Энергетика и экология

Топливо/технология

Штрафной экологический балл

Бурый уголь

1 735

Нефтяное топливо

1 398

Каменный уголь

1 356

Ядерное топливо

672

Солнечные фотоэлектрические элементы*

461

Природный газ

267

Ветер

65

Малые ГЭС

5

Расчет производился с учетом всех технологических операций.

На климат Земли сильно влияют аэрозоли в атмосфере парниковый эффект и кислотные дожди. Влага, которая выбрасывается при сжигании, снижает солнечное освещение, вызывает постоянные туманы и низкие облака. В зимнее время это приводит к образованию наледи, инея, обледенению дорог.

Аэрозоли в атмосфере. Аэрозоль- дисперсная система, состоящая из взвешенных в газовой среде, обычно в воздухе, мелких частиц. В зависимости от природы аэрозоли подразделяют на естественные и искусственные. Естественные аэрозоли образуются вследствие природных сил, например при вулканических извержениях, сочетании эрозии почвы с ветром, явлениях в атмосфере. Искусственные аэрозоли образуются в результате хозяйственной деятельности человека. Важное место среди них занимают промышленные аэрозоли. Примером промышленного аэрозоля может служить газовый баллончик. Важнейшие оптические свойства аэрозолей – рассеяние и поглощение ими света. В прошлом климат Земли изменялся много раз без воздействия или при малом воздействии антропогенных источников. Поэтому возникает вопрос: может ли оказать воздействие на климат присутствие в атмосфере аэрозоля вообще и антропогенного в частности. Отмечалось, что глобальные выбросы антропогенного аэрозоля в настоящее время достаточно велики. Так, среднегодовой выброс аэрозоля из естественных источников составляет 2312 млн. т, а из антропогенных-296 млн. т, что составляет соответственно 88.5 и 11.5% от общего среднегодового количества генерируемого аэрозоля. При оценке потенциального влияния антропогенного аэрозоля важно сознавать, что его образование ограничено промышленными центрами, расположенными в основном в Северной Америке, Европе, Японии и на части территории Австралии. Таким образом, 296 млн. т антропогенного аэрозоля образуется над площадью, равной примерно 2.5% поверхности Земли. Для сравнения отметим, что эта же территория продуцирует 58 млн. т аэрозоля естественного происхождения, т.е. лишь 20% от антропогенного аэрозоля. Эта относительно высокая концентрация антропогенного аэрозоля над относительно маленькой площадью позволяет предположить возможность локального, вполне вероятно, что и регионального, воздействия на климат.

Непоглощающий аэрозоль увеличивает альбедо атмосферы и, следовательно уменьшает количество солнечной радиации, достигающей поверхности Земли. Если аэрозоль поглощает в коротковолновой области спектра, то поглощенная энергия солнечного излучения передается атмосфере. Это приводит к нагреванию атмосферы и охлаждению подстилающей поверхности. Если аэрозоль поглощает и соответственно испускает энергию в инфракрасной области спектра, то это приводит к противоположному результату, т.е. энергия выводится из тропосферы, что приводит к охлаждению воздуха и усилению парникового эффекта у поверхности Земли. Общий эффект зависит от соотношения коэффициентов поглощения в видимой и инфракрасной области, а также от альбедо поверхности. Изменение радиационных потоков в аэрозольной атмосфере приводит к изменению ее температурной стратификации, а также к изменению температуры земной поверхности.

Считается, что антропогенные аэрозоли, особенно сульфаты, выбрасываемые при сжигании топлива, влияют на охлаждение атмосферы. В результате антропогенного воздействия изменяется аэрозольный состав атмосферы. Атмосферные аэрозоли определяют количество облаков, так как продукты конденсации водяного пара скапливаются на аэрозолях. Поэтому в городах по сравнению с сельской местностью больше облачность и количество осадков. Увеличение аэрозолей приводит к уменьшению температуры воздуха.

