым газам, которые могут быть как природного так и антропогенного происхождения, относятся пары воды, диоксид углерода (ССЬ), метан (СН4), оксид азота (N2O) и озон. Такие газы как хлорфтороуглероды (CFCs) и их производные относятся к парниковым газам антропогенного происхождения [33,72].

Оксид углерода (СО), оксиды азота (NOX) и не метановые летучие органические компоненты (NMVOCs), не будучи парниковыми газами, являются важными с точки зрения фотохимических процессов, так как косвенно влияют на увеличение парникового эффекта. Эти газы влияют на скорость образования и разложения в атмосфере озона и других газов [54].

10

Для сравнения отдельных газов по их способности задерживать тепло в атмосфере была разработана система оценки Потенциала глобального потепления (GWP). [33] В качестве газа сравнения используется углекислый газ.

^, (1.1)

Есо2

где Епг - эффект (прямой и косвенный) удержания тепла в атмосфере 1 килограммом парникового газа; Есо — эффект удержания тепла в атмосфере 1 килограммом углекислого газа.

В соответствии с рекомендациями Международной группы экспертов по изменению климата (МГИЭК) GWP оценивается за 100-летний период времени [33].

Ряд газов антропогенного происхождения относят к газам «высокого потенциала глобального потепления». Их парниковый эффект значительно выше, чем у углекислого газа (табл. 1.1). Газы, характеризующиеся высоким потенциалом, подразделяются на три основные группы [35]:

1) гидрофторуглероды (HFCs) - вещества, использующиеся в холодильном оборудовании как заменители фреонов (в настоящее время в группу входят 13 газов);

2) перфторуглероды (PFCs) - в России основной выброс приходится на производство алюминия (в настоящее время в группу входят 7 газов);

3) гексафторид серы (SFe) - применяется в электротехнической промышленности и противопожарном оборудовании.

Для первой и второй групп следует учитывать возможность определения и синтеза новых веществ [53].

11

Оценка GWP парниковых газов

Таблица 1.1

Парниковый газ GWP Данные агентства защиты окружающей среды США (100-летний период) GWP Данные МГИЭК 1995 (100-летний период)

Углекислый газ (СО2) 1 1

Метан (СИ*) 11/22 21

Оксид азота (N2O) 270 310

HFC-134a 1200 1300

HFC-23 (CHF3) 10000 11700

HFC-152a 150 -

HFC-32 (CH2F2) - 650

HFC-41 (CH3F) - 150

PFCs 5400 -

CF4 - 6500

C2F6 - 6500

SF6 - 23900

Как уже отмечалось такие газы как СО2, СН4 и N2O являются природными составляющими атмосферы планеты. Однако рост их концентраций в последнее время в значительной степени связан с человеческой деятельностью.

1.2. Изменение климата

Концентрации парниковых газов в атмосфере, и, среди них СО2, СН4, N2O значительно возросли с доиндустриальных времен (около 1750 г. н.э.): СО2 с около 280 до 360 , СН4 от 700 до 1720 частей на миллион, a N2O с около 275 до почти 310 частей на миллиард [33]. (Приведенные величины даны для 1992 г.) Эти тенденции объясняются, главным образом, деятельностью человека, в основном использованием ископаемого топлива, изменением в землепользовании и сельском хозяйстве. Концентрации других парниковых газов также возросли.

Изменения в климате происходят в результате внутренней изменчивости в климатической системе и воздействия внешних факторов (естественного и антропогенного характера) [121]. Влияние внешних факторов на климат может быть в общих чертах представлено с использованием концепции радиационно-

12

го воздействия [34]. Земля поглощает излучение, идущее от Солнца, главным образом своей поверхностью. Эта энергия затем перераспределяется за счет циркуляции в атмосфере и океане и отражается обратно в космос в виде более длинноволнового (инфракрасного) излучения. Если рассматривать среднегодовые показатели планеты Земля в целом, то энергия входящего солнечного излучения примерно уравнивается энергией исходящего земного излучения. Любой фактор, который изменяет излучение, поступающее от Солнца, влияет на перераспределение энергии внутри атмосферы и между атмосферой, сушей и океанами, влияет на климат. Изменение в нетто-радиационной энергии, существующей в глобальной системе «Земля-атмосфера», вызывает положительное радиационное воздействие, ведущее к увеличению концентрации парниковых газов, и следовательно нагревающее поверхность. Отрицательное радиационное воздействие, которое может возникнуть в результате увеличения содержания в атмосфере некоторых видов аэрозолей (находящихся в воздухе микроскопических частиц), имеет тенденцию охлаждать поверхность. Естественные факторы, такие, как изменения в приходящей на Землю энергии солнца или активизировавшаяся вулканическая деятельность, также могут служить причиной радиационного воздействия. Определение характеристик этих воздействующих на климат факторов и их изменений в ходе времени (рис. 1) необходимо для того, чтобы получить представление об изменениях климата в прошлом в контексте естественных колебаний и спрогнозировать изменения климата, которые могут возникнуть в будущем. На рис. 1 видно значительное увеличение в атмосфере концентрации парниковых газов за последние 50 лет [34].

