оценка роли ядерной энергетики в снижение загрязнения

Техническая секция
ОЦЕНКА РОЛИ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ В СНИЖЕНИЕ
ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ ХИМИЧЕСКИМИ ВЕЩЕСТВАМИ И
ПАРНИКОВЫМИ ГАЗАМИ.
В.И.Усанов,
канд техн. наук, начальник лаборатории
Е.С.Колесникова,
инженер,
Государственный научный центр –Физико-энергетический институт, г. Обнинск, Россия
Снижение атмосферных выбросов для уменьшения загрязнения атмосферы рассматривается
как важное направление экологической политики в рамках новой Энергетической Стратегии
России, но при этом необходимо дальнейшее снижение основных выбросов, загрязняющих
воздух, до 2010 года в условиях последующего роста производства. Стратегия показывает,
что при недостаточных инвестициях в энергетическую промышленность неоправданно
надеяться на быстрое и радикальное восстановление производственной базы технологий,
основанных на технологии сжигания ископаемого топлива. Поскольку вариант замены
старых ТЭС, работающих на угле на ТЭС на газе почти исчерпал свой лимит, то с этой точки
зрения ядерная энергетика оказывается достаточно эффективной, и остается пока
уникальной технологией для снижения загрязнения воздуха.
По одному из прогнозов развития ядерной энергетики можно ожидать, что её роль в
снижении загрязнения воздуха, а, особенно, в снижении выброса парниковых газов в
будущем возрастет. В то же время в случае долговременной остановки на уровне 12% в
области производства электроэнергии ядерная энергетика может потерять ведущую роль в
снижении загрязнения воздуха из-за того, что другие технологии будут улучшать
характеристики выбросов загрязняющих веществ в воздух. Таким образом неотложной
задачей для будущего развития ядерной энергетики является увеличение её доли в
суммарном производстве электроэнергии в России и обеспечение устойчивых улучшений в
характеристиках химических выбросов для самого топливного цикла.
ВВЕДЕНИЕ
Производство электроэнергии является источником наибольшего потребления природных
ресурсов и наибольшим источником отходов. Сейчас в странах с демократическим строем
общественное мнение стало играть весомую роль при выборе энергоисточника. К
сожалению, в конце восьмидесятых годов ядерная энергетика России потеряла как
поддержку общества, так и устоявшуюся поддержку правительства, поэтому сейчас
необходима, прежде всего, очевидность устойчивого безопасного управления АЭС и других
установок топливного цикла. Принцип коэволюции с природой, бесспорно, один из наиболее
актуальных и перспективных на пороге третьего тысячелетия, и если его реализация получит
политическую и экономическую поддержку, то способность ядерной энергетики сберечь
ресурсы биосферы может оказаться более важной, чем традиционные аргументы по
сохранению топливных ресурсов.
С этой точки зрения пути снижения атмосферных выбросов являются принципиально
важными, ввиду глобального и местного характера атмосферного загрязнения. Роль ядерной
энергетики в снижении загрязнения воздуха не кажется очевидной и неоспоримой, но
возможности ядерной энергетики надо использовать вместе с другими методами снижения
загрязнения. В данном докладе показано, что для условий России использование ядерной
Диснай 2000
Техническая секция
энергетики представляет из себя наиболее реальный и эффективный путь для уменьшения
загрязнения воздуха.
1. ОСНОВНЫЕ
ПРИНЦИПЫ
ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СТРАТЕГИИ РОССИИ.
ПОЛИТИКИ
В
Резкий спад промышленного производства, и, соответственно, выбросов в воздух, (рис.1) [2],
в наиболее острый период национального экономического кризиса (1990-1995)
способствовал улучшению экологической ситуации в России, но, конечно, не решению
никаких фундаментальных проблем техногенного воздействия на окружающую среду. В
течении последних десятилетий количество атмосферных выбросов от энергетических
источников уменьшалось год от года, но даже при постоянной скорости снижения уровня
выбросов, в случае экономического роста в будущем можно ожидать ухудшение
экологической ситуации почти так же, как и в начале девяностых. Такие прогнозы,
несомненно, представляет собой важную проблему, обеспечивающую необратимость
положительных экологических изменений, чем бы они ни были вызваны.
