Влияние состава топлива на выбросы парниковых газов – Водородные технологические решения

Влияние состава топлива на выбросы парниковых газов

Пункт 1 Статьи 7. Проекта №1116605-7 Федерального закона «Об ограничении выбросов парниковых газов» гласит:

«Отнесение юридических лиц и индивидуальных предпринимателей к регулируемым организациям осуществляется на основании критериев, устанавливаемых Правительством Российской Федерации в отношении хозяйственной или иной деятельности, сопровождаемой выбросами парниковых газов, масса которых эквивалентна 150 тысячам тонн углекислого газа в год и более за период до 2024 года и 50 тысячам тонн углекислого газа в год и более после 2024 года. Правительством Российской Федерации утверждаются перечни видов экономической деятельности, сопровождаемой выбросами парниковых газов, и показатели такой деятельности.»

В данной статье приводится оценка удельных выбросов углекислого газа для некоторых видов топлив.

Рассмотрим четыре вида топлива:

  1. Водород, низшая теплота сгорания – 120 МДж/кг = 33,33 кВт*ч/кг;
  2. Метан, низшая теплота сгорания – 50 МДж/кг = 13,89 кВт*ч/кг;
  3. Природный газ, низшая теплота сгорания – 46,8 МДж/кг = 13,00 кВт*ч/кг;
  4. Углерод, низшая теплота сгорания – 34 МДж/кг = 9,44 кВт*ч/кг.

При сжигании водорода не образуется углекислый газ, но образуется водяной пар.

При сжигании 1 кг водорода образуется 9 кг водяного пара.

При сжигании 1 кг метана образуются 2,75 кг углекислого газа и 2,25 кг водяного пара.

При сжигании 1 кг природного (трубопроводного) газа образуются 2,64 кг углекислого газа и 2,09 кг водяного пара.

Состав природного газа (ПГ) приведён в таблице 1:

Компонент Мол. масса % мол.  С,

%  масс.

 

С/(С+Н)

кг СО2 на кг ПГ кг Н2О на кг ПГ
O2 32 0,007
N2 28,016 2,482
CO2 44,011 0,281
H2 2,016 0,001
CH4 16,042 93,333 65,46 0,75 2,40 1,964
C2H6 30,068 2,852 4,00 0,8 0,15 0,090
C3H8 44,094 0,706 1,48 0,82 0,05 0,030
C4H10 58,12 0,23 0,64 0,83 0,02 0,011
C4H10 58,12 0,07 0,20 0,83 0,01 0,000
C5H12 72,146 0,01 0,04 0,83 0,00 0,000
C5H12 72,146 0,007 0,02 0,83 0,00 0,000
C6H14 86,172 0,006 0,03 0,84 0,00 0,000
4,003 0,015
Среднее значение  

 

 

71,87

 

0,755

 

2,64

 

2,09

При сжигании 1 кг углерода образуется 3,67 кг углекислого газа.

Отношение массовой доли углерода к суммарной массовой доле углерода и водорода для различных видов топлива приведены в таблице 2:

Топливо Водород Метан Природный газ Углерод
С/(С+Н) 0 0,75 0,755 1

Поскольку перечисленные выше виды топлива имеют различные значения теплоты сгорания, то для сравнения удельных выбросов парниковых газов примем за базу низшую теплоту сгорания водорода. В этом случае, для получения 120 МДж =  33,33 кВт*ч тепловой энергии потребуется 1 кг водорода, 2,4 кг метана, 2,57 кг природного газа и 3,53 кг углерода.

При сжигании 2,4 кг метана образуется 6,6 кг углекислого газа и 5,4 кг водяного пара.

При сжигании 2,7 кг природного газа образуется 6,8 кг углекислого газа и 5,64 кг водяного пара.

При сжигании 3,67 кг углерода образуется 12,95 кг углекислого газа.

Сведём эти значения  в таблицу 3:

Вид топлива Расход топлива,

кг

Выбросы СО2,

кг

Выбросы Н2О,

кг

Водород 1 0 9
Метан 2,4 6,6 5,4
Природный газ 2,7 6,8 5,64
Углерод 3,67 12,95 0

 

В ряде зарубежных публикаций отмечается, что парниковым газом №1 является водяной пар, а не углекислый газ.

В статье «Rising Levels of Human-Caused Water Vapor in Troposphere will Intensify Climate Change Projections», написанной Риком Панталео в 2014 году, сообщается, что учёные рассматривают пар воды, которая является наиболее важным ингридиентом для поддержания жизни на Земле,  ключевым драйвером глобального потепления.