Цементная промышленность. Производство цемента является интенсивным источником выбросов СО2. Диоксид углерода образуется, когда карбонат кальция (CaCO3) нагревают, чтобы получить ингредиент цемента оксид кальция (СаО или негашёная известь). Производство цемента является причиной приблизительно 5% выбросов СО2 индустриальных процессов (энергетический и промышленный сектора). При затворении цемента то же количество СО2 поглощается из атмосферы при протекании обратной реакции СаО + СО2 = СаСО3. Поэтому производство и потребление цемента изменяет только локальные концентрации СО2 в атмосфере, не изменяя среднее значение

Истощение планетарного кислорода. Увеличение сжигания топлива сопровождается все большим расходованием кислорода. До середины XIX века его содержание в атмосфере оставалось более или менее постоянным. Поглощение кислорода в естественных окислительных процессах компенсировалось фотосинтезом. Поглощая из воздуха 55 млрд т кислорода, Мировой океан выделяет в атмосферу 61 млрд т кислорода. В результате воздушная оболочка Земли ежегодно получает из океана 6 млрд т кислорода. Сейчас этот баланс нарушен процессами сжигания топлива. Особенно много кислорода потребляют развитые промышленные страны. США, где проживает лишь 5% населения мира, потребляют свыше 30% общемирового производства энергии. В результате такого энергетического изобилия в США расходуется больше кислорода, чем его производит растительность страны.

За весь период человеческой деятельности на процессы горения безвозвратно израсходовано 273 млрд т кислорода, в том числе за последние 50 лет – 246 млрд т. Однако это пока не привело к заметному уменьшению концентрации кислорода в атмосфере. Но если основным источником энергии по-прежнему будет ископаемое топливо, проблема кислородного голодания может обостриться ко второй половине XXI века.

Парниковый эффект – подъем температуры на поверхности планеты в результате тепловой энергии, которая появляется в атмосфере из-за нагревания газов. Явление парникового эффекта позволяет поддерживать на поверхности Земли температуру, при которой возможно возникновение и развитие жизни. Если бы парниковый эффект отсутствовал, средняя температура поверхности земного шара была бы значительно ниже, чем сейчас. Однако при повышении концентрации парниковых газов увеличивается непроницаемость атмосферы для инфракрасных лучей, что приводит к повышению температуры планеты.

Парниковый эффект имеет место не только на Земле. К примеру, сильный парниковый эффект на соседней планете – Венере. Атмосфера Венеры почти целиком состоит из углекислого газа, и в результате поверхность планеты разогрета до 475°С. Климатологи полагают, что Земля избежала такой участи благодаря наличию на ней океанов. Океаны поглощают атмосферный углерод, и он накапливается в горных породах, таких как известняк. Посредством этого углекислый газ удаляется из атмосферы. На Венере нет океанов, и весь углекислый газ, который выбрасывают в атмосферу вулканы, там и остается. В результате на планете наблюдается неуправляемый парниковый эффект.

Парниковые газы – газообразные составляющие атмосферы природного, или антропогенного происхождения, которые поглощают и переизлучают инфракрасное излучение. Антропогенный рост концентрации в атмосфере парниковых газов приводит к повышению приземной температуры и изменению климата. Список парниковых газов, подлежащих ограничению, определен в Приложении А к Киотскому протоколу (подписан в Киото (Япония) в декабре 1997г. 159 государствами) и включает двуокись углерода (CO2), метан (CH4), закись азота (N2O), перфторуглероды (ПФУ), гидрофторуглероды (ГФУ) и гексафторид серы (SF6). Водяной пар – самый распространенный парниковый газ – исключен из данного рассмотрения, так как нет данных о росте его концентрации в атмосфере (связанная с ним опасность не просматривается).

Двуокись углерода (углекислый газ) (СО2) – важнейший источник климатических изменений, на долю которого приходится, по оценкам, около 64% глобального потепления. Основными источниками выброса углекислого газа в атмосферу являются производство, транспортировка, переработка и потребление ископаемого топлива (86%), сведение тропических лесов и другое сжигание биомассы (12%), остальные источники (2 %), например производство цемента и др. После выделения молекула двуокиси углерода совершает цикл через атмосферу и биоту и окончательно поглощается океаническими процессами или путем длительного накопления в наземных биологических хранилищах, то есть поглощается растениями. Количество времени, при котором примерно 63% газа выводится из атмосферы, называется эффективным периодом пребывания. Оцениваемый эффективный период пребывания для СО2 колеблется в пределах от 50 до 200 лет.