Таким образом, вне зависимости от того, есть ли кризис или нет, производство энергии
остается ключевым объектом для решения большинства острых экологических проблем.
Стимулирование социально-экономического восстановления России без возврата к
ухудшению экологической ситуации является одной из главных целей новой энергетической
стратегии России, которая начала развиваться в 1994 году и была одобрена Правительством
Российской Федерации [2]. Формулировка смысла экологической стратегии основана на
принципах наиболее эффективного использования природных ресурсов, минимизация
отходов при этом была характерной особенностью стратегии.
Научный и технический прогресс в энергетической отрасли будет сосредоточен на
сравнении новых энергетических технологий; на разработке нового, более эффективного
промышленного оборудования. Реальное снижение выбросов загрязняющих веществ должно
быть достигнуто через [2, 3]:
- оптимизацию топливного и энергетического баланса вместе с максимумом
энергетической эффективности, а также рационализацию типов и местоположения
производственных установок, взятие в расчет экологических ресурсов в регионе.
- непрерывный мониторинг окружающей среды в основных регионах-производителях
энергетических ресурсов (западная Сибирь, Кузбасс, и так далее) и занесение в базу
данных по контролю выбросов топливной и энергетической промышленности по
максимальной допустимой прочности окружающей среды вместо занесения в базу данных
их по максимальным допустимым выбросам.
- переход от снижения выбросов загрязняющих веществ на конечной стадии
топливного цикла к предотвращению производства этих выбросов по всей энергетической
цепочке. Осуществление этих мероприятий обеспечит сокращение атмосферных выбросов
на 30-40% к 2010 году. На рис.1 показаны тенденции выбросов СО2 для разных сценариев
развития энергетической промышленности России. Эти кривые показывают резкое
снижение в выбросах СО2 на 24-29% в 1990-1995 годах из-за экономического кризиса, и
постепенный рост после 1995 года из-за восстановления экономики. В последнем случае
снижение выбросов СО2 к 2010 году до уровня 1990 года будет равно 9.6% для
оптимистичного сценария развития экономики и 25% для вероятного сценария, или 100 и
260 миллионов тонн углерода соответственно.
Диснай 2000
Техническая секция
2. ХИМИЧЕСКОЕ
ЗАГРЯЗНЕНИЕ
ВОЗДУХА
ЭНЕРГОВЫРАБАТЫВАЮЩИМИ СИСТЕМАМИ.
ОСНОВНЫМИ
Вклад выбросов на топливных энергетических станциях (ТЭС) в общее загрязнение
атмосферы оценивается в 27% в среднем по стране и до 55% в отдельных регионах [4].
Анализ опубликованных материалов показал систематическое расхождение между
официальными данными и оценками экспертов [5]. Пример такого расхождения показан на
рис.2 для выбросов углеводорода в топливной и энергетической промышленности России.
При анализе материалов за основу брались официальные данные, за исключением газового
топливного цикла, где расхождение в выбросах составило около порядка - что больше
3000
106 тонн СО2 в год
2500
2000
1500
1000
1985
1990
1995
Годы
2000
2005
2010
Рис. 1 Выбросы СО2 в России и прогноз до 2010 года [2,11]
оптимистичный прогноз
вероятный прогноз
достоверного интервала, и что побудило авторов сделать собственные оценки.
Анализ показал, что сжигание угля вносит основной вклад в глобальное загрязнение воздуха
парниковыми газами.
Необходимо заметить, что при расчете СО2-эквивалента вклад N2O не учитывался, так как
значение вклада N2O в воздействие парниковых газов не значительно, и не влияет на
основные выводы работы.
