Экологические аспекты использования природного газа в качестве моторного топлива на основе оценки полного жизненного цикла Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

ч\\\\\\\\\\\\\\\\\\\ I

Транспорт и экология

Экологические аспекты использования природного газа в качестве моторного топлива на основе оценки полного жизненного цикла

А.Г. Ишков, заместитель начальника департамента - начальник управления ПАО «Газпром», профессор, д.х.н.,

Н.Б. Пыстина, директор центра экологической безопасности, энергоэффективности и охраны труда ООО «Газпром ВНИИГАЗ», к.э.н., К.В. Романов, начальник отдела ПАО «Газпром», к.э.н., Р.В. Тетеревлев, главный технолог ПАО «Газпром»

В условиях поиска эффективных путей снижения влияния автотранспортных средств на окружающую среду и население сравнительное исследование жизненного цикла моторных топлив позволяет оценить главные факторы и потенциал улучшения экологической ситуации. В процессе исследования моторных топлив в полном жизненном цикле представлены экологические характеристики использования на автотранспорте моторных топлив нефтяного и газового происхождения. Показана экологическая эффективность газомоторного топлива с использованием сценария перевода 50 % автотранспортных средств на компримированный природный газ в федеральных округах и крупных городах России.

Проведен анализ расходования природных ресурсов, потерь сырья на различных стадиях цикла, а также анализ негативного воздействия на окружающую среду. Даны результаты оценки экологической эффективности моторных топлив по расчетам основных параметров, включающих следующие: удельные выбросы загрязняющих веществ; «углеродный след» и «токсический след».

Показано, что из известных в настоящее время эффективных путей снижения влияния газомоторного транспорта на экологическую ситуацию и повышения экологической безопасности автомобильного транспорта, работающего на различных видах топлива, реальное практическое значение имеет замещение моторных топлив природным газом. Исследования экологических показателей топлива направлены на развитие экологически безопасного транспорта, отвечающего высоким стандартам качества окружающей среды.

__Ключевые слова:

жизненный цикл моторных топлив, автотранспортный комплекс, «углеродный след» и «токсический след» моторных топлив, экологическая эффективность, экологические преимущества природного газа.

лобальные проблемы (такие как изменение климата, перенаселение, высокие темпы урбанизации и, следовательно, рост потребления энергетических ресурсов и антропогенной нагрузки на биосистемы) требуют гармонизации технологических, экологических и коммерческих интересов,

Транспорт и экология

к\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\ч

принятия как стратегических, так и тактических мер по снижению техногенного воздействия на окружающую среду.

Выбросы загрязняющих веществ (ЗВ) автомобильным транспортом (АТ) 46 в сравнении с другими источниками наносят наиболее весомый ущерб окружаю-

щей среде, особенно в крупных городах. В настоящее время доля автомобильного транспорта в общем объеме выбросов ЗВ в атмосферный воздух составляет около 45 % в целом по Российской Федерации (табл. 1), а в мегаполисах этот показатель достигает 80...90 % [1].

Таблица 1

Выбросы загрязняющих веществ в атмосферный воздух (по данным Росстата и Росприроднадзора), тыс. т

Показатель Годы

2005 2010 2014 2015 2016

Выброшено ЗВ, всего 35835 32353 31228 31269 31617

В том числе: от стационарных источников от передвижных источников, всего 20425 15410 19116 13237 17452 13776 17296 13973 17349 14268

Из них: от автомобильного транспорта от железнодорожного транспорта 15410 13105 132 13622 154 13819 154 14105 163

Удельный вес выбросов от АТ в общем объеме выбросов загрязняющих веществ, % 43,0 40,5 43,6 44,2 44,6

В табл. 2 представлены обобщенные данные Росприроднадзора о выбросах ЗВ в атмосферный воздух от автотранспорта в 2017 году в разрезе федеральных округов Российской Федерации и в целом по стране [2].