Метан (СН4) имеет как природное, так и антропогенное происхождение. В последнем случае он образуется:

–в результате производства топлива, пищеварительной ферментации (например, у скота), рисоводства, сведения лесов (главным образом вследствие горения биомассы и распада избыточной органической субстанции). На долю метана приходится, по оценкам, примерно 20% глобального потепления. Выбросы метана представляют собой значительной источник парниковых газов.

Закись азота (N2O) – третий по значимости парниковый газ Киотского протокола. Выделяется при производстве и применении минеральных удобрений, в химической промышленности, в сельском хозяйстве и т. д. На него приходится около 6% глобального потепления.

Перфторуглероды– ПФУ (Perfluorocarbons – PFCs). Углеводородные соединения, в которых фтор частично замещает углерод. Основным источником эмиссии этих газов является производство алюминия, электроники и растворителей. При алюминиевой плавке выбросы ПФУ возникают в электрической дуге или при так называемых анодных эффектах.

Гидрофторуглероды (ГФУ) – углеводородные соединения, в которых галогены частично замещают водород.

Гексафторид серы (SF6) – парниковый газ, использующийся в качестве электроизоляционного материала в электроэнергетике. Гексафторид серы (элегаз, или шестифтористая сера, SF6) – неорганическое вещество, при нормальных условиях тяжелый газ, в 5 раз тяжелее воздуха. Выбросы происходят при его производстве и использовании. Чрезвычайно долго сохраняется в атмосфере и является активным поглотителем инфракрасного излучения. Это соединение, даже при относительно небольших выбросах, обладает потенциальной возможностью влиять на климат в течение продолжительного времени в будущем.

Выбросы кислых газов и золы. При соединении оксидов серы с водой из воздуха образуются капельки серной и сернистой кислот. Их растворы могут долгое время держаться в воздухе в виде плавающих капелек тумана или выпадать вместе с дождем и снегом. Выпадение кислых осадков сопровождается подкислением водоемов и почвы, что приводит к гибели водных организмов, деградации почвенной фауны, ухудшению состояния лесов и их усыханию. По причине подкисленной почвы снижаются урожаи, ухудшается качество сельскохозяйственной продукции. Кислотные дожди и туманы разъедают металлы, краски, синтетические соединения, ткани, сокращают сроки и ухудшают хранение продуктов питания и т. д. Наибольшую опасность кислотные дожди представляют для индустриальных стран, однако посредством трансграничных переносов высотными ветрами они достигают и соседних государств.

В 2000–2010 гг. глобальные выбросы парниковых газов (ПГ) росли быстрее (на 2,2% в год), чем в три предшествующих десятилетия (на 1,3% в год в 1970–2000 гг.), несмотря на глобальный экономический кризис и усилия растущего числа стран реализовать Рамочную конвенцию ООН об изменении климата и Киотский протокол. За последние четыре десятилетия накопленные выбросы углекислого газа увеличились с 900 млрд т СО2 в 1970 г. до 2 000 млрд т в 2010 г. СО2 по-прежнему является основным антропогенным парниковым газом. Выбросы ПГ от сжигания топлива в 2013 г. превысили 32 млрд т СО2, и при отсутствии жестких мер политики по их контролю могут вырасти до 50–70 млрд СО2 к 2050 г. и до 90 млрд т СО2 – к 2100 г.

Расчеты показывают, что без существенных дополнительных мер по контролю за выбросами в ближайшие 20 лет будет практически невозможно удерживать концентрацию ПГ в атмосфере в рамках 450–500 ppm. Это означает, что потребуются большие усилия по снижению выбросов в 2030–2050 гг. или широкомасштабное применение технологий удаления ПГ из атмосферы либо ее охлаждения в последующие годы. Хотя смягчение воздействия на климат сопряжено с существенными затратами, они могут быть снижены за счет устранения барьеров для проникновения на рынок низкоуглеродных технологий и возобновляемых источников энергии.