В связи с быстрым переходом при производстве электроэнергии от угольного топлива к
натуральному газу наблюдается несколько большая динамика снижения выбросов SO2 и
NOx, чем было бы только при спаде производства и внедряемых усовершенствованиях на
ТЭС. Потребление натурального газа для производства электричества в России выросло с 7%
Диснай 2000
Техническая секция
в 1980 году до 60,9% в 1995, в то время как в Европейской части оно возросло даже больше
(с 27% в 1980 году до 67,3% в 1995).
Конечно, некоторая доля компенсации выбросов будет связана с внедрением
технологических усовершенствований для уменьшения количества выбросов. Современные
научные и технические решения позволили уменьшить удельные выбросы летучих частиц с
2,06 г/кВт*час в 1997 году до 1,76 г/кВт*час к 2005 году, удельных выбросов SO2 с 3.1
г/кВт*час до 2,3 г/кВт*час соответственно.
Переход в электрическом секторе с угля на природный газ оказался не так эффективен для
NOx, и, что касается уменьшения CO2, для снижения выбросов парниковых газов (П Г)
особенно, при этом переходе прогресс в снижении выбросов NOx за последние семнадцать
лет был очень маленьким. Общая причина такой ситуации - хронический недостаток
инвестиций, необходимых для организации технической реконструкции ловушек выбросов
NOx.
3. НЕКОТОРЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАЗВИТИЯ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ В
РОССИИ ( ИСТОРИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ)
Как известно, в 1954 году в Обнинске была введена в действие Первая АЭС с установленной
мощностью 5МВт(э). В шестидесятых годах были заложены первые блоки Белоярской и
Нововоронежской АЭС в бывшем СССР. Затем начался этап довольно быстрого развития
ядерной энергетики (Рис.3), который изменился с периодом застоя девяностых годов.
В настоящее время ядерная энергетика России базируется на АЭС с тепловыми реакторами
типа ВВЭР и РБМК. В стране эксплуатируется 29 блоков ядерных реакторов с общей
установленной мощностью ~21.2 ГВт (э) (валовой).
Вклад АЭС в общее производство электричества в России примерно 12%.
Основное направление развития ядерной энергетики в России подробно описано в документе
"Программа Развития Ядерной Энергетики в Российской Федерации с 1998 по 2005 года и
перспективы до 2010 года" [10], который был одобрен Правительством Российской
Федерации в июле 1998 года.
Главные направления развития ядерной энергетики в стране, как части развития топливного
и энергетического комплекса определены в "Стратегии Развития Энергетики России"[2]. В
соответствие с ней рассматривается развитие ядерной энергетики в стране как главная и
неотделимая
часть энергетической стратегии государства, а возрастающая доля
производства электричества в стране будет покрываться атомными электрическими
станциями.
К 2010 году общее производство электричества в России может достигнуть величины 10001150 миллиардов кВт*ч, включая 125-160 млрд кВт*ч произведенных АЭС. В 1997 году
электричества произведенного АЭС было равно 109 млрд кВт*ч. Основная задача, которую
необходимо выполнить в этот период времени состоит в следующем.
Диснай 2000
Техническая секция
15,52
14,85
16
14
10,31
12
9,91
1997
6,72
10
10,07
2010 Минимальная
оценка
6,33
8
2010 Максимальная
оценка
6
7,027
4
2010 Максимальная оценка
3,87
2
2010 Минимальная оценка
0
1997
SO2
N Ox
П ы ль
Рис . 4. Величина выбросов в атмосферу, которые были компенсированы АЭС и
прогнозы вплоть до 2010 года, млн. тонн.
До 2000 года.
• Модернизация существующих АЭС первого и второго поколений и увеличение
времени их эксплуатации дольше расчетного периода. Разработка и начало строительства
"головы" ядерных блоков нового поколения.
2000-2005 год и перспективы до 2010 года.