Таблица 2

Выбросы загрязняющих веществ от автотранспорта в 2017 году по федеральным округам и по Российской Федерации в целом, тыс. т

Наименование федерального округа 802 N0, ЛОСНМ СО С NHз СН4 Всего

Центральный 20,4 392,7 386,2 2958,2 6,7 9,7 15,8 3789,8

Северо-Западный 7,5 143,4 141,6 1098,4 2,6 3,4 5,8 1402,8

Южный 9,31 183,4 170,3 1272,8 2,94 4,68 6,7 1650,3

Северо-Кавказский 5,2 96,9 86,6 662,8 1,8 2,1 3,4 858,8

Приволжский 16,4 324,8 301,2 2252,5 5,2 8,2 12 2920,4

Уральский 7,8 147,9 134,2 1014,1 2,6 3,5 5,3 1315,3

Сибирский 10,3 201,6 185,7 1393,3 3,3 5 7,4 1806,6

Дальневосточный 4,2 79,3 71,7 542,9 1,4 1,8 2,8 704,2

Итого по Российской Федерации 81,11 1570 1477,5 11195 26,54 38,38 59,2 14448,2

Примечание: ЛОСНМ - неметановые летучие органические соединения.

Среди парниковых газов, выбрасываемых в атмосферу транспортом в России, доминирует CO2, при этом на долю АТ приходится 98 % совокупного объема выбросов от всего транспорта. Рост выбросов обусловлен в значительной степени продолжающимся увеличением количества личных автомобилей, число которых к 2035 г. в РФ достигнет среднего для Восточной Европы уровня (350...400 транспортных средств на 1000 жителей), что будет сопровождаться соответствующим увеличением объема выбросов парниковых газов с 116 т (оценочный показатель в 2009 г.) до 210 т СО2-экв. (прогнозируемый показатель в 2030 г.) [3].

По данным отчета Европейской газомоторной ассоциации за 2014-2015 гг. углеродный след при использовании бензина в качестве моторного топлива равен 164 г СО2-экв./км. В то же время для природного газа данный показатель составляет 124 г СО2-экв./км. С учетом выбросов парниковых газов в транспортном секторе в целом по Евросоюзу перевод транспорта на природный газ обеспечит сокращение этих выбросов на 5,1 % от всех выбросов ЕС (экспертная оценка ООО «Газпром ВНИИГАЗ» на основе данных World Energy Outlook 2017).

В табл. 3 представлены данные по выбросам парниковых газов от автотранспорта из Национального доклада о кадастре антропогенных выбросов 2018 года [4].

Таблица 3

Выбросы парниковых газов от автотранспорта за 2016 год, тыс. т

Тип автотранспорта СО2 СН4 N2O

Легковой транспорт 51204,39 15,41 0,99

Грузовой транспорт и автобусы массой <3,5 т 9737,86 2,62 0,16

Грузовой транспорт и автобусы массой >3,5 т 86945,13 12,90 2,41

Поиск новых методов и перспективных технологий, направленных на совершенствование экологических качеств автотранспортных средств и изучение конкуренции различных видов топлива (бензин, дизельное топливо, природный газ) по показателям экологической эффективности, может стать существенным шагом в активизации развития газомоторной отрасли и стимулировании спроса на природный газ на внутреннем рынке России.

Газовой промышленности, как одной из наиболее перспективных отраслей развития национальной экономики России, принадлежит ключевая роль в формировании рынка газомоторного топлива, задачи которой - обеспечение населения более приемлемым моторным топливом с экологической точки зрения, повышение экологической безопасности и качества жизни населения России. На территории Российской Федерации по состоянию на конец 2017 года действуют более 320 автомобильных газонаполнительных компрессорных станций (АГНКС), 271 из которых принадлежит Группе «Газпром» и ООО «Газпром газомоторное топливо».

Негативное воздействие на окружающую среду транспортным сектором происходит не только в результате сгорания топлива в тепловых двигателях, но также по всей технологической цепочке (от добычи сырья до поставки топлива на заправочную станцию). Для оценки экологического эффекта при использовании различных видов топлив важно учитывать все этапы их жизненного цикла.