На рис. 1.1 приведены концентрации СО2, СН4 и N2O в атмосфере в последние 1 000 лет.

13

360 340

I Г

. Двуокись углерода

g 320

О1

о

о.

ф

t

о

со со о;

S

ее

CD

ZT X

о

с*

CL

300 280 260

1750 1500 -^ 1250 о 1000 750

310

g- 290

2

Метан

О

CM

270

250

Закись азота

Л *

л

0,5 Т1П Ф

0,4 1

0,2 со о m

0,1 0,0 Ф о X о СО

0,15 о.

0,10

0,05

0,0

1000 1200 1400 1600

Год

1800

2000

Рис. 1.1. Зарегистрированные данные об изменениях в составе атмосферы: данные, полученные при исследовании кернов льда и фирна, отобранных в нескольких точках Антарктики и Гренландии (показаны разными символами), дополнены данными, полученными при исследовании непосредственных образцов атмосферы в последние несколько десятилетий (показаны линией для СОг и включены в кривую, представляющую глобальную среднюю концентрацию СН4)

14

Экспериментальные данные показывают, что в последние 50 лет не только увеличивались концентрация в атмосфере парниковых газов, но и средняя приземная температура земли. В период с конца 1950-х годов (период проведения надлежащих наблюдений с метеорологических шаров-зондов) общая глобальная температура в нижних атмосферы (до 8 км) повысилась; при этом приземная температура повышалась на 0,1 °С за десятилетие [122].

За период последних 100 - 140 лет глобальная средняя приземная температура повысилась на 0,6±0,2 °С (рис. 1.2) [35].

0,8

В ГЛОБАЛЬНОМ МАСШТАБЕ

Данные, полученные с помощью термометров

1880

1900

1920 1940 Год

1960

1980

2000

ежегодная температура

I-----1 усредненные данные sa десятилетие

— диапозон неопределенностей

Рис. 1.2. Колебания температуры на поверхности Земли в последние 140 лет и в последнее тысячелетие: температура поверхности Земли показана за каждый год (серые столбики) и приблизительно за каждое десятилетие (жирная черная линия, отфильтрованная годовая кривая без учета флуктуации, которые меньше примерно десятилетних временных масштабов). В годовых данных существуют неопределенности (тонкие черные столбики представляют диапазон со степенью достоверности 95 %), что связано с пробелами в данных, случайными ошибками и неопределенностями в показаниях приборов, неопределенностями в поправках на смещение в данных о температуре поверхности океана и в поправках на урбанизацию на суше.

15

Тем не менее, можно сделать вывод, что темпы и продолжительность потепления в XX столетии были гораздо большими, чем в любое из предыдущих девяти столетий [61,102]. Аналогичным образом, вероятно (66-90% вероятности), что 1990-е годы были самым теплым десятилетием, а 1998 г. — самым теплым годом за последнее тысячелетие.

Таким образом, данные наблюдений подтверждают, что увеличение концентрации парниковых газов в атмосфере, происходящее в последние годы привело к изменениям средней температуры на поверхности Земли [72,92]. Кроме того, изменения концентрации парниковых газов приведут, согласно прогнозам, к региональным и глобальным изменениям в значениях не только температуры, но и атмосферных осадков и других климатических параметров [4,146], а это в свою очередь, приведёт к глобальным изменениям во влажности почвы, повышению глобального среднего уровня мирового океана и, в перспективе, к более серьёзным изменениям экстремально высоких температур, что повлечёт за собой в некоторых районах наводнения и засуху [29,37,44,55]. В табл. 1.2 показаны изменения, произошедшие в атмосфере, климате и биофизической системе Земли в течение XX века [89].

Таблица 1.2

Изменения, произошедшие в атмосфере, климате и биофизической системе Земли в течение

XX века [89,123,130]

Показатели Наблюдаемые изменения

1 2

Концентрация газов

Атмосферная концентрация СО2 С 280 млн. 1 за период с 1000 по 1750_год до 368 млнГ1 в 2000 году (увеличение на 31 ± 4%).

Атмосферная концентрация СН4 С 700 млрд.-1за период с 1000 по 1750 год до 1 750 млрд."1 в 2000 году (увеличение на 151 ± 25%).

Атмосферная концентрация N2O С 270 млрд."1 за период с 1000 по 1750 год до 316 млрд Г1 в 2000 году (увеличение на 17 ± 5%).

Тропосферная концентрация Оз Увеличилась на 35 ± 15% в период с 1750 по 2000 годы; варьируется в зависимости от региона.

Стратосферная концентрация Оз Снизилась в период с 1970 по 2000 год; варьируется в зависимости от высоты и широты.

16

Продолжение таблицы 1.2

1 2

Атмосферная концентрация ГФУ, ПФУ и SF6 Увеличилась в глобальном масштабе в течение последних 50 лет.

Показатели погоды

Средняя глобальная температура поверхности Увеличилась на 0,6 ± 0,2°С в течение XX века; температура на суше повысилась больше, чем температура океана

Температура на поверхности северного полушария Увеличилась в течение XX века в большей степени, чем в течение любого другого века за последнюю тысячу лет; 90-е годы прошлого столетия оказались самым теплым десятилетием в этом тысячелетии

Диапазон дневной температуры на поверхности Увеличился в период с 1950 по 2000_год на суше: темпы увеличения минимальных температур в ночное время превышали в два раза темпы увеличения максимальных дневных температур.

Материковые осадки Увеличились на 5%-10% в течение XX века в северном полушарии, хотя в некоторых регионах сократились (например в Северной и Западной Африке и некоторых районах Средиземноморья).

Случаи обильного выпадения осадков Увеличились в средних и высоких широтах северного полушария

Частотность и суровость засухи Увеличились масштабы аридизации в летнее время и связанная с нею распространенность засухи в ряде районов. В отдельных регионах, таких, как некоторые части Азии и Африки, в последние десятилетия наблюдалось увеличение частотности и интенсивности засухи.

Биологические и физические показатели

Глобальный и средний уровень моря Увеличивался в среднем ежегодно на 1-2 мм в течение XX века.

Длительность ледостава на реках и озерах Снизилась приблизительно на две недели в течение XX века в средних и высоких широтах северного полушария.

Неполярные ледники Повсеместное отступление в течение XX века.

Вечная мерзлота Подтаяла, потеплела и деградировала в некоторых частях полярных, субполярных игорных районов.

Период роста Удлинялся примерно на 1-4 дня за десятилетие в течение последних 40 лет в северном полушарии, особенно в высоких широтах.

Границы произрастания растений и обитания животных Сдвинулись в сторону полюса и вверх по высоте над уровнем моря в случае растений, насекомых, птиц и рыбы.

17

Продолжение таблицы 1.2

1 2

Размножение, цветение и миграция Более раннее цветение, более ранний прилет птиц, более раннее наступление периода размножения и более раннее время появления насекомых в северном полушарии.

Обесцвечивание коралловых рифов Частотность увеличилась

1.3. Прогноз состояния климатической системы

Составленный в конце 80-х годов прогноз изменения климата показывал, что к середине XXI века температура на планете может повыситься на 5,5°С [47,140Д 48]. Однако компьютерные модели, положенные в основу прогноза, по мнению ряда специалистов, давали завышенные расчетные результаты [19,34]. В 1995-1997 гг. оценочные пределы потепления климата в XXI в. снизились до 1-3°С. По мнению Ричарда Керра, которое разделяют многие специалисты, «...модели климата не смогут однозначно установить связь между тепличным эффектом и деятельностью человека за прошедшие десять лет или более» [34].

В последние годы технология компьютерного моделирования значительно изменилась [99,119]. Совершенствования компьютерной техники и математического аппарата позволили учитывать большее количество факторов с большей вероятностью. Такие модели дают более точные результаты. На рис. 1.3 представлены данные, полученные с помощью современных моделей климата [98].

При работе с последними моделями климата на основе диапазона показателей чувствительности климата к изменениям содержания парниковых газов в атмосфере и предполагаемых изменений в выбросах парниковых газов (сценарии, в которых предполагается, что не будут проводится никакой политики в отношении климата) получены прогнозы о том, что к 2100 г. среднегодовая глобальная температура повысится на 1,4 - 5,8°С, глобальный средний уровень моря повысится на 0,09-0,88 м [99].

Список литературы