• Увеличение
мощности
ядерной
энергетики
благодаря
строительству
усовершенствованных ядерных блоков нового поколения. Дальнейшие улучшения
технических и экономических параметров существующих АЭС, включая увеличение
времени их эксплуатации. Обеспечение базы для крупномасштабного развития ядерной
энергетики за 2010 год с достижением 20-30% доли производства электричества
ядерными блоками в стране.
Вышеупомянутые данные были взяты авторами как основные вехи оценок соответствующих
количеств атмосферных выбросов которые были компенсированы АЭС, заменившими
станции на ископаемом топливе различных типов.
4. АНАЛИЗ ВКЛАДА ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ РОССИИ В УМЕНЬШЕНИЕ
ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУХА.
Результаты оценок абсолютного количества химических выбросов в атмосферу, которые
были компенсированы благодаря развитию ядерной энергетики в России показаны на Рис.45. Это максимальные оценки, полученные в предположении что именно АЭС, а не
гидростанции и ТЭС на природном газе заменили ТЭС на угле.
Диснай 2000
Техническая секция
Оценка значения такого уменьшения загрязнения воздуха необходима для сравнения
полученных величин с величинами, определенными "Стратегией Энергетики" и другими
Федеральными Документами. Также важен анализ эффективности других мероприятий,
реализованных для этих же целей в этот же период времени. Конечно, роль ядерной
энергетики может не быть равной в масштабе производства электроэнергии и в масштабе
отечественной промышленности в целом. Первичное энергоснабжение электричества и
производство электроэнергии показаны на Рис. 6.
Рис.7 показывает годовую динамику снижения выбросов SO2 ( при этом график для летучих
частиц имеет примерно тот же вид), связанную с заменой ТЭС на АЭС.
С позиции нашего рассмотрения важно выделить 1978 год, когда стали использовать
атомную энергию вместо энергии существующих тепловых энергостанций, что дало
компенсацию такую же, как и все меры по снижению выбросов SO2 на ТЭС. С того момента
относительный и абсолютный эффект снижения выбросов SO2 был всегда в пользу ядерных
технологий. Но годовое снижение удельных выбросов SO2 не следует за вводимой
мощностью атомных блоков, поскольку эффективность снижения удельных выбросов SO2
для ТЭС на ископаемом топливе до начала 90-х годов была довольно высокой. После 1990
года из-за в том числе экономического кризиса произошло дальнейшее снижение удельных
выбросов SO2 на ТЭС с ископаемым топливом. Нооказал влияние и тот факт, что в это время
доля использования природного газа приблизилась к существующему уровню и влияние
этого благоприятного фактора становится более слабым. Так, к настоящему времени ядерные
технологии являются единственными, которые внесли ощутимый вклад в снижение SO2 при
производстве электричества.
К настоящему времени интегральное снижение выбросов SO2, благодаря использованию
ядерной энергии, достигло величины примерно 10 миллионов тонн, тогда как все другие
методы, применимые к технологиям на ископаемом топливе, обеспечили экономию
примерно 6 миллионов тонн выбросов SO2.
Как следует из Рис.8, характер снижения выбросов NOx благодаря ядерным технологиям
значительно отличается от технологий графика для технологий на ископаемом топливе. На
первой стадии (1975-1993 года) роль ядерных технологий была даже более чем значительной
для SO2 и летучих частиц. Если бы не последние 2-3 года, можно было бы увидеть ещё
большее снижении выбросов NOx для технологий на ископаемом топливе. Будущее
покажет - это уловки статистики в условиях нестабильной экономики, или многообещающая
тенденция.
Поскольку коэффициенты тепловой эффективности для эксплуатации ТЭС и АЭС очень
близки друг от друга, ядерные технологии производства электричества дали в настоящее
время чистый эффект компенсации выбросов СО2. Взяв в расчет реалии государственной
экономики страны можно решить, что только гидроэнергетика и ядерная энергия будут
играть существенную роль в дальнейшем снижении выбросов СО2 в электрическом секторе
по крайней мере до 2010 года.
