Экологические последствия использования природного газа в городских системах газоснабжения

Общепринятая стратегия развития углеродного сектора энергетики в целом и предприятий газовой промышленности в частности, определяемая с позиций экономики рационального природопользования, формулируется как решение триединой задачи [34,35]: устойчивого развития, энерго-газосбережения и охраны окружающей среды.

При составлении глобальных прогнозов необходимо учитывать, что, помимо техногенного, существуют и природные, значительно более мощные источники парниковых газов - эндогенные флюиды: водород, метан, азот. Геологами показана их решающая роль в планетарном балансе. Главными каналами дегазации Земли, через которые растворенные во внешнем ядре газы выходят на дневную и морскую поверхность, являются рифовые зоны - грандиозные расколы, сливающиеся в единую мировую систему [36,37].

Мировая газовая промышленность в течение многих лет изучала развитие научных представлений об изменении климата и связанной с этим политики. Международный газовый союз, Еврогаз, национальные организации и отдельные компании принимали участие в сборе имеющих отношение к этому вопросу данных и информации и тем самым вносили свой вклад в эти исследования. И хотя все еще существует много неопределенностей относительно точной оценки возможного воздействия газов, создающих парниковый эффект, уместно применить принцип превентивности и обеспечить проведение экономически эффективных мероприятий по сокращению выбросов.

Так, составление кадастров выбросов и внедрение технологии их уменьшения помогли сосредоточить внимание на мероприятиях по контролю и снижению выбросов газов, создающих парниковый эффект.

Предприятия газовой промышленности являются одним из источников эмиссии парниковых газов. Сложилось устойчивое представление о том, что причиной глобального потепления климата является техногенная эмиссия парниковых газов - СО, СН, N0 и хлорфторуглеводородов - фреон-11 СРСЬ и фреон -12 СРСЬ. В последние 20 лет установлено, что объемы их выбросов в атмосферу растут экспоненциально, многократно увеличивая парниковый эффект, вызывая глобальное потепление климата и угрожая озоновому слою (таблица 1.2) [36,37].

Как видно из представленной таблицы, газы, имеющие наиболее важное значение, т.е. те, концентрации которых значительно возросли с начала промышленной активности, это диоксид углерода (углекислый газ - С0₂), метан (СН₄) и оксид азота (Ы20).

Таблица 1.2. Потенциал воздействия основных
парниковых газов во времени

С этой точки зрения, представляют интерес фактические данные по выбросам загрязняющих веществ в атмосферу объектами газовой промышленности, в первую очередь, по эмиссии парниковых газов в сравнении с глобальными потоками парниковых газов техногенной и естественной природы (таблица 1.3.) [38,39].

Таблица 1.3. Сравнительная оценка техногенной
эмиссии парниковых газов (млн.т)

В целях защиты климатической системы от опасного антропогенного воздействия государства - члены ООН подписали в 1992 г. Рамочную Конвенцию ООН об изменении климата, которую Россия ратифицировала в 1994 г.

Если говорить о перечне загрязняющих веществ, то негативное воздействие предприятий газовой промышленности обусловлено, главным образом, выбросами в атмосферу углекислого газа и метана.

Источники диоксида углерода могут быть с достаточной уверенностью выражены количественно. Одним из наиболее значительных источников роста концентрации С0₂ в атмосфере является сгорание газообразного топлива, которое обусловливает 75-90% всех антропогенных выбросов диоксида углерода. При этом природный газ является наиболее экологически безопасным видом топлива, производит меньше СО₂ на единицу энергии, поставляемой потребителю, чем другие виды ископаемых топлив. Природный газ генерирует меньше С0₂ при том же количестве вырабатываемой для снабжения энергии, чем уголь или нефть, поскольку он содержит больше водорода по отношению к углероду, чем другие виды топлива. Благодаря своей химической структуре газ производит на 40% меньше диоксида углерода, чем антрацит [1,2,3].