Золоотвалы. Отрицательное влияние на природу оказывают и золоотвалы. В месте их размещения земля исключается из сельскохозяйственного оборота, происходит загрязнение грунтовых и поверхностных вод, атмосферы, нарушается функционирование природных экосистем.

Рекомендованные направления политики и меры по сокращению выбросов парниковых газов, определенные в Киотском протоколе, включают в себя:

–повышение эффективности использования энергии в соответствующих секторах национальной экономики;

–охрану и повышение качества поглотителей и накопителей парниковых газов с учетом своих обязательств по соответствующим международным природоохранным соглашениям;

–содействие рациональным методам ведения лесного хозяйства, облесению и лесовозобновлению на устойчивой основе;поощрение устойчивых форм сельского хозяйства в свете мер, связанных с изменением климата;

–содействие внедрению, проведение исследовательских работ, разработку и более широкое использование новых и возобновляемых видов энергии, технологий поглощения двуокиси углерода и инновационных экологически безопасных технологий;

–постепенное сокращение или устранение рыночных диспропорций, фискальных стимулов, освобождения от налогов и пошлин, субсидий, противоречащих цели Конвенции, во всех секторах – источниках выбросов парниковых газов и применение рыночных инструментов;

–поощрение надлежащих реформ в соответствующих секторах в целях содействия осуществлению политики и мер, ограничивающих или сокращающих выбросы парниковых газов;

–меры по ограничению и/или сокращению выбросов парниковых газов на транспорте;

–ограничение и/или сокращение выбросов метана путем рекуперации и использования при удалении отходов, а также при производстве, транспортировке и распределении энергии.

ГЛАВА 2. ОПЫТ ГЕРМАНИИ В РАЗВИТИИ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

В январе 1980 г. в Карлсруэ была основана партия зеленых, которая сформировалась из противоатомного и экологического движения. Партия зеленых в 1983 г. вошла в немецкий парламент и потребовала новой энергетической политики, направленной на защиту окружающей среды и климата. Партия требовала уходить от атомной энергетики и сжигания ископаемых энергоносителей, таких как бурый и каменный уголь, природный газ, и заниматься экологически чистыми, альтернативными видами производства электроэнергии. Политика зеленых дала импульс мелким и средним предприятиям заняться развитием альтернативных видов производства электроэнергии.

Немецкий парламент в 1990 г. принял закон о подаче электроэнергии из возобновляемых энергоисточников в сеть общего пользования и о вознаграждении по конкретным тарифам. Этот закон был необходим для защиты мелких производителей электроэнергии из возобновляемых источников от больших электроконцернов, которые усложняли доступ к своим электросетям или отказывали в нем. Гарантированное вознаграждение давало сильный стимул для развития возобновляемых источников энергии. Установленные тарифы приводили до уровня экономической целесообразности, особенно что касается находящихся вблизи моря ветровых установок, в то же время тарифы для фотоэлектрических установок были еще далеки до этого.

С самого начала новый закон критиковали большие электроконцерны, поскольку они видели для себя угрожающую конкуренцию.

Дальнейшие импульсы возобновляемая энергетика получила на конференции в Киото 1997 г., где были приняты обязывающие цели по уменьшению выбросов CO2. В июле 2000 г. было достигнуто соглашение между правительством ФРГ и большими электроконцернами о замораживании работ по производству атомной энергии. Окончательную победу возобновляемая энергетика получила в 2000 г., когда в немецком парламенте был принят закон о возобновляемой энергетике. Закон определяет приоритетную подачу электроэнергии из возобновляемых источников перед электростанциями на базе традиционных видов топлива. Эксплуатирующие организации передающих и распределительных сетей обязаны принимать электроэнергию и выплачивать вознаграждение за нее по установленным тарифам. Вознаграждение гарантируется на протяжении 20 лет. В 2000 г. были установлены новые тарифы, таблица 2.1.

Таблица 2.1 Тарифы на энергию, получаемую с помощью ВИЭ

Вид установки ВИЭ

Тарифы, 1990 г.

Тарифы, 2000 г.