Таким образом, такой взгляд на реальную ситуацию в секторе производства электричества
показывает исключительную роль ядерной энергетики в снижении выбросов в атмосферу в
электрическом секторе, но оценка вклада ядерной энергетики в полное антропогенное
уменьшение выбросов в воздух не так однозначна.
Ядерная энергетика России это технология, которая компенсировала в 1997 году:
-
0.27 миллионов тонн летучей золы, что составило 9% от общих выбросов;
-
0,38 миллионов тонн SO2 (6.3% от общих выбросов );
Диснай 2000
Техническая секция
-
0.20 миллионов тонн NOx (11.1% от общих выбросов);
-
120 миллионов тонн СО2 (7.4% от общих выбросов).
Для России важно не только сохранить выбросы ПГ ниже уровня 1990 года в случае
восстановления экономики, но и гарантировать некоторый резерв для торговли выбросами,
взяв в расчет отчисления "горячего воздуха" который составил сумму выбросов, которых
удалось избежать из-за спада в экономике. Сжигание ископаемого топлива - это главный
источник выбросов SO2 в атмосферу в России с долей примерно 98.6% . Вклад сжигания
природного газа составляет 45%, нефти - 24 %, твердого топлива - 31%. Структура выбросов
ПГ показана в Табл. VII.
На фоне общего спада производства электричества структура энергопотребления в стране с
позиции уменьшения выбросов в атмосферу СО2 улучшилась. В период с 1990 года по 1997
год доля природного газа увеличилась с 42.6% до 48%, доля электричества, произведенного
АЭС и ГЭС также увеличилась. Эти структурные изменения получились из-за избегания 5%
выбросов СО2 в атмосферу или приблизительно 80-90 млн тонн СО2 в год.
ТАБЛИЦА VII ВЫБРОСЫ ПГ В 1990 И 1994 ГОДАХ.
CO2 млн. тонн
CH4 тысяч тонн
N2O тысяч тонн
Нефть
674,7
32,8
5,7
Твердое топливо
765,8
16,1
8,4
Природный газ
845,5
46,2
1,3
-
151,2
2,0
1990
Биомасса
Всего
2286,0
264,3
17,4
1994
Нефть
398,6
18,0
3,3
Твердое топливо
478,9
10,0
5,3
Природный газ
727,5
40,0
1,3
-
91,0
1,2
1605,0
158,0
11,1
Биомасса
Всего
Прогноз на будущее по выбросам СО2 до 2010 года показывает, что без широкомасштабных
мер по увеличению эффективности производства энергии и энергопотребления (опорный
сценарий) сохранение уровня выбросов СО2 в 2010 году достигнет в 2540 Мт и превысит
2372 Мт СО2 - уровень 1990 года (Рис.1). Только при условии выполнения всех
национальных программ по снижению удельных выбросов (вероятный сценарий) уровень
выбросов СО2 может в 2010 году достигнуть 95% от уровня 1990 года. Такая ситуация
объективно продвинет развитие ядерной энергетики (не только производстве
электроэнергии, но и также в производстве тепла ).
Диснай 2000
Техническая секция
165,1
180
160
130,8
125,8
140
120
100
80
60
40
20
0
1997
2010 минимальная оценка
2010 максимальная
оценка
Рис. 5. Величина атмосферных выбросов CO2, которые были компенсированы АЭС
и прогнозы вполоть до 2010 года, млн. тонн.
3%
12%
4%
32%
1%
Атомная энергетика 3%
Каменный уголь 12%
Гидроэнергетика 4%
Другое 1%
Природный газ 48%
Нефть 32%
48%
13%
24%
9%
Атомная энергетика 13%
Каменный уголь 9%
Гидроэнергетика 19%
Природный газ 35%
Нефть 24%
19%
35%
Рис. 6 Первичное энергоснабжение (всего - 1359 Mт.у.т.) и производство электроэнергии (всего 834 млрд. кВт*ч(e)) в России (1997).