Транспорт и экология

шшшж

\

Рис. 1. Жизненный цикл производства и использования моторных топлив

Экспертами ООО «Газпром ВНИИГАЗ» выполнена сравнительная оценка негативного воздействия различных видов моторных топлив на окружающую среду по критериям, характеризующим экологическую эффективность топлив в жизненном цикле. При этом под жизненным циклом (ЖЦ) моторного топлива понимается комплекс последовательно реализуемых этапов обращения с углеводородным сырьем, в результате чего в атмосферный воздух выбрасываются загрязняющие вещества и парниковые газы.

Жизненный цикл газомоторного топлива включает добычу углеводородного сырья, его транспортировку, хранение, производство компримированного природного газа (КПГ) на АГНКС и его использование на автотранспорте.

К жизненному циклу нефтяных топлив (бензин, дизельное топливо) относятся следующие этапы технологической цепочки: добыча, транспортировка сырья, хранение, переработка с получением моторного топлива, реализация на автозаправочных станциях (АЗС), использование бензина и дизельного топлива (ДТ) в автотранспорте.

Схематично этапы жизненного цикла производства и использования моторных топлив представлены на рис. 1.

В процессе оценки взаимосвязанных составляющих системы жизненного цикла, начиная с получения сырья и до конечной стадии - использования топлив в ДВС, проводится анализ расходования энергии, природных ресурсов, потерь сырья на различных стадиях цикла. Для комплексной оценки влияния жизненного цикла моторных топлив следует добавить показатели, характеризующие, помимо влияния на климат, степень воздействия на здоровье человека и компоненты окружающей среды.

Особую значимость в оценке ЖЦ моторных топлив имеет экологическая эффективность, которая является комплексным показателем и оценивается по всему жизненному циклу топлива по следующим параметрам: удельные выбросы ЗВ,

Этапы жизненного цикла;

добыча переработка транспортировка хранение АГНКС/АЗС

Этап жизненного цикла:

Эксплуатация

V

V

Вид углеводородного сырья:

Нефть

Природный газ

J

Тип АТС:

Легковые Грузовые Автобусы

\/

Экологический класс АТС:

Евро-0 Евро-1 Евро-2

Евро-3 и выше

У

* О

Численность автопарка

\

Вид топлива: бензин

ДТ кпг

Выбросы загрязняющих веществ и парниковых газов СО, ЛОС, [\ЮХ, 502, ТЧ, С02,СНд(8аловые) СО, ЛОС, N0,, 502, ТЧ, С02,СН4(удельные}

Рис. 2. Показатели, используемые при расчете выбросов ЗВ и парниковых газов по этапам ЖЦ моторных топлив, получаемых из нефти и природного газа

«углеродный след», «токсический след». Сравнительная экологическая оценка топлив нефтяного и газового происхождения по этим параметрам позволяет выявить наиболее эффективные, дружественные окружающей среде, виды топлива.

Удельные выбросы ЗВ, как известно, являются основными параметрами, которые следует контролировать для проверки соблюдения утвержденных нормативов выбросов и оценки результатов внедрения природоохранных мероприятий.

Понятие «углеродный след» может определяться как совокупность выбросов всех парниковых газов, произведенных субъектами, предметами, действиями (человеком, организацией, мероприятием, продуктом, городом, государством) и понимается как отношение выбросов парниковых газов (например, диоксид углерода) к объему израсходованного топлива на каждом этапе ЖЦ. Проблема сокращения «углеродного следа» сегодня становится важной как никогда, поскольку наращивание объемов потребления энергии в результате сжигания полезных ископаемых приводит к росту выбросов парниковых газов в атмосферу.

«Токсический след» топлива по аналогии с «углеродным» можно определить как совокупность выбросов всех загрязняющих веществ с учетом их токсичности, прямо или косвенно произведенных через повседневную деятельность. Токсический след является показателем антропогенного давления на человека и экосистему в целом и позволяет провести сравнительную оценку экологических преимуществ использования разных видов топлив, например, ГМТ, по отношению к нефтяному топливу.