Выбросы СО₂ в атмосферу при сжигании ископаемого топлива зависят не только от вида топлива, но от того, насколько эффективно оно используется. Газообразное топливо обычно сжигается легче и эффективнее, чем уголь или нефть. Утилизация сбросной теплоты от отходящих газов в случае природного газа осуществляется также проще, так как топочный газ не загрязнен твердыми частицами или агрессивными соединениями серы [2,3].

Второй по вкладу в парниковый эффект газ - метан. В настоящее время установлено, что негативное воздействие метана на биосферу в 20-25 раз сильнее воздействия углекислого газа. Для одиночной молекулы его эффект больше, чем у диоксида углерода, благодаря широкому инфракрасному спектру. Причем по данным многолетних наблюдений, концентрация метана увеличивается в атмосфере со значительно большим темпом, чем концентрация углекислого газа [35,36,37,38,39].

Для анализа эмиссии метана нужны количественные характеристики газовых потоков. Однако в литературе они весьма малочисленны и противоречивы. Известно, что общее содержание метана в атмосфере Земли около 5000 млн.т. Пребывание молекулы метана в атмосфере оцениваются продолжительностью от одного года до пяти лет, следовательно, ежегодное поступление метана в атмосферу составляет от 1000 до 5000 млн. т/год. Ежегодный поток биогенного метана составляет по различным оценкам от 375 до 980 млн. т/год. Величина потока эндогенного метана оценивается в 4500 млн. т/год [37,38,39].

Валовые выбросы метана возрастают, что объясняется не столько увеличением фактической массы выбросов, сколько ужесточением методов контроля за выбросами. По этой же причине несколько возрастают и выбросы оксидов углерода. Сокращение выбросов оксидов азота связано с реконструкцией и модернизацией ГПА компрессорных станций [20,21,22].

Инвентаризация антропогенных эмиссий парниковых газов Межведомственной комиссией РФ по проблемам изменения климата рассчитывается исходя из объемов добычи, транспортировки и переработки газа и газового конденсата, а также коэффициентов удельной эмиссии, рекомендованных к использованию Межправительственной группой экспертов по изменениям климата (МГЭИК). Согласно приведенным данным, эмиссия метана объектами газовой промышленности, рассчитанная по методике МГЭИК, на порядок превышала фактическую массу выбросов метана в атмосферу, определенную по данным государственной статической отчетности [6,7,8,9,10]. Следует отметить, что добыча газа и объемы его использования за рассматриваемый период оставалась примерно на одном и том же уровне.

Кроме того, существует так называемый балансовый метод определения эмиссий метана газовой промышленностью, основанный на учете разности меду объемом добычи газа и объемом потребления природного газа на конце газопровода. При этом потери из года в год колеблются от 1,03 до 1,54 % и в среднем составляют 1,3% от добычи природного газа. Таким образом, эмиссия метана объектами газовой промышленности РФ в различных источниках оценивается от 1,5 до 1,6 млн. т/год. При этом доля газовой промышленности в глобальной эмиссии метана составляет от 0,03 до 0,32% [7,8,9].

Таким образом, в связи с проблемой глобального потепления климата возникла необходимость учета выбросов (эмиссии) метана и диоксида углерода, которые из-за нетоксичности до настоящего времени статистикой не учитывались. Показатель фактической эмиссии метана становится дополнительной составляющей в оценках его негативного воздействия на окружающую среду.

Говоря о фактической добыче газа, важно обратить внимание на степень утилизации добываемого природного газа, значительная часть которого не находит потребителя. Теоретические расчеты показывают, что при утечках метана порядка 11-12% эффект от использования природного газа в качестве экологически безопасного топлива пропадает [9,10].

В силу этого, показатель валовой добычи, характеризующий общее количество добытого газа, дополняется понятием товарной добычи, определяемой фактическим объемом природного газа, поступившего в систему магистрального газопровода, и исключающей попутный газ, использованный для интенсификации нефтедобычи, сожженный в факелах или попросту выпущенный в атмосферу, а также потери свободного и попутного газов в процессе сбора и подготовки к перекачке по магистральному трубопроводу. Отношение величины товарной добычи к объему валовой добычи газа, характеризующее товарность осуществляемых газопромысловых работ, называют коэффициентом утилизации добытого газа.