Диснай 2000
Техническая секция
Снижение выбросов SO2 , млн. тонн
0,70
0,60
0,50
Ядерное
топливо
0,40
0,30
Ископаемое
топливо
0,20
0,10
0,00
75
80
85
90
95
2000
Годы
Рис. 7. Годовое снижение выбросов SO2 в электрическом секторе
России
Снижение выбросов NOx, млн. тонн
0,30
0,25
0,20
Ядерное
топливо
0,15
Ископаемое
топливо
0,10
0,05
0,00
75
80
85
90
95
2000
Годы
Рис. 8. Годовое снижение выбросов NOx в электрическом секторе
России
Диснай 2000
Техническая секция
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Снижение выбросов в атмосферу в условиях ожидаемого роста в промышленности к 2010
году является важной целью экологической политики, сформулированной в рамках новой
Энергетической Стратегии России. Результаты анализа показали, что вариант замены ТЭС на
угле на ТЭС на газе достиг своего предела. Перспективный путь - радикальное техническое
усовершенствование на всех фазах топливного цикла с ископаемым топливом нуждается в
больших инвестициях, и это, вероятно, не будет реализовано в ближайшем будущем.
Замещение старых ТЭС ядерными электростанциями показало свою эффективность, и все
ещё остается уникальной технологией для снижения загрязнения воздуха. Развитие ядерной
энергетики в России гарантирует необходимую техническую базу и экономически
обосновано во многих регионах страны. Вклад ядерной энергетики в уменьшение
загрязнения воздуха является надежным аргументом в пользу дальнейшего развития этой
технологии. Кроме того, большой положительный эффект для здоровья человека и
окружающей среды при увеличении в стране доли ядерной энергетики в энергопроизводстве
в результате может дать экономическую пользу механизм торговли выбросами СО2 в случае
реализации Киотского Протокола.
В то же самое время в случае долгосрочной остановки на уровне 12% в электрическом
секторе ядерная энергетика может потерять ведущую роль в уменьшении загрязнения
воздуха, при условии что другие технологии будут улучшать свои характеристики выбросов
в атмосферу. Таким образом неотложной задачей для будущего развития ядерной энергетики
является увеличение её доли в суммарном производстве электроэнергии в России и
обеспечение устойчивых улучшений в характеристиках химических выбросов для самого
топливного цикла.
ЛИТЕРАТУРА.
[1]
Ежегодное состояние загрязнения воздуха в городах и индустриальных
центрах СССР. Ежегодник. 1990. Ленинград. 1991, с.240.
[2] Энергетическая Стратегия России. Москва, 1995.
[3] В.Г. Терентьев, Топливный и энергетический комплекс России и его вклад в
парниковый эффект: Оценки, Методы, Перспективы. МАГАТЭ-ТЕХДОК-892, 1996,
с.29.
[4] Экология и топливно-энергетический комплекс. Обзор, 1996. Сделан проф.
Бушуевым. Москва, 1997.
[5] Д.А. Крылов, В.Е. Путинцева. Топливный и энергетический комплекс России.
Окружающая среда и статистика. Энергия, № 9, 1998, с.9-15.
[6] Экологические проблемы в энергетической промышленности. Новосибирск, Наука,
1989 (в России).
[7] И.И. Крышев, Е.П. Рязанцев. Ядерная энергия и биосфера. Вестник РАН. Том 61,
Номер 2, 1991, с.121.
[8] Экологическая программа России. Основные положения. Российская акционерная
компания ‘Объединенные электрические системы России’. Москва, 1994, с.59.
[9] Г.Н. Лялис и др. Электроэнергия и Природа. Энергоатом, 1995, с.352.
[10]
Программа развития ядерной энергетики в Российской Федерации в период
1998-2005 гг. и перспективы до 2010г. Центральный Институт менеджмента, экономики
и информации, Москва, 1997.
Диснай 2000