Показатели для расчета удельных значений выбросов ЗВ и парниковых газов и экологической оценки этапов ЖЦ моторных топлив, получаемых из нефти и природного газа, определены с учетом основных параметров, обусловливающих эффективность топлив, и схематично представлены на рис. 2.

Гщ. ГПк \

Транспорт и экология

к\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\

\

Расчет значений удельных выбросов ЗВ, углеродного следа, суммарного токсического следа и сравнение экологических характеристик моторных топлив, получаемых из нефти и природного газа, по всем этапам жизненного цикла 50 выполнялся экспертами ООО «Газпром ВНИИГАЗ» на основе анализа стати-

стических данных крупных нефтегазовых компаний России (ПАО «Газпром», ПАО «НК Роснефть», ПАО «Газпром нефть», ПАО «Транснефть» и др.) об экологических (объемы выбросов ЗВ и СО2) и производственных (объем добычи, транспортировки, переработки сырья) показателях.

Оценка топлив проведена для условий, когда на всех этапах жизненного цикла выполняются требования по соблюдению Российских (Европейских) норм на выброс ЗВ (СО, СН, N0^ твердые частицы) по испытательным циклам, снижению выброса СО2, минимизации расхода природных ресурсов и энергии, а также ущерба окружающей среде.

Экологические показатели в жизненном цикле моторных топлив определены следующим образом:

• удельные выбросы ЗВ (удельное значение выбросов ЗВ на тонну нефтяного эквивалента добытого сырья - нефть/газ) как отношение суммы выбросов ЗВ по всем этапам жизненного цикла топлив (добыча, транспортировка, хранение, переработка, АЗС/АГНКС, эксплуатация АТС) к объему добычи сырья, использованного для производства определенного вида моторного топлива (в т н.э.);

• углеродный след - отношение суммы выбросов СО2-экв. по всем этапам жизненного цикла топлив (добыча, транспортировка, хранение, переработка, АЗС/АГНКС, эксплуатация АТС) к объему добычи сырья, использованного для производства определенного вида моторного топлива (в т н.э.);

• токсический след - отношение суммы выбросов ЗВ (СО, СН4, N0^ 802, летучие органические соединения, твердые частицы, бенз(а)пирен) по всем этапам жизненного цикла топлив к соответствующей предельно допустимой концентрации данного загрязняющего вещества в атмосферном воздухе (ПДКм.р. индивидуального ЗВ), приведенное к пробегу АТС в год (усредненные показатели) на разных видах топлива (в усл. ед.).

Значения удельных выбросов ЗВ и парниковых газов (в СО2-экв.) рассчитывали с учетом следующих данных:

• объемов расхода/потерь сырья/топлива на каждом этапе жизненного цикла;

• удельных выбросов ЗВ и СО2-экв. в жизненном цикле топлив (Расчетная инструкция НИИАТ, 2008 г. [5]);

• данных Госдоклада «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2016 году» (Государственный доклад, 2017 г.) о структуре и численности парка АТС;

• с уточнениями и дополнениями по видам использованного топлива, сроку эксплуатации, типам АТС (экспертные оценки).

Рассчитанные значения экологических показателей в комплексе последовательно реализуемых этапов обращения с углеводородным сырьем (от процесса добычи / получения до использования моторных топлив на транспорте) - удельные выбросы ЗВ, «углеродный след» и «токсический след» при использовании различных видов моторного топлива - представлены в табл. 4 (экологические показатели приведены к единице).

