Перспективы России в снижении выбросов метана и присоединении к Глобальному соглашению по метану Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 620.9

DOI 10.46920/2409-5516_2023_11190_56

EDN: TMXGQO

Перспективы России в снижении выбросов метана и присоединении к Глобальному соглашению по метану

Russia's prospects for reducing methane emissions and joining the global methane pledge

Владимир КЛИМЕНКО Профессор, д. т. н., академик РАН, главный научный сотрудник НИУ «МЭИ», заведующий лабораторией НИТУ «МИСиС» е-1г^1: nilgpe@mpei.ru

Vladimir KLIMENKO

Professor, Doctor of Technical Sciences, Academician of the Russian Academy of Sciences, Chief Researcher of the NRU «MEI», Head of the laboratory of NUST «MISIS» E-mail: nilgpe@mpei.ru

СЧ

о

СЧ

Алексей ТЕРЕШИН

Ведущий научный сотрудник НИУ «МЭИ» ведущий научный сотрудник НИТУ «МИСиС», д. т. н. е-1г^1: TereshinAG@mpei.ru

Alexey TERESHIN Leading researcher of NRU «MEI», leading researcher of NUST «MISIS», Doctor of Technical Sciences E-mail: TereshinAG@mpei.ru

<

о

СЦ <

Константин КОЛИКОВ Профессор, д. т. н.,

заведующий кафедрой НИТУ «МИСиС» е-1г^1: kolikov.ks@misis.ru

Игорь БЕРНАДИНЕР

Доцент, к. т. н., доцент НИУ «МЭИ»,

старший научный сотрудник

НИТУ «МИСиС»

Е-1г^к BernadinerIM@mpei.ru

Konstantin KULIKOV Professor, Doctor of Technical Sciences, Head of the Department of NUST MISIS E-mail: kolikov.ks@misis.ru

Igor BERNADINER

Associate Professor, Candidate of

Technical Sciences, Associate Professor

of NRU «MEI», senior researcher at NUST «MISIS»

E-mail: BernadinerIM@mpei.ru

Аннотация. В работе проведен анализ возможностей России по выполнению национальных обязательств по сокращению выбросов второго важнейшего антропогенного парникового газа - метана. Отмечается большой разброс оценок антропогенных выбросов метана, а также практически полное отсутствие проектов по утилизации метановых выбросов. Показано, что для России приоритетными направлениями снижения выбросов парниковых газов могут быть использование технологий улавливания и утилизации шахтного метана и свалочного газа. Кроме существенного климатического эффекта, эти мероприятия будут способствовать рациональному использованию энергетических ресурсов, расширению топливной базы отечественной энергетики, повышению безопасности производства и качества окружающей среды.

Ключевые слова: изменения климата, сокращение выбросов, метан, добыча угля, полигоны твердых коммунальных отходов, утилизация.

Abstract. The paper analyzes Russia's ability to fulfill its national obligations to reduce emissions of the second most important anthropogenic greenhouse gas - methane. There is a wide range of estimates of anthropogenic methane emissions, as well as an almost complete absence of projects for the utilization of methane emissions. It is shown that for Russia, the priority areas for reducing greenhouse gas emissions may be the use of technologies for the capture and utilization of coal mine methane and landfill gas. In addition to a significant climatic effect, these measures will contribute to the rational use of energy resources, the expansion of the fuel base of the domestic energy sector, and the improvement of production safety and environmental quality. Keywords: climate change, emissions reduction, methane, coal mining, municipal solid waste landfills, utilisation.

it

Россия входит в десятку стран с максимальными значениями эмиссии парниковых газов, таких как диоксид углерода, метан, закись азота

Введение

Проблема глобальных изменений климата постоянно остается в фокусе внимания мирового сообщества, несмотря на различные потрясения планетарного масштаба, преследующие человечество в последние годы. С тех пор, как в Рио-де-

Жанейро в 1992 г. была подписана Рамочная конвенция ООН по изменениям климата (РКИК ООН), практически ежегодно страны-участницы собираются на конференции для обсуждения хода выполнения конвенции и формирования новых инструментов защиты климата. Результаты трех таких встреч, на которых были приняты наиболее значимые решения, представлены в таблице 1.

Анализируя таблицу 1, можно отметить нарастание решительности предпринимаемых мировым сообществом мер по противодействию опасным изменениям климата, которая обусловлена сохраняющимися тенденциями глобального потепления, более глубоким пониманием существа и опасности происходящих процессов, а также медленными темпами декарбонизации мировой экономики.

Вопросы эффективности предлагаемых мер по предотвращению неприемлемого изменения климата (а таким считается повышение среднеглобальной температуры выше 2 °С по сравнению с доиндустриаль-ным периодом) постоянно находятся в центре внимания научного сообщества. В частности, в [1-5] было показано, что мероприятия ни Киотского протокола (1997 г.),

сч о сч

<

с;

о

СЦ <

Конференции сторон РКИКООН Цель Предложенные инструменты

58 Киото (1997 г.) Снижение темпов роста среднеглобальной температуры Обязательства группы 38 стран по ограничению эмиссии парниковых газов в период до 2008-2012 гг. Первые экономические механизмы международной кооперации в области снижения выбросов парниковых газов

Париж (2015 г.)

Глазго (2021 г.)

Ограничение роста среднеглобальной температуры 2 °С по сравнению с доиндустриальным периодом (1850— 1900 гг.) до конца текущего столетия

Ограничение глобального потепления в 1,5 °С по сравнению с доиндустриальным периодом

Принятие более чем 190 странами добровольных обязательств по снижению выбросов парниковых газов после 2020 г.