Ветровые установки

7,23 евроцент/кВт·ч

9,10 евроцент/кВт·ч*

Гидроэлектростанции

7,23 евроцент/кВт·ч

7,67 евроценткВт·ч

Биогазовые комплексы

7,23 евроцент/кВт·ч

10,23 евроцент/кВт·ч

Установки свалочного газа

7,23 евроцент/кВт·ч

7,67 евроцент/кВт·ч

Установки геотермии

5,95 евроценткВт·ч

8,95 евроцент/кВт·ч

Фотоэлектрические установки

8,23 евроцент/кВт·ч

45,70 евроцент/ кВт·ч**

* 9,10 евроцент/кВтч выплачивались только первые 5 лет, затем – 6,19 евроцент/кВтч.

** Если фотоэлектрическая установка монтируется на крышах здания или на звукоизолирующей преграде, то вознаграждение повышается на 11,7 евроцент./кВтч при мощности до 30 кВт, на 8,9 евро- цент./кВтч – при более чем 30 кВт и на 8,3 евроцент./кВтч – при более чем 100 кВт.

Высокое вознаграждение за электроэнергию из фотоэлектрических установок первоначально было необходимо и оправдано из-за высокой стоимости этой технологии – 1 кВт установленной мощности в 2000 г. стоил около 5 000 евро. С тех пор цены сильно упали, и в 2015 г. 1 кВт стоил уже около 1 000 евро. Тарифы имели понижающийся характер (вначале больше, затем меньше), чтобы дополнительно стимулировать развитие ВИЭ.

Цель закона заключается в том, чтобы в интересах защиты климата и окружающей среды способствовать устойчивому развитию энергообеспечения, снижать стоимость энергообеспечения путем использования долгосрочных косвенных факторов, беречь ископаемые энергоносители и продвигать технологии производства электроэнергии из возобновляемых источников.

Закон о ВИЭ составил основу для почти беспрепятственного развития всех видов устройств для получения электроэнергии из возобновляемых источников. Правительство поставило конкретные цели для развития ВИЭ, которые были достигнуты в 2015 г. и определены задачи до 2050 г., рис. 2.1.

Рис. 2.1. Доля ВИЭ в энергопроизводстве Германии

Все установки ВИЭ производили в 2015 г. около 31%электроэнергии в Германии. Около 2% производимой электроэнергии приходится на сжигание биомассы. В Германии активно развивают ветровую энергетику. Старые маломощные установки заменяют на новые высокомощные (Repowering). Только в 2015 г. было введено в эксплуатацию 1 115 новых ветровых установок на суше с общей мощностью 3 536 МВт. Из большого количества гидроэлектростанций мощность выше 1 МВт имеют только 406. Количество установленной мощности фотоэлектрических установок снизилось в 2015 г. на 1,3–2 ГВт. Тарифы за 1 кВтч электроэнергии из фотоэлектрических установок уменьшились с 57 евроцентов в 2000 г. до 12 – в 2015-м.

Согласно закону о ВИЭ, эксплуатирующие организации передающих и распределительных сетей, обязаны принимать электроэнергию из этих установок и оплачивать по названным тарифам. Так, только в 2015 г. владельцам ВИЭ за производимую и подаваемую в общую сеть электроэнергию было выплачено около 20 млрд евро. Электроэнергия из ВИЭ продается в Евросоюзе на биржах (в Париже и Лейпциге). Биржевая цена за электроэнергию значительно ниже, чем установленные тарифы, поэтому выручка от продажи электроэнергии из ВИЭ составляет лишь около 25–30%. Таким образом, появляется убыток в размере 70–75%, который распределяется на всех конечных потребителей. В счетах за электроэнергию эта сумма указывается как так называемая перекладка за возобновляемую энергетику (EEG-Umlage). С возрастанием количества установок ВИЭ вырос и размер этой перекладки, который в 2015 г. достиг почти 6,4 евроцент/кВтч. В среднем цена за электроэнергию для населения выросла с 2000-го до 2015 г. с 14 до 29 евроцент/кВтч – увеличение более чем на 100 %. С 2000-го до 2015 г. немецкий закон о возобновляемой энергетике был неоднократно переработан и приведен в соответствие с современными условиями. Первое обновление закона было в 2004 г. Тогда были поставлены конкретные цели развития возобновляемых источников энергии, а именно: к 2010 г. – до 12,5% и к 2020-му–до 30%. В среднем цена за электроэнергию для населения выросла с 2000-го до 2015 г. с 14 до 29 евроцент/кВтч.