Исследования, проведённые учёными из Университета Miami Rosenstiel School of Marine and Atmospheric Science, подтвердили, что повышение уровня водяного пара в тропосфере – слоя атмосферы, простирающегося на высоте от 5 до 20 км от поверхности земли – будет играть возрастающую роль в изменении климата в ближайшие годы.

Исследователи из Флориды продемонстрировали, что увеличивающееся количество водяных паров в атмосфере вызвано человеческой деятельностью.

Учёные решили разобраться, что вызвало 30-летний тренд увеличения водяных паров в верхних слоях тропосферы.

Они собрали данные, полученные со спутников Американской национальной океанической и атмосферной администрации, и сравнили их с климатическими моделями, которые предсказывали циркуляцию воды между океаном и атмосферой.

Это позволило исследователям определить: были или нет, замеченные изменения в количестве водяных паров в атмосфере, вызваны естественными причинами или результатом человеческой деятельности.

Эксперименты обнаружили, что естественные причины, такие как, вулканическая деятельность или изменения солнечной активности не могут объяснить увеличение водяных паров в верхних слоях тропосферы.

Поэтому они предположили, что эти изменения являются результатом человеческой деятельности.

В статье  “The Importance and Nature of the Water Vapor Budget in Nature and Models”, Lindzen, Climate Sensitivity to Radiative Perturbations: Physical Mechanisms and Their Validation (1996) сообщаются количественные данные по влиянию концентрации водяного пара и углекислого газа на парниковый эффект.

Автор этой статьи сообщает, что при чистом небе вклад водяного пара в отражении длинноволнового излучения составляет 75 Вт/м2, в то время как вклад углекислого газа – только 32 Вт/м2.

То есть, вклад водяного пара в парниковый эффект превышает вклад в парниковый эффект углекислого газа в 2,34 раза.

Российские исследователи в своих публикациях тоже утверждают, что водяной пар является важным парниковым газом.

В статье «Спектроскопия парникового эффекта» (Соровский образовательный журнал, том 7, № 10, 2001) Тонков М.В. пишет «Основными поглощающими газами в земной атмосфере оказываются водяной пар и углекислый газ».

Пташник И.В. в своей диссертации на тему «Континуальное поглощение водяного пара в центрах полос ближнего ИК-диапазона» (2007) сообщает, что «водяной пар, не смотря на своё относительно малое парциальное содержание в земной атмосфере является наиболее важным компонентом, обусловливающим её радиационный баланс. Полосы поглощения водяного пара и области между ними («крылья» полос), называемые «окнами прозрачности» атмосферы, поглощают до 70-80% солнечного излучения, падающего на атмосферу. Водяной пар также является одним из наиболее важных парниковых газов в атмосфере».

«Научная Россия» (2013) сообщает, что «вода является одной из самых главных атмосферных молекул. Составляя всего около 0,33% массы атмосферы, вода отвечает примерно за 70% поглощаемого планетой излучения. Величина поглощения сильно зависит от того, как общее количество воды распределено по своим многочисленным формам(отдельные молекулы, кластеры, капли, снежинки)».

В диссертации на соискание учёной степени доктора физико-математических наук «Экспериментальное исследование индуцированного и континуального поглощения ИК-радиации основными атмосферными газами» (Обнинск 2014) Баранов Ю.В. заключает, что «бинарные коэффициенты поглощения для смеси углекислого газа с водяным паром приблизительно на порядок превосходят величины для чистого СО2».

«Научная Россия» (2018) в статье «Нижегородские физики поняли причину избыточного поглощения энергии водяным паром сообщает, что «Водяной пар сильно поглощает электромагнитные волны в диапазоне от радио до ультрафиолета. Это делает его основным парниковым газом атмосферы, а значит фактором, оказывающим значительное влияние на климат Земли».

Невзирая на большое число публикаций у нас и за рубежом, ни в одном официальном документе водяной пар не относится к парниковому газу.

По мнению авторов данной статьи, при разработке новых энергетических установок и котельных агрегатов и модернизации существующих электростанций необходимо использовать конденсацию водяных паров из дымовых газов, что позволит как увеличить коэффициент использования теплоты топлива (КИТТ), так и снизить выбросы парниковых газов в атмосферу.

Кроме этого, полученный конденсат после его обработки, может использоваться в качестве подпиточной воды, а также для производства водорода.