Несмотря на постепенное увеличение доли товарной добычи в общем объеме природного газа, добываемого в мире (с 68% в 1950 до 74% в 1960 и 80-88 % с начала 2000-х годов), степень утилизации извлекаемого газа все еще остается сравнительно низкой (не более 45%) вследствие значительной удаленности районов добычи газа от важнейших центров потребления газообразного топлива и сложностей доставки добытого газа потенциальным потребителям [10,11,12].

Однако анализ результатов сравнительной оценки показывает, что понятие «текущие потери», используемое при этом, может быть учтено только в качестве «метановых эмиссий», т.е. той части объема транспортируемого газа, которая по различным причинам мигрирует в атмосферу и составляет только часть транспортных потерь газа. Это очень важное замечание, поскольку не все транспортные потери газа, определяемые балансовой разницей между объемом поступившего в газопровод и объемом проданного потребителю, т.е. товарного газа, попадают в атмосферу без сжигания.

Отечественные газораспределяющие предприятия, согласно принятой практики, а также из-за отсутствия инструментальных средств мониторинга, в статье статистической отчетности «потери» отражают, как правило, нормативную величину, а часть метановой эмиссии (технологические продувки и т.п.), следовательно, попадает в статью расхода газа на «собственные нужды» [11,12].

Таким образом, транспортные потери отечественных газорас- пределяющих предприятий составляют около 10% от товарной добычи, а эмиссионный фактор метана остается пока неопределенным, равно как и для газораспределительных сетей (ГРС), а также непосредственно у потребителей этой продукции [11,12].

В связи с этим представляют интерес данные по эмиссии метана за рубежом. В частности, аналогичные исследования на объектах газовой промышленности в конце 90-ых годов были выполнены американскими исследователями по контракту с Федеральным агентством защиты окружающей среды США. Согласно полученным данным, суммарная годовая эмиссия метана по газовой индустрии США (в качестве базового года выбран 1992 г.) составила 1,4 + 0,5 % от валовой добычи газа в стране, или более 8,8 млрд. м³/год.

Качественные различия и специфика инфраструктур газовой промышленности США и России не позволяют даже в порядке предварительных оценок механически переносить удельные показатели этих данных на российские объекты газовой промышленности. В то же время представляется целесообразным сопоставить статистически выверенные оценки американских исследователей с доступными экспертными оценками по соответствующим технологическим сегментам газовой промышленности России (таблица 1.4).

Для уточнения количественной оценки потенциальных источников метановых эмиссий на российских объектах газовой промышленности в настоящее время реализуется международная программа «Проект снижения выбросов газов при производстве и потреблении метана в России». Проект, общая стоимость которого составляет 3,7 млн. долл., предусматривает определение суммарных объемов эмиссий по всей технологической цепи следования газа - от скважины до потребителя. Часть стоимости проекта (0,5 млн. долл.) компенсируется за счет аналогичных работ, проводимых РАО «Газпром».

Таблица 1.4. Распределение суммарной эмиссии метана по основным технологическим сегментам в газовой промышленности США и экспертные оценки по газовой промышленности России

Одним из важных показателей экологической ситуации является уровень загрязнения объектов окружающей среды соединениями группы полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), в частности бенз(а)пиреном (БП), вследствие его высокой канцерогенной и генотоксичной активности.

Источниками образования ПАУ (БП) в системах газоснабжения застроенных территорий и предприятиях - потребителях газа являются факельные установки, котельные, печи дожига, газоперекачивающие агрегаты и другое оборудование [3,4,5]. Кроме собственных источников отрасли дополнительную эмиссию БП традиционно создают автотранспортные и промышленные предприятия, находящиеся в непосредственной близости.

Таким образом, целью развития рынка газа является создание условий для устойчивого функционирования и развития экономики страны и социальной сферы, повышение эффективности добычи, транспорта, хранения и потребления газа, обеспечение надежного и экологически безопасного газоснабжения платежеспособных потребителей и развитие газификации в России.