1. Обязательства большинства стран, включая все крупнейшие страны-эмитенты парниковых газов, достичь климатической нейтральности в период 2050-2070 гг.

2. Обязательства группы из 109 (в настоящее время уже150) стран снизить антропогенную эмиссию метана на 30% к 2030 г.

3. Обязательства 140 стран остановить утрату лесов к 2030 г. и в дальнейшем приступить к их восстановлению.

Таблица 1. Цели и предложенные инструменты трех ключевых конференций сторон РКИК ООН

гч о гч

<

с;

о

СЦ <

ни Парижского соглашения (2015 г.) даже при полном их осуществлении не в состоянии удержать глобальное потепление в пределах 2 °С, и лишь полное выполнение решений пакта Глазго (2021 г.) способно предотвратить повышение среднеглобальной температуры выше 1,5 °С (рис. 1).

В частности, заявленное в Глазго снижение выбросов метана (этот газ обладает потенциалом глобального потепления на вековом временном горизонте, в 25 раз превышающим показатель диоксида углерода, а также весьма небольшим периодом жизни в атмосфере в 9,1 года [7]), способно уменьшить повышение среднеглобальной температуры к 2100 г. на 0,3 °С по сравнению с базовым Парижским сценарием, что почти в два раза превышает эффект лесо-климатических мероприятий (рис. 1).

Около 80% всех парниковых выбросов в России приходится на энергетику, около 10% - на прочие промышленные процессы и примерно по 5% - на сельское хозяйство и обращение с отходами

Выбросы парниковых газов в России

Россия входит в десятку стран с максимальными значениями эмиссии парниковых газов (диоксид углерода, метан, закись азота и др.). Согласно данным Росгидромета (рис. 2), в 2020 г. доля диоксида углерода в суммарных выбросах парниковых газов составляла примерно 80% (1,6 млрд т, из которых примерно треть поглощалась наземными биосистемами, в первую очередь лесами), 15% приходилось на метан и 5% - на закись азота и прочие газы. Что касается источников, то 80% всех парниковых выбросов приходится энергетику (сжигание топлива, в т. ч. в промышленности и на транспорте, а также утечки в добывающих отраслях), около 10% - на промышленные процессы, не связанные со сжиганием топлива, и примерно по 5% - на сельское хозяйство и обращение с отходами.

Россия принимает активное участие в деятельности РКИК ООН, последовательно подписав и ратифицировав все ее основные документы (за исключением Глобального обязательства по метану 2021 г.). На федеральном уровне принят ряд стратегических документов, определяющих направления климатической политики нашей страны. К числу важнейших из них следует отнести:

сгт, °с

Киото ■ Париж Глазго (леса) ■ Глазго (метан) Глазго (энергопереход) ■ Глазго (полный)

Рис. 1. Изменения среднеглобальной температуры (в отклонениях от среднего значения за 1850-1900 гг.): модельные оценки по различным сценариям [1-5] и данные инструментальных измерений центра климатических исследований Университета Восточной Англии (CRU) [7]

Рис. 2. Структура выбросов парниковых газов в России в 2020 г. в пересчете на диоксид углерода1 (млн т С02-экв.) по компонентам (а) и по источникам (б) по данным Росгидромета [8]

а)

2500

прочие N20

сн4

С02

поглощение СО

отходы

сельское хозяйство промышленность энергетика землепользование

Пересчет ведется через переводные коэффициенты (С\А/Р100 - потенциал глобального потепления), показывающие насколько большее воздействие на тепловой радиационный баланс атмосферы (по сравнению с диоксидом углерода) оказывает одинаковое количество того или другого парникового газа на 100-летнем интервале времени [9].

млн т СО, /год

-1500

1990

2000

2010

2020

2030

2040

2050

Отходы Сельское хозяйство ■ Промышленные процессы ■ Энергетика Землепользование и лесное хозяйство Всего(с учетом землепользования и лесного хозяйства)

Рис. 3. Динамика выбросов и поглощения парниковых газов (в пересчете на диоксид углерода) из различных источников в России по целевому сценарию Стратегии низкоуглеродного развития

Источник: [12]

1. Климатическая доктрина Российской Федерации (утв. Распоряжением Президента РФ от 17.12.2009 г. № 861 -рп).

2. Указ Президента Российской Федерации от 04.11.2020 г. № ббб «О сокращении выбросов парниковых газов».

3. Федеральный закон от 02.07.2021 г. № 296-ФЗ «Об ограничении выбросов парниковых газов».

4. Стратегия социально-экономического развития России с низким уровнем выбросов парниковых газов до 2050 года (утв. Распоряжением Правительства РФ от 29.10.2021 г. № 3052-р) [12].

5. Федеральная научно-техническая программа в области экологического развития Российской Федерации и климатических изменений на 2021 -2030 гг. (утв. Постановлением Правительства РФ от 08.02.2022 г. №133).

Согласно этим документам, Россия планирует до 2030 г. не превысить 70-75%

от уровня выбросов парниковых газов в 1990 г., а к 2060 г. достичь углеродной нейтральности своей экономики (это означает, что суммарные выбросы парниковых газов будут равны суммарному их поглощению на территории страны биологическими и техногенными системами) (рис. 3).

Настоящая работа призвана ответить на вопрос, каков может оказаться вклад выбросов метана в достижении поставленных целей, какие мероприятия наиболее эффективны для снижения выбросов метана в экономике России и способны ли они обеспечить условия для присоединения нашей страны к Глобальному соглашению по метану (Глазго, 2021).

Эмиссия метана на территории России

Как было показано в [5], вслед за снижением выбросов углекислого газа при сжигании ископаемого топлива наиболее

эффективным инструментом уменьшения глобального парникового эффекта должны стать мероприятия по сокращению выбросов метана и увеличению площади лесов.

К сожалению, в отличие от эмиссии углерода при сжигании топлива расчеты выбросов метана представляют значительно более сложную задачу и не отличаются необходимой точностью. Как видно из рис. 4а, показывающего динамику выбросов СН4 на территории страны за последние 50 лет, эти оценки могут различаться в несколько раз. Инвентаризация метановых выбросов, проводившаяся в 1994-2021 гг. Росгидрометом, претерпела два существенных изменения. Смена методики расчетов в 2011 г. привела к увеличению оценок примерно в 1,5 раза, а модификация 2017 г. - к их снижению почти в два раза, причем основные изменения коснулись энергетических источников - шахтного метана и утечек из газопроводов (рис. 4б).

Выбросы метана в настоящее время можно оценить в 15-35 млн т ежегодно, т. е. примерно в 20-50 млрд м3, что составляет 5-12% от ежегодного потребления природного газа экономикой России. Это вполне соответствует среднемировому показателю в 9%. В мире разработаны

К сожалению, в отличие от эмиссии углерода, при сжигании топлива расчеты выбросов метана представляют значительно более сложную задачу и не отличаются необходимой точностью

и успешно применяются различные технологии улавливания и утилизации шахтного [18-22] и свалочного метана [23], а также производства биогаза из сельскохозяйственных отходов [25]. К сожалению, в России реализованы единичные проекты в этой области. Модернизация газотранспортной системы, использование технологий улавливания и утилизации шахтного метана и свалочного газа способны не только дать заметную экономию топлива, но и обеспечить существенный «климатический» эффект, поскольку парниковый эффект, вызываемый метаном, в 25 раз выше, чем у диоксида углерода [9].

с;

млн т СН4/год

Росгидромет (2011) ■ Росгидромет (2017) ■ Росгидромет (2022) ■ EDGAR 2021 WRI (2021) PIK ■ WRI (2021) CAIT

■ WRI (2021) UNFCCC

энергетика ■ с/х отходы ■ землепользование и л/х

Рис. 4. Суммарные выбросы метана на территории России в 1970-2020 гг. (а) и их структура в 2005 г. (б) по оценкам [8,14-17]

50 40

2005 2010

Австралия

Канада

1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025

Австралия

Канада

1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025

Австралия

Канада

Австралия

Канада

Рис. 5. Объемы использования (слева) и максимальная достигнутая доля утилизации (справа) угольного метана (а), свалочного газа (б) и биогаза из сельскохозяйственных отходов (в) в некоторых странах

гч о гч

Международные сравнения

На рис. 5 представлены данные об использовании угольного метана, свалочного и биогаза в некоторых странах - крупнейших эмитентов метана, а также максимальные достигнутые доли их утилизации (отношение использования к сумме использования и выбросов в атмосферу по данным РКИК).

Как видно из представленных данных, безусловными лидерами в использовании метансодержащих смесей во всех отрас-

лях экономики является США, в сфере использования биогаза - также и Евросоюз, в угольной отрасли заметных успехов добились Австралия, Канада и Китай.

При этом удалось достичь высоких показателей утилизации метана: в угольной отрасли - на уровне 20-35% для шахтного метана, в обращении с отходами - 30-45% для свалочного газа, в сельском хозяйстве - 65-85% биогаза, образующегося от отходов животноводства.

В результате в большинстве стран в период 1990-2020 гг. значительно снизились

<

О

СЦ <

а)

млрд м

30

20

10

0

1985

1990

1995

Китаи

ЕС

млрд м

б)

0

Китаи

ЕС

млрд м

в)

50

50

40

30

20

10

0

Китаи

ЕС

Китаи

ЕС

удельные показатели выбросов метана в основных отраслях-эмитентах (рис. б):

• в нефтегазовой промышленности -отнесенные к объему добычи (для стран-экспортеров газа) и потребления (для стран-импортеров) природного газа;

• в угольной отрасли - отнесенные к объему добычи угля;

• в сельском хозяйстве-отнесенные к объему производства животноводства;

• в обращении с отходами - приходящиеся на душу населения.

Для анализа были выбраны страны -крупнейшие производители топливных ресурсов и продукции животноводства: США, ЕС, Норвегия, Россия, Австралия, Турция, Украина, а также Япония.

Аномальным следует признать удельные выбросы угольного метана в Японии, что объясняется сохранением эмиссии из закрытых шахт при практически нулевой добыче угля, рост выбросов в газотранспортной системе Украины, связан-

ной со сложившейся экономической ситуацией в стране на фоне геополитического обострения, и рост удельных выбросов метана из отходов в России и на Украине, что вызвано еще не устоявшейся моделью потребления этих постсоветских государств.

Пути снижения эмиссии метана в России

Шахтный метан (современное состояние и перспективы). В настоящее время газоносные угольные месторождения следует рассматривать как углегазовые, что определяется значительными ресурсами метана, содержащегося в угленосных отложениях. По своему компонентному составу газ, содержащийся в угольных пластах на глубинах более 400 м, соответствует природному газу, в котором содержание метана составляет 95-99%, концентрация тяжелых углеводородов изменяется от долей до нескольких процентов, на водород, углекислый газ и инертные газы прихо-

Рис. 6. Удельные показатели эмиссии метана в энергетике (в нефтегазовой (а) и угольной (б) промышленности), сельском хозяйстве (в) и обращении с отходами (г) по данным иЫРССС, ВР, иы и РАО

кгСН, 60 50 40 30 20 10 0

кгСН,

30 -1-

/Э 20

II

1 10

■ 1 1.

1.11 1.1 т.: 1 ■.. 11 1. ■■

1990 2021 1990 2021 1990 2021 1990 2021 1990 2021 1990 2021 1990 2021 1992 9П91 1990 2021 1990 2021 1990 2021 = ■ 71 С 1990 2021 1990 2021 1990 2021 31 С 1 §

ЕС27 Кэнэдэ США Япония Австралия Новегия Турция Украина Россия Утечки в нефтегазовой промышленности - на 1000 м3 добычи (потребления) газа

ЕС27 Канада США Япония Австралия Новегия Турция Украина Р'оссия I Утечки при добыче угля - на тонну добычи угля

кгСН, 35 30 25 20 15 10 5 0

ТТ^ 4Ь

кгСН 60 50 40 30 20 10 0

г)

ЕС27 Канада США Япония Австралия Новегия Турция Украина Россия

ЕС27 Канада США Япония Австралия Новегия Турция

эаина Россия

Сельское хозяйство - на 10 тыс. долл. продукции животноводства

Обращение с отходами - на душу населения

дится до 1-2%. Следует отметить и практическое отсутствие вредных примесей, т. к. уголь представляет собой природный сорбент. Однако аэродинамическая связь ряда элементов дегазации с атмосферой горных выработок приводит к значительному падению и колебаниям концентрации метана в извлекаемом газе, что препятствует его эффективной утилизации. Поэтому с точки зрения газовой динамики наиболее перспективным следует признать утилизацию метана из ликвидированных шахт (старых выработанных пространств), где отсутствует влияние вентиляции. Добыча угля сопровождается выделением значительного количества метана, относительная газообильность которого по отрасли превысила 15 м3/т. При отработке высокогазоносных пластов Воркутского месторождения абсолютная метаноо-бильность шахт превышает 120 м3/мин, даже при отработке угольных пластов с газоносностью менее 10 м3/т при высоких нагрузках метанообильность достигает 50 м3/мин и более. Так, на шахте им. В. Д. Ялевского АО «СУЭК-Кузбасс» при относительной метанообильности несколько большей 5 м3/т, абсолютное значение метанообильности превышало 50 м3/мин, достигая 100 м3/мин. Именно поэтому неотъемлемым элементом технологии

угледобычи стала дегазация, обеспечивающая потенциальную возможность использования шахтного метана. Постоянное ухудшение горно-геологических условий отработки и развитие техники и технологии определяют тенденцию повышения мета-нообильности угледобычи, высокую актуальность проблемы метанобезопасности и, как следствие, увеличение потенциала шахтного метана.

На текущее положение и развитие данного направления большое влияние оказывает общая экономическая ситуация, и в первую очередь мировые цены на нефть и природный газ. Современный период следует рассматривать как

Росгидромет в 1994-2021 гг. проводил инвентаризацию выбросов метана. В итоге, в 2011 г.: смена методики расчетов привела к росту оценок в 1,5 раза, а модификация 2017 г. -к снижению в 2 раза

гч о гч

<

о

СЦ <

гч о гч

<

о

СЦ <

благоприятный для развития способов и средств его утилизации по причине роста требований к обеспечению комплексного освоения запасов недр и экологичности горного производства. Анализ опыта дегазации и утилизации шахтного метана показывает, что данные работы являются необходимой составляющей технологии разработки угольных месторождений не только с точки зрения безопасности, но и экономически окупающейся, особенно с учетом прироста добычи угля за счет снижения ограничения по газовому фактору. Метановоздушные смеси по концентрации могут быть разделены на три группы:

• 1 группа - смеси, извлекаемые средствами вентиляции, которые, как правило, имеют концентрацию 0,2-0,7%;

• 2 группа - смеси, извлекаемые средствами дегазации, с концентрацией от 1 до 25% (некондиционные по их взрывоопасности);

• 3 группа - смеси, извлекаемые средствами дегазации, с концентрацией свыше 25%.

В дополнительную группу можно выделить газ природного состава (более 95% метана), извлекаемый при добыче метана из угольных пластов или их заблаговременной дегазации.

В мировой практике наиболее эффективно утилизируются смеси третьей группы с концентрацией метана 25-40 и более процентов. Шахтный метан используют в промышленных масштабах уже более 50 лет. Современное состояние техники и технологии позволяет уже сейчас достаточно успешно решать вопросы использования метана. В развитых угледобывающих странах тем или иным способом утилизируется до 50% метана, извлекае-

Выбросы метана в России в настоящее время достигают более 15-35 млн т ежегодно или порядка 20-50 млрд м3, что составляет 5-12% от ежегодного потребления природного газа

Экскаватор угольной шахты Источник: Sopotniccy / depositphotos.com

мого средствами дегазации. В отдельных бассейнах доля используемого метана достигает 80% и более от каптируемого. В основном шахтный метан используется в качестве топлива в котельных, в ряде случаев его применяют для нагрева доменных, мартеновских печей, коксовых батарей и других целей. Каптируемый метан применяется также в качестве добавок в городские газовые сети и в качестве топлива для газовых турбин и двигателей внутреннего сгорания. В последние годы каптированный газ широко используется как топливо для дизельных двигателей (ДВС) генераторов переменного тока, однако стоимость электроэнергии при этом значительно выше, чем на крупных тепловых электростанциях. Основной параметр, определяющий возможные направления его использования - концентрация метана в каптируемом газе. Как моторное топливо он применяется редко из-за сложности поддержания высокого и стабильного содержания метана.

В этих условиях проведение комплексного освоения ресурсов угольных, точнее углегазовых месторождений на основе промышленного использования метана возможно при решении следующих задач: - разработка и использование способов извлечения метана из угольных пластов с обеспечением необходимого коэффициента эффективности дегазации;

- разработка способов и технических средств подготовки извлекаемого газа в соответствии с требованиями промышленных потребителей. Первая задача имеет длительную историю в теории и практике дегазации угольных шахт. Проведенный перспективный анализ способов дегазации показал, что с учетом ухудшения горно-геологических условий и роста нагрузки на очистной забой, к наиболее перспективным относятся способы, предусматривающие проведение воздействий на угольные пласты с целью повышения их проницаемости или использующие эффект разгрузки газоносного углепородного массива. Вторая задача не является традиционной для угольной промышленности, а учитывая относительно низкие дебиты газа, нестабильность компонентного состава и дебита, опыт газоподготовки газовой промышленности может быть использован в незначительном объеме. Хотелось бы подчеркнуть, что в области промышленного использования метана, извлекаемого при разработке угольных пластов, в странах СНГ (Россия, Казахстан и др.) образовался большой разрыв между практикой и полученными научными результатами. Проект РНФ, выполняемый в НИТУ МИСИС, ставит своей задачей сокращение этого разрыва.

Свалочный газ (современное состояние и перспективы). Свободное распространение биогаза приводит к загрязнению

Свалка на полигоне «Кучино» Московской области Источник: sergioz / depositphotos.com

По своему компонентному составу газ, содержащийся в угольных пластах на глубинах более 400 м, соответствует природному газу, в котором содержание метана составляет примерно 95-99%

атмосферы прилежащих территорий, токсичными и дурно пахнущими соединениями. Выделяемые свалками газы содержат огромное количество токсичных и вредных веществ, крайне опасных для здоровья и жизни людей. Добыча и утилизация биогаза на полигоне может решить экологические проблемы посредством предотвращения выбросов метана в атмосферу.

В зависимости от этапа жизненного цикла объекта захоронения отходов и факторов, влияющих на эмиссию свалочного газа, полигоны ТКО можно разделить на следующие группы:

- необорудованные (стихийные) свалки, закрытые к настоящему времени, т. е. находящиеся на пострекуль-тивационном этапе;

- необорудованные полигоны, на стадии эксплуатации или подлежащие рекультивации в ближайшее время;

- санитарные полигоны на стадии эксплуатации;

- санитарные полигоны на инвестиционном этапе (в стадии проектирования, строительства, ввода в эксплуатацию).

В Российской Федерации реализованных проектов по утилизации свалочного газа с использованием его энергетического потенциала очень мало. Среди наиболее известных можно выделить: полигон «Ядрово» Московской области площадью 10 га, производит 1400 м3/ч свалочного газа, который сжигается в факеле; полигон «Кучино» Московской области площадью 50 га производит 2500 м3/ч свалочного газа, который подаётся на теплоэлектростанции, а излишки сжигаются в факеле; полигон «Преображенка» Самарской области, площадь газосбора составляет 6000 м2, объёмы свалочного газа 245 м3/ч,

гч о гч

<

о

СЦ <

гч о гч

<

о

СЦ <

Общее число полигонов и учтённых свалок в России достигает 866, общее количество ежегодно размещаемых отходов - 122,4 млн м3, или 24,6 млн т, количество накопленных отходов - 354 млн т

который подаётся на теплоэлектростанции, а излишки сжигаются в факеле [17].

Главным критерием успеха реализации проекта по созданию системы сбора и утилизации биогаза, является предварительная оценка потенциала газообразования на полигоне. От качества проведённой оценки напрямую зависят техническая реализация проекта и его экономические показатели.

С целью оценки метанового потенциала полигонов и свалок ТКО в России была выполнена их инвентаризация и создана база данных, включающая следующую информацию: наименование, местоположение, год начала эксплуатации, год закрытия или планируемого закрытия, размеры (площадь, высота или глубина), наличие/ отсутствие природоохранных сооружений, объём и масса ежегодно размещаемых отходов, объём и масса накопленных отходов, владелец и его контактная информация, расчётная оценка количества образующегося свалочного газа и метана. Информация получена из официальных источников, включая региональные управления Росприроднадзора, Ростехнадзора, департаменты природопользования при областных администрациях, комитеты охраны окружающей среды при местных администрациях, а также в результате опроса владельцев свалок и анализа опубликованной информации.

Общее число полигонов и учтённых свалок - 866, общее количество ежегодно размещаемых отходов - 122,4 млн м3, или 24,6 млн т, количество накопленных отходов - 354 млн т.

На основании собранной информации выполнено ранжирование свалок по площади, количеству поступающих и количеству накопленных отходов. В результате

ранжирования выявлены крупные свалки, наиболее подходящие для реализации проектов по извлечению метана.

Результаты расчётов показали, что общий объём свалочного газа на полигонах и учтённых свалках составил 1715 млн м3 в год, содержащегося в нем метана -858 млн м3 в год. На 118 учтённых свалках (14% общего числа) образуется 75% метана. Наибольшие объёмы метана (9-30 млн м3 в год, или 1027-3424 м3/ч) образуются на 19 самых крупных свалках с объёмом поступающих отходов более 250 тыс. т.

Известно, что метан экономически целесообразно использовать в качестве энергоносителя для получения тепловой и/или электрической энергии при его образовании в количестве 600-800 м3/ч. Установлено, что такой потенциал имеют 34 свалки [19].

Проведённый анализ показал, что российские свалки обладают значительным потенциалом метана. В последние годы в России появилась тенденция закрытия старых свалок и открытия новых полигонов, выполненных по проекту. В связи с этим целесообразно организовать извлечение метана на закрывающихся свалках и начать проектирование систем дегазации на новых полигонах.

Строительство полигонов ТКО ведется преимущественно по проектам, разработанным на основе устаревшей нормативной базы и не обеспечивающим экологическую безопасность полигона, в том числе

АО «Новомосковская акционерная компания Азот» Источник: Бионышева Елена /sdelanounas.ru

сбор и очистку фильтрата, дегазацию тела полигона и утилизацию биогаза. В связи с этим необходимо ориентироваться на оптимизацию использования ресурсного потенциала биогаза.

В проблеме оптимизации использования биогаза полигона ТКО выделяются несколько взаимосвязанных задач, в том числе:

• наиболее полный отбор БГ (в % от его генерации) с целью утилизации;

• наиболее эффективное преобразование собранного БГ в энергию;

• оптимальное использование потенциальной мощности ГЭУ;

• обеспечение экономической эффективности утилизации БГ

Приемы, способствующие решению задачи наиболее полного отбора БГ:

1) технологические, направленные на максимизацию удельного газового потенциала на единицу площади:

- формирование тела полигона небольшими по площади секциями на максимально возможную высоту с обеспечением темпов наращивания по высоте более 2 м в год;

- применение тяжелой уплотни-тельной техники с достижением плотности укладки 1000 кг/м3.

2) технологические, направленные на минимизацию потерь биогаза с его эмиссией через поверхность массива отходов:

- применение для устройства промежуточной пересыпки и верхнего защитного покрытия грунтов или иных материалов с низкой проницаемостью;

- возможно более раннее (до окончания заполнения секции)начало отбора БГ;

- выбор оптимальной схемы газового дренажа (вертикальный или горизонтальный);

- оптимизация размещения газодренажных скважин по площади на основе расчета газового дренажа.

3) технические решения - использование газодренажных скважин восстающего типа и дренажной системы фильтрата в основании полигона для отбора на утилизацию БГ с начала его образования.

Сценарии эмиссии метана в экономике России

На рис.7 представлена историческая динамика базовых показателей развития основных отраслей - источников выбросов метана в атмосферу, а также сценарии их развития на период до 2060 г., сформированных по последним стратегическим документам.

Последние годы, наполненные важными геополитическими событиями, существенно повысили неопределенность путей развития отечественной экономики. В результате наблюдается широкий спектр оценок будущей динамики различных показателей - от численности населения до объемов производства топливно-энергетических ресурсов.

Завод «Щекиноазот» Источник: rupec.ru

По результатам анализа стратегических программ развития энергетики [12, 26] и сельского хозяйства [27], а также различных демографических прогнозов ООН [28] и Росстата [29] были сформированы два предельных сценария динамики основных показателей, определяющих выбросы метана в экономике России. Их источники представлены в таблице 2, а динамика самих показателей - на рис. 7.

На основе анализа приведенной выше международной информации были сформированы следующие группы мероприятий по снижению выбросов метана на территории России и их целевые показатели:

гч о гч

<

о

СЦ <

■ Энергостратегия-2035 (2019) нижний ■ Энергостратегия-2035 (2019) верхний ■ ИНЭИ (2022) базовый GEPL инерционный ВР (2023)

продукция животноводства в) численность населения г)

■ Стратегия АПК-2030 (2022) целевой ■ Стратегия АПК-2030 (2022) базовый ■ GEPLинерционный I FAO (2023) ■ Росстат (2020) средний ■ Росстат (2020) высокий ■ Росстат (2020) низкий ■ UN WPP (2022) ■ Щ (2022)

Рис. 7. Сценарии изменения показателей развития газовой (а) и угольной (б) отраслей энергетики, животноводства (в) и обращения с отходами (г), в % от уровня 2020 г.

гч о гч

<

о

СЦ <

• утилизация 15% шахтного метана («уголь 15%»);

• утилизация 25% свалочного газа («отходы 25%»);

• утилизация 35% биогаза от отходов сельского хозяйства («био 35%»).

Интенсификация экологической эффективности газовой промышленности России в настоящей работе не рассматривается, так как ее официальные показатели удельных выбросов (менее 5% добываемого природного газа) на порядок ниже, чем в других крупнейших газодобывающих странах (Норвегия, США) [30].

В зависимости от принятых сценариев развития основных отраслей - эмитентов

метана, источники данных для которых приведены в таблице 2, были рассчитаны объемы выбросов этого парникового газа в 2020-2060 гг.

На рис. 8 показана эволюция удельных выбросов метана из различных источников для инерционного (сохраняющего тенденции последних десятилетий) и интенсивного (предполагающего реализацию дополнительных мероприятий по утилизации метановых выбросов) экологических сценариев.

На рис. 9 и в таблице 3 приведено сравнение возможных объемов сокращения выбросов метана за счет реализации меро-

Таблица 2. Источники «низкого» и «высокого» сценариев развития отраслей - основных эмитентов метана

Сценарий/ отрасль Население Животноводство Добыча газа Добыча угля

Низкий UN (2022) т^ит АПК-2030 (2022) базовый ИНЭИ (2022) базовый ИНЭИ (2022) базовый

Высокий Росстат (2021) средний АПК-2030 (2022) целевой ЭСР-2035 (2019) нижний ЭСР-2035 (2019) нижний

Сценарии Ед. 2020 2030 2040 2050 2060

отраслей утилизации метана

низкий инерционный млн т 11,8 9,4 8,4 7,1 6,1

% к 2020 г. 100% 79% 71% 60% 51%

интенсивный млн т 11,8 8,9 7,5 5,9 4,7

% к 2020 г. 100% 75% 64% 50% 39%

высокий инерционный млн т 11,8 11,6 11,3 9 7,6

% к 2020 г. 100% 98% 96% 76% 64%

интенсивный млн т 11,8 11,1 10,2 7,6 5,8

% к 2020 г.

100%

94%

3%

64%

49%

Таблица 3. Суммарные выбросы метана (без ЗИЗЛХ) на территории России в 2020-2060 гг. по инерционному и интенсивному сценариям

приятий для этих групп. По инерционному сценарию суммарное снижение составит около 2 млн т СН4 или 50 млн т С02-экв./ год, утилизация метана угольных шахт, полигонов ТКО и сельскохозяйственных отходов обеспечит дополнительное эквивалентное уменьшение выбросов этого парникового газа в масштабе примерно 25 млн т С02-экв./год.

Как видно из данных в таблице 3, для обоих сценариев развития рассматриваемых отраслей отечественной экономики ни в инерционном, ни даже в интенсивном экологических сценариях у России нет возможностей снизить к 2030 г. выбросы метана на 30% по сравнению с уровнем 2020 г., т. е. выполнить условие, заданное Глобальным соглашением по метану.

При благоприятных вариантах развития экономики в зависимости от экологического сценария оно выполняется лишь к 2045 или 2055 гг., а при реализации депрессивных вариантов - к 2035 и 2040 гг.

Выводы

1. Коммунальные и сельскохозяйственные отходы становятся в России главными источниками поступления метана в атмосферу, опережая энергетический сектор.

2. Россия не располагает реальными возможностями присоединиться к Глобальному соглашению по метану.

3. Для России приоритетными направлениями снижения выбросов парниковых газов могут быть комплекс-

Рис. 8. Выбросы метана из основных антропогенных источников на территории России по инерционному и интенсивному сценариям (а - удельные показатели; б - валовые)

факт низкий высокий

2020 2030

утечки в нефтегазовом секторе, на млн м3 добычи газа I утечки в угольной промышленности, на тыс. т добычи угля обращение с отходами, на тыс. чел. населения сельское хозяйство, на тыс. долл. продукции животноводства

с/х I отходы

уголь I нефтегаз

млн т

70

60

50

40

30

20

10

нефтегаз

уголь

интенсивный

отходы инерционный

с/х

Рис. 9. Снижение выбросов метана к 2060 г. (относительно уровня 2020 г.) за счет ожидаемых мероприятий в различных отраслях в инерционном и интенсивном сценариях

- Использованные источники -

сч о сч

<

о

СЦ <

Клименко В.В., Безносова Д.С., Терешин А.Г. Есть ли будущее уКиотского протокола?//Теплоэнергетика. 2006. №5. С. 2-9. Rogelj J., Nabel J., Chen C., Hare W., Markmann K., Meinshausen M. Schaeffer M., Macey K., Höhne N. Copenhagen Accord pledges are paltry//Nature. 2010. Vol. 464. No. 7292. P. 1126-1128. Клименко В.В., Микушина О.В., Терешин А.Г. Парижская конференция по климату - поворотный пункт в истории мировой энергетики // Доклады Академии наук. 2016. Т. 468, № 5. С. 521-524. DO!: 10.7868/S0869565216170102 Клименко В.В., Клименко А.В., Микушина О.В., Терешин А.Г. Избежать потепления на 2°C - миссия невыполнима // Теплоэнергетика. 2016. № 9. С. 3-8. DO!: 10.1134/S0040363616090022 Клименко В.В., Микушина О.В., Терешин А.Г. Глазго-2021: трудная дорога к цели в 1.5°С // Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки. 2022. Т. 505. С. 50-56. DO!: 10.31857/S2686740022040046

Climate Change 2021. The Physical Science Basis.Contribution of Working Group ! to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change / Masson-Delmotte, V., P. Zhai, A. Pirani, S.L. Connors, C. Pean, S. Berger, N. Caud, Y. Chen, L. Goldfarb, M.!. Gomis, M. Huang, K. Leitzell, E. Lonnoy, J.B.R. Matthews, T.K. Maycock, T. Watefield, O. Yelekgi, R. Yu, and B. Zhou (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA. DO!:10. 1017/9781009157896. Центр климатических исследований Университета Восточной Англии (CRU). - URL: http://www.cru.uea.ac.uk/cru/data/ temperature/ (дата обращения 01.12.2022). Национальный доклад о кадастре антропогенных выбросов

из источников и абсорбции поглотителями парниковых газов, не регулируемых Монреальским протоколом, за 1990-2021 гг. (ч.1) М.: Росгидромет, 2023.

9. Climate Change 2013. The Physical Science Basis. Contribution of Working Group 1 to the Fifth Assesssment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change / Edited by T. F. Stocker, D. Qin, G.-K. Plattner, M. M. B. Tignor, S. K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex, P. M. Midgley. Cambridge, UK and New York, NY, USA: Cambridge University Press, 2013.

10. Клименко В.В., Клименко А.В., Терешин А.Г. От Рио до Парижа через Киото: как усилия по охране глобального климата влияют на развитие мировой энергетики //Теплоэнергетика. 2019. № 11. С. 5-15. DOI: 10.1134/S004036361911002X

11. BP Statistical Review of World Energy 2023. London: BP p.l.c., 2023. 58 p.

12. Энергетическая стратегия России на период до 2035 г. Утв. Расп. Правительства РФ от 9 июня 2020 г. № 1523-р.

13. Стратегия социально-экономического развития Российской Федерации с низким уровнем выбросов парниковых газов до 2050 года. Утв. Расп. Правительства РФ от 29 октября 2021 г. № 3052-р.

14. Национальный доклад о кадастре антропогенных выбросов из источников и абсорбции поглотителями парниковых газов, не регулируемых Монреальским протоколом, за 1990-2009 гг. (ч. 1) / Научн. рук. Израэль Ю.А. М.: Росгидромет, 2011.

15. Национальный доклад о кадастре антропогенных выбросов из источников и абсорбции поглотителями парниковых газов, не регулируемых Монреальским протоколом, за 1990-2015

0

Строительство полигонов ведется по проектам, разработанным на основе устаревшей нормативной базы и не обеспечивающим экологическую безопасность, в том числе дегазацию и утилизацию биогаза

ные мероприятия, климатический эффект которых сопровождается расширением топливной базы отечественной энергетики, экономией природных ресурсов, ростом промышленной безопасности и повышением качества окружающей среды: использование технологий улавливания и утилизации шахтного метана и свалочного газа, производство биогаза из отходов сельского хозяйства.

Работа выполнена в НИТУ «МИСИС» при поддержке Российского научного фонда (проект № 23-19-00398). В работе использованы данные Федеральной службы по гидрометеорологическому мониторингу (Росгидромет, www.meteo.ru), Статистической службы ООН (UN, https://data.un.org/), Рамочной конвенции ООН по изменениям климата (РКИК ООН, https://unfccc.int/), компании British Petroleum (BP, https://www. bp.com), базы данных для глобальных исследований атмосферы Европейской Комиссии EDGAR (https://edgar.jrc.ec.europa.eu), Информационно-аналитического центра по диоксиду углерода США (CDIAC, http://cdi-ac.ornl.gov), МГЭИК (http://www.ipcc.ch), Национальной службы по атмосфере и океану США (NOAA/ESRL, ftp://aftp.cmdl.noaa.gov/ products/trends/), Центра климатических исследований Университета Восточной Англии (CRU, http://www.cru.uea.ac.uk/cru/data/ temperature/), Организации ООН по лесному и сельскому хозяйству (FAO, http://www. fao. org/faostat/en/#data), базы данных по эмиссии парниковых газов Института мировых ресурсов (CAIT, https://www.wri.org/data/cait-climate-data-explorer).

с;

гг. (ч. 1) М.: Росгидромет, 2017.

16. Emissions Database for Global Atmospheric Research (EDGAR), release EDGAR v6.0_GHG (1970-2018) of May 2021. European Commission, Joint Research Centre (EC-JRC)/Netherlands Environmental Assessment Agency (PBL). - URL: https://edgar. jrc.ec.europa.eu

17. CAIT Climate Data Explorer. Washington, DC: World Resources Institute, 2022.

18. Мазаник Е.В., Могилева Е.М., Коликов К.С. Использование шахтного метана: современное состояние, задачи и перспективы развития // Горная промышленность. 2014. № 1 (113). С. 59-64.

19. Харионовский А.А., Данилова М.Ю. Использование угольного метана - важный фактор производственной и экологической безопасности угольных шахт (обзор) // Экология промышленного производства. 2018. № 1 (101). С. 60-70.

20. Поздеев Е.Э., Комиссаров И.А. Международный опыт утилизации и перспективы использования дегазационного метана в условиях АО «СУЭК-Кузбасс» // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. 2021. № 3 (123). С. 61-65.

21. Забурдяев В.С. Способы и параметры интенсивного извлечения метана из угольных пластов // Безопасность труда в промышленности. 2020. № 9. С. 13-17. DOI: 10.24000/04092961-2020-9-13-17

22. Архипов И.А. Анализ технологий извлечения метана угольных пластов //Горный информационно-аналитический бюллетень. 2020. № 6-1. С. 204-211. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-610-204-211.

23. Нефедьев Н.Б. Организационно-методические вопросы оценки количеств парниковых газов на российских полигонах ТБО // Коммерческое использование свалочного газа: Матер. 5-го Междунар. контр. «Вэйстэк-2007». Москва, 28-29 мая 2007 г.

24. Вострецов С.П. Оптимизация использования биогаза полигонов ТКО // Твердые бытовые отходы. 2017. № 9 (135). С. 42-45.

25. Апажев А.К., Шекихачев Ю.А. Инновационные технологии и техника утилизации отходов животноводства // Известия Кабардино-Балкарского государственного аграрного университета им. В.М. Кокова. 2021. № 3 (33). С. 79-83.

26. Исследование направлений и системы мер по управлению посткризисным восстановлением энергетики России. Отчет о НИР. М.: ИНЭИ РАН, 2022.

27. Стратегия развития агропромышленного и рыбохозяй-ственного комплексов до 2030 года (утв. Расп. Правительства РФ от 8 сентября 2022 года №2567-р).

28. World Population Prospects 2022. New York: United Nations, Department of Economic and Social Affairs, Population Division, 2022.

29. Предположительная численность населения Российской Федерации до 2035 года. М.: Росстат, 2021.

30. Аксютин О.Е., Ишков А.Г, Романов К.В., Недзвецкий М.Ю., Эдер Л.В., Пыстина Н.Б., Косолапова Е.В. Устойчивое развитие ПАО «Газпром» в условиях низкоуглеродной трансформации мировой экономики // Наука и техника в газовой промышленности. 2021 № 3. С. 5-14.

сч о сч

<

с;

о

СЦ <