В результате выполненных расчетов было установлено, что все показатели экологической эффективности использования природного газа лучше показателей, характерных для бензина и дизельного топлива. В частности, при использовании КПГ:

Таблица 4

Показатели экологической эффективности использования КПГ и других видов топлив для автотранспортных средств

Вид топлива Удельные выбросы ЗВ, тЗВ/т н.э. Кратность выбросов по отношению к КПГ Углеродный след, т СО2-экв./ т н.э. Кратность выбросов по отношению к КПГ Токсический след, усл. ед. Кратность выбросов по отношению к КПГ

Добыча - АЗС/АГНКС

Бензин 0,02 5,5 0,96 4 0,75 7

ДТ 0,02 4,4 0,96 4 1,22 12

КПГ 0,004 1 0,24 1 0,10 1

Эксплуатация

Бензин 0,04 7 4,07 2,0 0,78 2

ДТ 0,01 2 3,04 1,5 1,41 3

КПГ 0,006 1 2,08 1 0,45 1

По всем этапам жизненного цикла

Бензин 0,06 6 5,03 2,1 1,53 3

ДТ 0,03 3 4,01 1,7 2,65 5

КПГ 0,01 1 2,34 1 0,55 1

51

• удельные выбросы ЗВ в 3 раза меньше, чем у дизельного топлива, и в 6 раз меньше, чем у бензина;

• удельные выбросы парниковых газов в 1,7 раза меньше, чем у дизельного топлива, и в 2 раза меньше, чем у бензина;

• значение «токсического следа» в 5 раз меньше, чем у дизельного топлива, и в 3 раза меньше, чем у бензина.

Таким образом, сравнительная оценка негативного воздействия на окружающую среду по критериям, характеризующим экологическую эффективность моторных топлив в жизненном цикле, показывает, что использование природного газа в качестве моторного топлива имеет преимущества по всем исследованным показателям.

Перевод автотранспорта на газомоторное топливо приведет к снижению негативного воздействия на окружающую среду и окажет положительное влияние на качество жизни, прежде всего, городского населения. Эксплуатация транспорта на газомоторном топливе может снизить в 3-6 раз выбросы ЗВ и почти в 2 раза выбросы диоксида углерода в составе отработанных газов. Использование КПГ скажется на снижении вибрации от двигателей внутреннего сгорания, обеспечив комфортные условия пассажирам. Улучшатся условия жизни населения, проживающего у автомагистралей, так как шум от автомобилей и автобусов, работающих на газовом топливе, в три раза ниже, чем от автотранспорта, работающего на ДТ.

Использование газомоторного топлива способствует реализации национальных проектов в области здравоохранения за счет снижения негативного воздействия на окружающую среду. В крупных городах, в частности, в Москве, с высокой долей транспортных средств переход на газомоторное топливо может обеспечить

Транспорт и экология

к\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\

\

Рис. 3. Сокращение выбросов загрязняющих веществ и СО2 от автомобильного транспорта в ЦФО по сценарию перевода 50 % всех автотранспортных средств на КПГ1

снижение нагрузки выбросов ЗВ на человека и, как следствие, улучшить показатели здоровья. Одним из наиболее важных показателей, отражающих изменения качества окружающей среды, который может значительно улучшиться при использовании на транспорте газомоторного топлива, является состояние здоровья детей. Потенциальная нагрузка на ребенка по сравнению со взрослым увеличивается в связи с повышенной чувствительностью детского организма к негативному воздействию экологических факторов. Проведенный расчет изменения нагрузки выбросов ЗВ на жителя г. Москвы (при эксплуатации автотранспорта) показал, что эта нагрузка может снизиться с 65 до 34 кг ЗВ на человека в год, если предположить, что 50 % существующего московского автопарка будет переведено на КПГ.

Использование природного газа в качестве топлива для автомобилей при перевозке на большие расстояния и автобусов международного сообщения может улучшить экологическую обстановку в масштабах страны. Так, сокращение выбросов ЗВ и СО2 от автотранспорта по сценарию перевода 50 % всех автотранспортных средств на КПГ на примере Центрального федерального округа представлено на рис. 3 [6].

Результаты сокращения выбросов СО2 по сценарию перевода 50 % парка автотранспортных средств на КПГ в крупных городах РФ показаны на рис. 4.

Рост использования природного газа в качестве моторного топлива является глобальной тенденцией. В качестве моторного топлива природный газ применяется более чем в 80 странах мира. Мировой парк автомобилей, работающих на КПГ,

1. Атлас «Экологический эффект перевода автотранспорта на газомоторное топливо в регионах Российской Федерации», 2016 год.

Рис. 4. Сокращение выбросов СО2 (млн т) по сценарию перевода 50 % парка автотранспортных средств на КПГ в крупных городах РФ (население более 1 млн чел.)

ежегодно увеличивается на 25...30 %. Международный опыт свидетельствует о том, что перевод транспорта на природный газ является одним из приоритетных направлений в части сохранения климата, здоровья населения, особенно жителей мегаполисов, и в целом обеспечения устойчивого энергетического развития страны.

Мировые показатели потребления газомоторного топлива демонстрируют неуклонный ежегодный рост. Только по итогам 2017 года количество транспорта на КПГ и СПГ выросло на 5,5 %. Всего в мире газомоторным топливом, по данным на 31.12.2017 г., заправляется около 25,5 млн автомобилей, что составляет 1,36 % общего количества. Для заправки транспортных средств в мире действует более 30 тыс. АГНКС. На рис. 5 показана динамика глобального рынка ГМТ на 2017 год [7].

Рис. 5. Динамика мирового рынка ГМТ (по данным NGV Global на 31.12.2017)

Транспорт и экология

к\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\

\

Рис. 6. Сравнение углеродного следа автотранспорта с ДВС и электромобилей2

Рассмотрение других видов энергии, и в частности электрической, с точки зрения перспектив и экологических показателей в оценке ЖЦ показывает, что производство электромобилей связано с большим объемом выбросов парниковых газов, чем производство автомобилей с двигателем внутреннего сгорания (ДВС), поскольку производство аккумуляторов отличает высокая энергоемкость. Использование электроэнергии в ЖЦ начинается с этапа ее производства из разных видов ресурсов (уголь, ядерная энергия, возобновляемая, газ, нефть) и дальнейшего распределения и потребления. При этом в сравнении с электромобилями КПГ имеет преимущества при значительной доле угля в энергобалансе. На рис. 6 приводится сравнение углеродного следа автотранспорта на различных видах топлива.

Проведенные исследования по оценке комплексного экологического эффекта замещения нефтяных топлив свидетельствуют о том, что газомоторное топливо, как наиболее безопасное для окружающей среды, экономически целесообразное и технологичное в сравнении с традиционными видами моторных топлив, имеет весомые основания быть наиболее востребованным в ближайшие годы.

_Использованные источники

1. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2016 году». - М.: Минприроды России; НИА-Природа, 2017. - 760 с.

2. Федеральная служба по надзору в сфере природопользования. Обобщенные данные о выбросах загрязняющих веществ в атмосферный воздух от передвижных источников (автотранспорта и железнодорожного транспорта) в разрезе городов, субъектов, федеральных округов Российской Федерации. http://data.gov.ru/opendata/7703381225-transport/data-20180417T1243-structure-20180417Tl243.csv

3. Проект Программы развития ООН / Глобального экологического фонда - Министерства транспорта Российской Федерации «Сокращение выбросов парниковых газов от автомобильного транспорта в городах России», http://www.undp.ru/index.php?iso=RU&lid=2&cmd=pr ograms&id=220

4. Национальный доклад о кадастре антропогенных выбросов из источников и абсорбции поглотителями парниковых газов, не регулируемых Монреальским протоколом. Москва, 2018.

5. Расчетная инструкция (методика) по инвентаризации выбросов загрязняющих веществ автотранспортными средствами в атмосферный воздух. - М.: НИИАТ, 2008 г.

6. Атлас «Экологический эффект перевода автотранспорта на газомоторное топливо», http://www.gazprom.ru/f/posts/61/454874/atlas-ecology-effect-gas-transport.pdf

7. Мировой рынок ГМТ 17.03.2018, http://www.gazpronin.ru/World_NGV_ Stats2017.pdf.

2. База для расчета: Volkswagen Golf (пробег 200 тыс. км).