Второй раз закон обновлялся в 2009 г. Была сделана его полная переработка. Разделы о структуре и распределении электроэнергии были написаны заново. Количество статьей увеличивалось с 24 до 66. Эксплуатирующие организации сетей получили право не принимать электроэнергию из ВИЭ в случае перегрузки сети, но в таких случаях они обязаны компенсировать потери владельцам ВИЭ за непринятую электроэнергию. В дальнейшем были определены размеры годового снижения тарифов для электроэнергии из ВИЭ (дегрессия). Кроме того, разрешалась прямая продажа электроэнергии конечным потребителям.

Третье обновление закона состоялось в 2012 г. Предыдущий закон был основательно переработан. Согласно энергетической программе, правительства были закреплены конкретные цели дальнейшего развития ВИЭ. Доля электроэнергии из ВИЭ в энергопотреблении должна составлять в 2020 г. не менее 35%, в 2030-м – не менее 50%, в 2040-м – не менее 50% и в 2050 г. – 80%. Особое внимание уделено рыночной, сетевой и системной интеграции. Цель – в оптимизации общей системы для улучшения взаимодействия ВИЭ и традиционной энергетики.

Особенное внимание уделено регулированию производства электроэнергии из фотоэлектрических установок. Для этого был принят отдельный законодательный акт (27.06.2012 г., PV-Novelle). В нем установлены новые тарифы в зависимости от места нахождения установки, ее мощности и месячной дегрессии (пропорциональное налогообложение с понижением процента для уменьшающихся по величине доходов) тарифа, таблица 2.1.

Таблица 2.1. Зависимость тарифов от мощности, места установки и генерации по месяцам года, евроцент/кВтч

Установленная мощность ФЭУ на крышах зданий

На полях

< 10 МВт

Дегрес- сия, %

2012 г.

< 10 кВт

10–

40 кВт

40–

1 000 кВт

1–10

МВт

Апрель

19,50

18,50

16,50

13,50

13,50

1

Май

19,30

18,31

16,34

13,37

13,37

1

Июнь

19,11

18,13

16,17

13,23

13,23

1

Июль

18,92

17,95

16,01

13,10

13,10

1

Август

18,73

17,77

15,85

12,97

12,97

1

Сентябрь

18,54

17,59

15,69

12,84

12,84

1

Октябрь

18,36

17,41

15,53

12,71

12,71

1

Ноябрь

17,90

16,98

15,15

12,39

12,39

2,5

Декабрь

17,45

16,56

14,77

12,08

12,08

2,5

Кроме того, была установлена мощность предельного развития фотоэлектрики в Германии в размере 52 ГВт. Годовой коридор для увеличения мощности сохраняется в пределах 2,5–3,5 ГВт. Если было построено больше, чем 3,5 ГВт в год, то дегрессия повышалась дополнительно на 3%, если более 4,5 ГВт – на 6 % и свыше 5,5 ГВт – на 9%. Если, наоборот, цель постройки новой мощности не была достигнута, то дегрессия уменьшалась. В случае если было построено менее 2,5 ГВт в год, то на 2,5 %, менее 1,5 ГВт – на 5 % и менее 1 ГВт – на 7,5%.

По-новому регулировались тарифы для электроэнергии, получаемой с ГЭС. Так, при мощности до 500 кВт – 12,7 евроцент/кВтч, до 2 МВт – 8,3 евроцент/кВтч, до 5 МВт – 6,3 евроцент./кВтч, до 10 МВт – 5,5 евроцент./

кВтч, до 20 МВт – 5,3 евроцент/кВтч и до 50 МВт – 4,2 евроцент Втч.

Четвертое обновление закона пришлось на 2014 г. Закон снова получил широкую и основательную переработку, вырос до 104 статей и 4 приложений на 74 страницах. Были установлены следующие размеры увеличения мощности: