Негативы природных и антропогенных газов
реклама
экологическая и промышленная безопасность УДК 632.15:62621.2 Негативы природных и антропогенных газов В.М. Толкачёв, к.э.н. [email protected] М.В. Толкачёв, д.э.н. /ŒŒŒ ´Õ¿†ª, „. ÃÓÒÍ‚‡/ Поднята проблема негативного воздействия природных и антропогенных газов на окружающую среду. Уделено внимание соединениям азота, образующимся при сжигании природного газа и моторных топлив, горении углеводородов на ТЭЦ и т. д. Показана история реагирования правительств различных государств на опасность выбросов оксидов азота. Рассматривается понятие «парниковые газы», показано их влияние на экологическую безопасность населения. Рассказывается об использовании и потреблении природного газа в различных странах. Приведены выводы ученых о том, что применение природного газа гораздо опаснее, чем применение нефти. Рассматриваются вопросы, связанные с учетом выбросов в атмосферу парниковых газов. Приведены аргументы в пользу необходимости получения более точных сведений о положительных качествах природного газа и негативе, возникающем при его использовании, а также о роли азота в процессах глобального потепления и его влиянии на экологическую безопасность населения. Ключевые слова: азот, парниковые газы (ПГ), окислы азота (NOx), «топливные» окислы азота, «термические» (тепловые) окислы азота, соли азота (цианиды), предельно допустимые концентрации (ПДК) соединений азота, Киотский протокол, метан, природный газ, уголь, углекислый газ, возобновляемые источники энергии (ВИЭ), сероводород, сланцевый газ. В научной литературе не раз цитируются слова В.И. Вернадского, который пророчески утверждал, что жизнь есть борьба за газ. При этом он, конечно, не имел в виду борьбу за ресурсы ископаемого природного газа – эффективного топлива и сырья для химии. Речь шла о кислороде, от концентрации которого в воздухе зависят на Земле рассвет и угасание жизни. В отличие от кислорода, заслужившего такую высокую оценку от корифея отечественной науки, на первый взгляд, не повезло азоту – главному по массе и объему газу земной атмосферы. Кислород и углекислый газ явно доминируют в литературе, посвященной экологическим и биологическим проблемам. Азот [Õ√Õ] 58 π8/2015 (газ без запаха и цвета), занимающий 78 процентов в атмосфере Земли, не горит и не поддерживает горения и воспринимается в основном как нейтральный химический элемент. Вдыхаемый вместе с кислородом, азот не участвует в чистом виде в газообмене в организмах человека и животных и практически не влияет на их жизнь. Его за это и назвали азотом, что в переводе с греческого языка означает «нежизненный». В атмосфере нашей планеты азот представлен двумя стабильными изотопами: 14N(99,64 %) и 15N(0,36 %). Радионуклид 13N имеет период полураспада в 10 минут. В воздухе он, как и кислород, находится в виде двухатомной газовой молекулы N2 плотностью 1,25 г/см3 [10]. В литосфере количество соединений азота относительно невелико. Это, прежде всего, нитриды и нитраты (соли азотной кислоты HNO3). Распространенным природным соединением азота является аммонийный азот NH4 – продукт разложения органически связанного азота и кислотных дождей. Он представляет собой наиболее доступный источник питательных веществ для наземных и водных растений. Известны природные нитриды азота (соединения азота с металлами). В их числе можно отметить сидеразот (Fe5 N2), наблюдаемый в окаменевшей лаве вулканов Этна и Везувий в Италии. Вместе с тем никто не отрицает его роль в процессе биохимических реакций. Азот является одним из экологическая и промышленная безопасность главных биогенных элементов, без которого невозможно существование аминокислот. Он является важной составной частью белка, в котором занимает 15-19 %. Как неожиданно оказалось, азот не просто присутствует в составе белков живого организма, а управляет физиологическими процессами. Речь идет об окиси азота (NO2), а не его закиси (N2O), которая известна тем, что включена в список парниковых газов (ПГ). О прямом воздействии N2O на человека и ранее было известно достаточно хорошо. Кратковременное вдыхание бесцветной закиси азота, которая называется «веселящим газом» (ВГ), может вызвать состояние, сходное с алкогольным опьянением и истерией. Вдыхание ВГ притупляет болевую чувствительность и используется в смеси с кислородом для анестезии. В 1998 г. американским ученым Роберту Форшготт, Фериду Мьюрэд и Луису Игнарро была вручена Нобелевская премия за открытие, связанное с ролью оксида азота в биологии и медицине. Окись азота они рассматривали в качестве сигнальной молекулы в деятельности сердечно-сосудистой системы [16]. Дальнейшие исследования биологов и медиков самых различных специальностей подтвердили управляющую роль оксида азота как во внутриклеточных, так и в межклеточных процессах. Оказалось, что окись азота управляет нервной системой человека, присутствует во всех отделах головного мозга и активно влияет на его деятельность. В кардиологии исследуется значение окиси азота как регулятора расслабления гладких мышц сосудов и ее роль в синтезе особого рода белков, участвующих в защите от ишемической болезни сердца. Окись азота тормозит слипание тромбоцитов и влияет на перенос кислорода эритроцитами. Огромное количество азота в виде азотнокислых и аммиачных соединений, синтезирующихся во время гроз, поступает в почву и породы литосферы, моря и океаны. Об- разуемые при грозовых разрядах в период дождей азотная и азотистая кислоты в огромных количествах выпадают на землю и практически формируют тот плодородный слой почвы, который кормил и до сих пор кормит человечество. Поражают огромные масштабы этого природного производства одной из самых агрессивных кислот. Ежесекундно над земной поверхностью происходит в среднем 117 грозовых разрядов (половина из них бушует над океанами). По подсчетам ученых, ежегодное количество гроз выражается астрономической цифрой в 1,15х109. Особенно интенсивно идут эти процессы в тропиках и субтропиках, в зонах с высокой влажностью воздуха. На острове Ява грозы бушуют 220 дней в году (иногда по 12 часов подряд). В меньшей степени они проявляются в средних и северных широтах. В европейской части России, например, в год бывает порядка 20 гроз. В процессе происходящего во время грозы высокотемпературного синтеза, параметры которого определяются силой тока, доходящей до 200 тысяч ампер, и температурой плазмы более 10 тысяч градусов Цельсия, образуется огромное количество оксидов азота. Значительная часть из них выпадает на землю в виде азотной и азотистой кислот. Ученые подсчитали [2], что за год в районе Ханоя на один квадратный километр вместе с дождевой влагой поступает до 7 тонн азотной кислоты. В средней полосе России количество выпадающей в процессе грозовых дождей кислоты составляет порядка одной тонны на квадратный километр. Именно азотная кислота является тем «игольным ушком», через которое кислород атмосферы поступает в литосферу в виде, пригодном для окисления пород. Другим антропогенным по своей сути источником окислов азота являются автомобильный, железнодорожный, морской и речной транспорт, а также ТЭЦ, различного рода котельные, промышленные предприятия, заводы, производящие удо- брения, азотную кислоту и нитраты, анилиновые красители и цемент. По некоторым данным, в атмосферу нашей планеты ежегодно выбрасывается порядка 65 млн т окислов азота, в том числе 55 % от транспорта, 28 % от энергетики, 14 % от промышленных предприятий и 3 % от бытового сектора. Основные реакции образования окислов азота реализуются в процессе запуска предложенного Н.Н. Семеновым и разработанного Я.Б. Зельдовичем [8] цепного механизма окисления. Практически он функционирует лишь в случае диссоциации молекул азота и кислорода, которая требует значительных затрат энергии (не менее 942,5 кДж/моль). В общем случае при сжигании природного газа и моторных топлив (так же как и при горении углеводородов на ТЭЦ или в печах металлургических заводов) образование окислов азота может протекать по трем возможным схематическим циклам: быстрому, термическому или топливному [3, 19]. «Быстрые» оксиды азота образуются в зоне факела природного газа при реакции азота с углеводородными радикалами при пульсирующей температуре. Свое наименование – «быстрые» – они получили из-за высокой скорости протекания реакции их образования. При низкотемпературном горении их доля может достигать 25 % от общего объема оксидов азота. В любом случае при сжигании природного газа суммарное количество «быстрых» оксидов азота всегда выше, чем при использовании мазута, дизельного топлива или угля. Образование так называемых «термических» (или тепловых) окислов азота не связано непосредственно с реакцией горения и регулируется исключительно высокой температурой топки или камеры сгорания (термический тип реакции). Они образуются при температуре выше 1250 °С в условиях высокой концентрации кислорода. При температуре выше 1450 °С выход термических окислов азота π8/2015 [Õ√Õ] 59 экологическая и промышленная безопасность преобладает над быстрыми и топливными разностями. При температуре 1450-2500 °С в бензиновых двигателях содержание термических окислов азота составляет 99 %, а в дизельных – 90 %. В поршневых двигателях при сгорании топлива первоначально образуется окись азота (NO), которая в дальнейшем окисляется до двуокиси азота (NO2) и ее полимера (N2O4). В процессе окисления азотсодержащих соединений топлива образуются «топливные» окислы азота. Они формируются в зоне факела при сжигании главным образом жидких и твердых топлив с содержанием азотистых веществ более 0,1 %. При сжигании природного газа они отсутствуют. В продуктах сгорания двигателей автомобилей, как и в топках ТЭЦ, могут одновременно присутствовать не менее шести соединений азота с кислородом [9]. Наиболее изучены NO (оксид), N2O (закись), N2O3 (азотистый ангидрид), NO2 (диоксид), N2O4 и N2 O5 (азотный ангидрид). Все они зачастую объединяются под общим названием «окислы азота» (NOx). Из них в состав «парниковых газов» в соответствии с Киотским протоколом, принятым в декабре 1997 г. на конференции сторон Конвенции ООН об изменении климата, включена только закись азота (N2O). Оказалось, что азот, этот преобладающий в воздухе и довольно редкий в земной коре химический элемент, составляющий всего 0,002 % в породах литосферы, является в определенных условиях одновременно и жизненно необходимым, и весьма опасным. Вот вам и «нежизненный газ»! Для целей настоящей статьи определенный интерес представляют негативные свойства соединений азота, которые осложняют нашу жизнь и делают ее порой вообще невозможной. В качестве отправной точки можно принять вывод о том, что молекулы атмосферного азота становятся опасными для здоровья и жизни только в процессе высокотемпературного синтеза его соединений, которые в подавляющем большинстве случаев образуются при горении природного газа, нефти или продуктов их переработки, а также при сжигании моторных топлив. Все эти сравнительно недавно открытые свойства молекулы окиси азота, как и его активная роль в биологических и химических процессах, определяются наличием в ней так называемого «неспаренного электрона». Такие соединения азота, именуемые радикалами, стремятся, как и все другие известные в химии радикалы, «найти» недостающий электрон для создания новой электронной пары. Видимо, настала пора для системного и комплексного теоретического осмысления накопленного материала о роли соединений азота в биосфере нашей планеты и применения новых комплексных знаний в сфере экологической безопасности населения. Соли азота (цианиды) CN 2 и HCN являются сильнодействующими ядами и относятся к первому классу опасности. В табл. 1 приводятся данные о предельно допустимых концентрациях (ПДК) некоторых других веществ, содержащих азот [6]. Таблица 1 Предельно допустимые концентрации соединений азота Соединения азота Среднесуточная концентрация NO 0,6 0,06 NO2 0,085 0,04 HNO3 0,4 0,15 NH3 (аммиак) 0,2 NH4 NO3 (селитра) [Õ√Õ] 60 ПДК в атмосферном воздухе Разовая концентрация π8/2015 20 0,3 Необходимо отметить, что в США на опасность выбросов оксидов азота среагировали раньше, чем во многих других государствах. В 1998 г. Агентство по охране окружающей среды США, обеспокоенное негативным воздействием на население оксидов азота, потребовало от руководства 22 восточных штатов принять конкретные меры по сокращению выбросов NOx автомобильным транспортом, электростанциями и промышленностью. Политика установленных ограничений и торговля квотами на выбросы привела к положительным сдвигам в оздоровлении атмосферы. С конца девяностых годов прошлого столетия выбросы NOx от электростанций и автомобилей сократились соответственно на 68 и 48 %. Улучшение экологической обстановки в части сокращения выбросов оксида азота были зафиксированы спутником НАСА «Аура». Количество выбросов в атмосферу оксидов азота за период с 2005 по 2011 г. на 54 крупнейших ТЭЦ США сократилось в пределах от 5 до 40 % [19]. Улучшению ситуации на ТЭЦ способствовало не только размещение специальных приборов контроля за выбросами. Были установлены специальные горелки с низким выходом оксидов азота и системы двухступенчатого сжигания топлива со встречным вращением потока подаваемого воздуха. Как известно, с 1 января 2013 г. Россия стала, так же как Япония и Новая Зеландия, стороной Киотского протокола без конкретных количественных обязательств по снижению выбросов парниковых газов (ПГ). Но, несмотря на это, Россия добровольно приняла решение сократить к 2020 г. выбросы ПГ в атмосферу на 25 % (по сравнению с показателями 1990 г.). Эти обязательства 30 сентября 2013 г. были закреплены Указом Президента РФ № 752 «О сокращении выбросов парниковых газов» и соответствующим распоряжением Правительства России № 504-р от 2 апреля 2014 г. При этом за основу взяты выбросы 1990 г. π8/2015 [Õ√Õ] 60 экологическая и промышленная безопасность К парниковым газам, по правилам Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК), относятся шесть основных парниковых газов: углекислый газ (СО 2), метан (СН 4), закись азота (N 2O), гидрофторуглероды (ГФУ), перфофторуглероды (ПФУ) и гексофторид серы (SF 6). Многие ученые полагают, что нерегулируемый их выброс ведет к повышению температуры нижних слоев атмосферы по сравнению с эффективной температурой (температурой теплового излучения Земли, фиксируемой из космоса). Как известно, действие парниковых газов учитывается кумулятивно и их количество выражается в СО2-эквиваленте. При этом эффект парникового воздействия СО2 принят за единицу. Выбросы остальных газов умножаются на коэффициент, отражающий потенциал глобального потепления (ПГП). Для метана он равен 21, так как молекулы СН4 поглощают инфракрасное излучение активнее, чем СО2. Таким образом, одна тонна метана в расчетах сум- марного загрязнения эквивалентна 21 т углекислого газа. Одна тонна закиси азота, обладающего еще более сильным парниковым воздействием, эквивалентна 310 т СО 2. Для гексофторида серы, например, ПГП равен 23 900 т СО 2-эквивалента. В табл. 2 приводятся оценки антропогенных выбросов и абсорбции (поглощения) парниковых газов (ПГ), не регулируемых Монреальским протоколом, за период 1990 по 2012 г. (по данным Росгидромета [14]). Динамика выбросов ПГ характеризуется резким снижением стартовых показателей 1990 г. (3,5 млн т СО2-эквивалента) до 1,64 в 2000 г. и далее с небольшим приростом до 2012 г. (2,3 млн т СО2 -эквивалента). С учетом абсорбции в 2012 г. фактические выбросы ПГ составили 1,75 млн т СО 2-эквивалента (ровно половину от выбросов 1990 г.). В определенной степени изменилось и соотношение долей ПГ в их суммарных выбросах. За прошедший с 1990 г. период уменьшились доли СО2, N2O, F-газов и увеличилась доля СН4. Последнее обстоятельство является достаточно тревожным признаком, так как метан многократно более агрессивен как ПГ, чем углекислый газ. Хотя содержание СН4 в атмосфере планеты составляет по объему всего 1750 частей на миллиард, метан обеспечивает 20 % парникового эффекта. Метан поступает в атмосферу не только в результате его потерь при добыче нефти и газа. Часть его теряется при их переработке и транспортировке. Он выделяется в процессе коксования и гидрирования каменного угля, поступает в атмосферу из систем вентиляции шахт и разрезов. Утверждают [24], что пятая часть эмиссии метана приходится на долю травоядных животных. По подсчетам специалистов, в 2012 г. в США утечка природного газа из скважин и трубопроводов обеспечила 28 % общего объема выбросов метана. Не случайно президент США Барак Обама сразу же после прихода к власти заявил, что Таблица 2 Выбросы парниковых газов по секторам в 1990-2012 гг. Сектор Выбросы, тыс. т СО2 - экв. 1990 2000 2005 2010 2011 2012 2 720 727 1 672 913 1 744 792 1 826 351 1 880 968 1 885 160 258 231 167 400 179 905 174 984 177 597 181 187 562 523 532 565 571 573 Сельское хозяйство 321 423 153 457 141 483 141 340 144 005 144 218 ЗИЗЛХ 164 680 -406 457 -506 126 -567 185 -573 423 -542 005 Отходы 61 122 58 828 68 687 77 832 80 858 83949 3 362 065 2 053 120 2 135 398 2 221 072 2 283 997 2 295 087 100 -38,9 -36,5 -33,9 -32,1 -31,7 3 526 744 1 646 664 1 629 272 1 653 886 1 710 574 1 753 082 100 -53,3 -53,8 -53,1 -51,5 -50,3 Энергетика Промышленные процессы Использование растворителей Всего без учета ЗИЗЛХ Изменение годового выброса без учета ЗИЗЛХ в % к 1990 г. Всего с учетом ЗИЗЛХ Изменение годового выброса с учетом ЗИЗЛХ в % к 1990 г. Источник: Росгидромет (14). Примечание: Знак «минус» соответствует абсорбции (поглощению) ПГ; ЗИЗЛХ – землепользование, изменение землепользования и лесного хозяйства. π8/2015 [Õ√Õ] 61 экологическая и промышленная безопасность хочет сократить выбросы парниковых газов к 2020 г. на 17 % к уровню 2005 г. В США в середине 2014 г. была обнародована разработанная Агентством по охране окружающей среды (ЕРА) программа по сокращению к 2030 г. выбросов ПГ на 30 % по сравнению с 2005 г. [20]. Для этого, по данным ЕРА, на первом этапе к 2020 г. должна до 22 % сократиться угольная генерация тепла и энергии и на 45 % увеличиться использование природного газа (с 22 до 32 млрд куб. футов). В США действует двухуровневая система нормирования выбросов, устанавливаемая и контролируемая государством и штатами. До сих пор существует твердая уверенность, что природный газ является самым чистым и эффективным из всех природных видов топлив. И это во многом действительно так. При сжигании природного газа выделяется меньше углекислого газа, диоксида серы и золы. Он является сегодня третьим по популярности использования видом природного сырья и топлива. Доля нефти в мировой энергетической кор- зине (32,9 %), по данным ВР [11], пока преобладает над долями угля (30,1 %) и природного газа (23,7 %). Мировое потребление природного газа по-прежнему растет – в 2013 г. оно увеличилось на 1,4 %. Лидерами в потреблении газа являются Китай и США, где использование его в 2013 г. возросло соответственно на 10,8 и 2,4 % [22]. В своеобразном соревновании этих основных природных видов топлива по-прежнему высокий уровень потребления демонстрирует уголь. В 2013 г. прирост его использования составил 3 %, что в два раза превышает темпы роста потребления нефти и природного газа. Вероятный вариант развития событий изложен в опубликованном в июне 2014 г. докладе Международного энергетического агентства (IEA) «Начнется ли золотой век газа?». Авторы доклада полагают, что на рубеже 2015-2020 гг. спрос на уголь будет в мире снижаться и резко вырастет использование газа. К 2030 г. газ обгонит уголь по объемам потребления. По оценке компании ExxonMobil, к 2040 г. спрос на газ вырастет на 60 %. Так или иначе, на перспективу (до 2020 г.) намечается дальнейший рост потребления и добычи природного газа (табл. 3). Это обстоятельство служит дополнительным стимулом для углубленного и более детального исследования влияния продуктов горения природного газа (особенно оксидов азота) на жизнь и здоровье населения. Уголь и нефть, в отличие от практически беззольного газа, состоят из более сложных органических соединений, содержащих не только больший объем углерода, но и опасные сернистые и азотистые соединения, а также примеси ванадия, ртути и других металлов. При неполном сгорании углеводородов в атмосферу поступают фенол, формальдегид, озон, сероводород и углеводороды. Это обстоятельство всегда использовалось в качестве одного из аргументов при выборе природного газа в качестве экологически приемлемого топлива. Еще одним преимуществом природного газа служил известный факт, что его использование позволяет резко снизить выбросы углекислого газа. Таблица 3 Баланс мирового производства и потребления газа по странам и группам стран (млрд куб. м) Производство – всего 2011 г. 2012 г. 2011-2015 гг. 2016-2020 гг. 2021-2025 гг. 2026-2030 гг. 3330 3407 3459 3783 4102 4443 Развитые страны 1093 1099 1115 1163 1216 1287 США 651,6 672,0 659,6 695,5 734,5 757,0 Европа 257,7 249,2 243,0 216,9 210,1 218,6 Развивающиеся страны 2237 2308 2345 2620 2885 3156 Ближний Восток 481,4 498,4 518,8 603,2 668,8 732,8 Россия 670,8 653,0 676,6 743,4 804,6 851,2 Потребление, всего 3247 3304 3376 3709 4037 4398 Развитые страны 1498 1512 1527 1578 1611 1674 США 694,3 713,6 704,2 720,2 721,3 732,3 Европа 546,5 555,0 555,0 571,4 583,9 611,1 Япония 104,8 104,8 104,8 103,1 107,0 111,0 Развивающиеся страны 1749 1792 1849 2131 2427 2724 Китай 99,1 107,6 123,5 174,4 222,6 270,1 Индия 70,8 70,8 79,9 104,8 121,8 134,8 Бразилия 25,5 25,5 27,2 35,7 48,7 59,5 471,9 461,1 477,4 508,9 537,3 565,1 Россия Источник: US Energy Information Administration (EIA), Минэкономразвития России (17) . [Õ√Õ] 62 π8/2015 π8/2015 [Õ√Õ] 62 экологическая и промышленная безопасность По данным Минэнерго США, при получении одного мегаджоуля энергии в процессе сжигания природного газа выделяется 13,7 г углерода (в составе СО2); нефти и угля – соответственно 18,9 и 24 г углерода. По этому показателю экологическое преимущество природного газа очевидно. Однако это не помешало ученым Корнельского университета Дэвиду Р. Аткинсону и Роберту Ховарту [18] сделать на базе их исследований вывод, что применение природного газа гораздо опаснее, чем нефти. В комплексную оценку выбросов продуктов сгорания природного газа они добавили имеющие место утечки метана, которые происходят при его добыче, транспортировке и использовании. По их расчетам, в процессе сжигания газа при получении одного мегаджоуля энергии в атмосферу выделяются ПГ, эквивалентные 33 г двуокиси углерода, а при использовании нефти – только 20 г. Сегодня растет число оппонентов, возражающих против размещения работающих на газовом топливе ТЭЦ в пределах городской застройки. Высокая температура газовых топок порождает незаметные внешне крупные объемы токсичных выбросов оксидов азота. Серьезного внимания требует методика учета выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Полагаем целесообразным обратить внимание на существующие значительные расхождения в официально опубликованных данных о загрязнении воздуха, с которыми неожиданно столкнулись авторы при подготовке исходных материалов для настоящей статьи. Один из таких примеров разночтения демонстрируют размещенные в Интернете официальные документы «Первый двухгодичный доклад Российской Федерации по оценке антропогенных выбросов и абсорбции (поглощения) парниковых газов за 1990-2011 годы» [15] и «Обзор состояния и загрязнения окружающей среды в РФ за 2013 год» [14]. Первый из них подготов- лен Институтом глобального климата и экологии Росгидромета и РАН. Второй представлен Росгидрометом. Оба документа содержат таблицы, в которых приводятся данные о выбросах парниковых газов в тысячах тонн СО2-эквивалента за период с 1990 по 2011 г. [15] и по 2012 г. [14]. В опубликованных таблицах по одним и тем же годам и для одних и тех же секторов экономики (энергетика, промышленные процессы, сельское хозяйство и т.д.) приводятся значительно отличающиеся друг от друга данные. В табл. 4 для примера проведено сопоставление данных сектора «Энергетика». Значительные расхождения других показателей этих таблиц наблюдаются и по остальным секторам. В связи с этим требуют уточнения и некоторые данные государственных докладов Минприроды России. Существуют и другие разночтения. Так, например, по данным Минприроды России, годовые выбросы оксидов азота в Москве в 2010 г. от стационарных источников составляли 37,4 тыс. т. По отчетным данным ОАО «Мосэнерго», выбросы 19 ТЭЦ в Москве в этом же году составляли 45,6 тыс. т оксидов азота. Вместе с годовыми выбросами Московского НПЗ, которые, согласно методике расчетов Мирового банка [23], в том же году были равны 3 тыс. т, это составляло 48,6 тыс. т. Это данные только по двум стационарным источникам, но они уже намного превышают отчетные данные Минприроды России. Полагаем, что при формировании долгосрочной стратегии экономического развития было бы целесообразно учитывать особенности политики Германии в сфере ТЭК. Доля газа в энергетической корзине Германии занимает сегодня почти треть. В прошлом были вре- мена, когда под натиском поставок этого, как считается, более экологически приемлемого вида топлива доля потребления угля резко сокращалась. Но сейчас, похоже, уголь вновь отыгрывает свои позиции. По крайней мере, ближайшие 10-15 лет угольная генерация электроэнергии и тепла не только сохранит, но и прирастит зону своего влияния. Сегодня в ФРГ, по данным Гринпис, строятся и проектируются 23 новых угольных электростанции суммарной мощностью более 24 тыс. МВт. Главной причиной этой угольной экспансии является более низкая (по сравнению с газом) цена угля [21]. Сланцевая революция США обвалила цены на уголь, и экономика потеснила экологию. Этому содействует принятое в Германии решение о закрытии АЭС. После аварии на японской АЭС «Фукусима», которая произошла в марте 2011 г., в Германии остановлены 9 из 17 АЭС, которые давали треть необходимого для страны электричества. Порядка 10 % электроэнергии получают здесь на базе возобновляемых источников энергии (ВИЭ). В соответствии с государственной энергетической концепцией в 2020 г. за счет ВИЭ намечено получать до 35 %, а в 2050 г. – до 80 % необходимой для страны электроэнергии. Это, как считается, позволит резко снизить зависимость Германии от импорта топлива. Такое похвальное, с точки зрения экологии, и экономически выгодное для страны решение может послужить предостерегающим ориентиром для экспортно-ориентированной экономики стран – поставщиков природного топлива. Важно подчеркнуть, что в Европе прогнозируется дальнейшее неуклонное снижение потребления природного газа в размерах не Таблица 4 Сопоставление данных табл. 2.1 [14] и табл. II.I [15] (тыс. тонн СО 2-экв.) Сектор Энергетика 1990 2000 2010 2011 [14] 2 720 727 1 672 913 1 826 351 1 880 968 [15] 2 714 711 1 668 023 1 824 317 1 920 401 6 016 4 890 2 034 39 433 Расхождение показателей π8/2015 [Õ√Õ] 63 экологическая и промышленная безопасность менее 1,5 % в год. При этом объем российского импорта, в принципе, также может уменьшиться. Причины этого многомерны. В их составе можно отметить прежде всего замедление роста мировой экономики, а также рост угольной генерации и использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Борьба за чистоту атмосферы Европы ведется методами директивного введения ограничений, устанавливаемых ЕС для выбросов отдельных крупных предприятий – загрязнителей или ТЭЦ (мощностью более 50 МВт), а также введения показателей предельных для стран выбросов отдельных загрязняющих атмосферу веществ (SO2, NOx, NH3) и летучих органических соединений (ЛОС). Осознание опасности негативного воздействия всей суммы антропогенных оксидов азота, а не только учитываемой в составе парниковых газов окиси азота, нашло отражение в подписанном 31 октября 1988 г. в Софии Протоколе об ограничении выбросов окислов азота или их трансграничных потоков к Конвенции 1979 г. «О трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния». По данным Государственного доклада Минприроды России [7], в 2013 г. общий годовой объем выбросов в атмосферу загрязняющих веществ уменьшился на 438,3 тыс. т., или на 1,4 % (табл. 5). При этом годовые выбросы от стационарных источников сократились по сравнению с 2010 г. на 1183,8 тыс. т, или на 6 %. К сожалению, по-прежнему неудержим рост автомобильных выбросов. При этом отрадно, что по сравнению с 2010 г. значительно (на 342 тыс. т, или на 19 %) сократились годовые выбросы оксидов азота и радикально (на 36,7 тыс. т, или 32,5 %) уменьшились выбросы диоксида серы автомобильным транспортом. Директор одного из НИИ Мингео СССР профессор В.П. Федорчук при написании отчетов и книг использовал своеобразный методический [Õ√Õ] 64 π8/2015 прием. Он включал в сугубо научный текст литературно обработанные исторические справки, цитаты классиков, притчи и даже стихи. Он называл их «лирическими отступлениями» и искренне считал, что они не только позволяют снять груз усталости и освежить восприятие, но и помогают в интерпретации основного текста. Наследуя этот методический прием, авторы сочли возможным включить в основной текст статьи свое небольшое лирические отступление. С детства многим знакома притча о том, как пять мудрецов в полной темноте на ощупь определяли, как выглядит слон. Эта тема нашла блестящее отражение в стихах «Ученый спор» американского поэта Джона Годфри Сакса и российского классика С.Я. Маршака. Представления о слоне каждого из мудрецов зависели от того, к какой части тела животного (хвост, бивень, нога, хобот или брюхо) он прикасался. Вспомнить эту притчу позволил анализ достоверности формируемых сегодня представлений об уровне общего загрязнения атмосферы Российской Федерации и, в частности, данных о концентрации парниковых газов (ПГ). Основная сеть наблюдений за загрязнениями атмосферного воздуха Российской Федерации сосредоточена в европейской части страны. За Уралом, особенно в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке, сеть наблюдений достаточно редкая. Не случайно реальное состояние атмосферы городов и населенных пунктов России представляется в обобщенном виде тем самым «слоном», которого на ощупь изучали слепые мудрецы. Загрязнения атмосферного воздуха регулярно измерялись в 225 городах на 631 посту (в среднем приходится меньше трех постов на один город). В результате осуществляемого мониторинга установлено, что в городах Российской Федерации с высокой и очень высокой степенями загрязнения воздуха проживает 54,2 млн человек. В 204 городах (в том числе и в Москве), где проживает 81 % городского населения (66,6 млн человек), средняя концентрация загрязняющих веществ превышает ПДК по одному или нескольким показателям. Достоверность этих обобщенных количественных оценок загрязнений воздуха воспринимается с определенными сомнениями. На территории Москвы площадью более 2,5 тыс. квадратных километров, где проживают больше 12 миллионов человек, расположено всего 17 постоянных постов наблюдений [7]. Они подразделяются на три группы [1]: городские «фоновые» (6 постов); «промышленные» (6 постов), расположенные вблизи предприятий; «автомобильные», размещенные вблизи крупных магистралей. В математической статистике существует понятие «репрезентативная (представительная) выборка», под которой понимается такой по объему набор обобщенно изучаемых показателей, который с высокой степенью вероятности гарантирует достаточную точность расчетных параметров. Одиннадцать фактических замеров в пунктах загрязнения воздуха и шесть «фоновых» замеров в «жилых» районах города с большой натяжкой можно назвать репрезентативной (представительной) выборкой, на базе которой можно было бы обеспечить необходимую точность средних для всей Москвы математических расчетов загрязнений атмосферного воздуха. Указанного количества пунктов осуществляемого контроля явно недостаточно для обоснованного суждения о состоянии атмосферы города Москвы и его промышленных зон. Не случайно имевшие место в прошлом жалобы жителей на появляющиеся довольно часто неприятные запахи и затрудняющие дыхание выбросы каких-то неизвестных веществ зачастую не заканчивались точным выявлением виновных предприятий или должностных лиц. При редкой сети наблюдений трудно определить в реальном масштабе времени источник утечки загрязнений. В Москве это бывало π8/2015 [Õ√Õ] 64 экологическая и промышленная безопасность неоднократно. Так, например, 10 ноября 2014 г. потребовалось личное вмешательство главы Минприроды России С.Е. Донского, чтобы выявить причину загрязнения воздуха столицы сероводородом [5]. Система контроля за загрязнениями атмосферы должна быть более надежной. Анализ изменчивости концентрации ПГ в России выполняется, по данным Росгидромета [14], на основании замеров всего на 4 станциях наблюдения: Териберка (СО2, СН4), Новый Порт (СО2, СН4), Воейково (СН4) и Тикси (СО2, СН4). Для сравнения привлекаются показатели замеров американской станции Барроу. Результаты наблюдений на станциях Териберка и Тикси представляются в Японию, в мировой центр данных по ПГ. Результаты измерений на указанных станциях обрабатываются, по ним строятся графики годовых изменений содержания метана и углекислого газа. В сумме они дают представление о количествах ПГ только в четырех указанных точках. Для всей остальной территории Российской Федерации представления о концентрации ПГ в атмосфере формируются на базе указанной выше разрозненной сети городских постов. Не случайно в распоряжении правительства РФ о сокращении выбросов ПГ одним из ключевых пунктов утвержденного плана мероприятий предусматривается организация работ по учету в 2014-2015 гг. объемов выбросов загрязняющих веществ, в том числе крупными предприятиями. На наш взгляд, это совершенно справедливое требование, так как учет вредных выбросов в атмосферу (в том числе и ПГ) еще далек от необходимого уровня достоверности контроля. Кроме создания новых постов наблюдения, возможно, следует рассмотреть вопрос об объединении в общий «котел» ведомственных лабораторий Минздрава России, Минобороны России и других ведомств. Сделать это необходимо если не в организационном, то хотя бы в общеметодическом плане (с целью повышения качества работы и обобщения полученных данных под эгидой Росгидромета). Первые ПДК для 10 наиболее распространенных загрязнителей воздуха (взвешенные вещества, сернистый газ, двуокись азота, окись углерода и другие) были утверждены Минздравом СССР в 1951 г. К 1989 г. были установлены ПДК для 324 химических соединений и для 49 их смесей. Сегодня список ПДК загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест включает в Таблица 5 Выбросы в атмосферу России загрязняющих веществ Выбросы в атмосферу , тыс. т/год 2013 год РФ % Москва % 31 870,9 100 995,9 100 Автомобильные источники 13 424,4 42,1 929,9 93,4 Стационарные источники 18 446,5 57,9 66,0 6,6 4 249,2 100 17,1 100 75,9 1,8 4,2 24,6 Стационарные 4173,3 98,2 12,9 75,4 Всего 3433,3 100 108,9 100 Автомобильные 1 459,1 42,5 75,8 69,6 Общий объем выбросов (всего) из них из них Всего Диоксид серы (SO2) Оксиды азота (NOx) Автомобильные Стационарные Оксид углерода (CO) Твердые вещества NН3 ЛОС На душу населения г. Москвы, т/чел. 1 974,2 57,5 33,1 30,4 Всего 15 757,5 100 757,6 100 Автомобильные 10 406,6 66,0 750,8 99,1 Стационарные 5 350,9 44,0 6,8 0,9 Всего 2 033,4 100 2,7 100 Автомобильные 24,9 1,2 1,5 55,5 Стационарные 2 008,5 98,8 1,2 44,5 Всего 81,9 100 н/д – Автомобильные 35,3 43,1 н/д – Стационарные 46,6 56,9 н/д – Всего 2 823,8 100 98,8 100 Автомобильные 1 368,0 48,4 91,6 92,7 Стационарные 1 455,8 51,6 7,2 7,3 0,222 0,082 Источник: Минприроды России [7]. π8/2015 [Õ√Õ] 65 экологическая и промышленная безопасность себя 656 наименований химических соединений и 50 наименований их смесей. Насколько известно, в большинстве действующих на территории страны лабораторий, контролирующих качество загрязненного воздуха, нет реальной возможности провести определение содержания такого количества компонентов. Пробы воздуха обычно анализируются на содержание диоксида серы, диоксида и оксида азота, аммиака, сероуглерода, фтористого водорода, формальдегида, фенола, сероводорода и бенз(а) пирена. Концентрация металлов определяется в процессе анализа аэрозольных фильтров. Определяется также содержание взвешенных веществ. Отметим, что список ПДК веществ, загрязняющих питьевую воду, включает в себя 1356 наименований. В реальной жизни проверка пригодности воды для питьевых целей в России, США и ЕС включает определение порядка 25 показателей ее качества, объединенных в четыре группы: органолептические показатели (запах, цвет, привкус, мутность), химические показатели (рН, жесткость, фенольный индекс и др.), неорганические вещества (металлы, сульфаты, нитраты, хлориды, и др.) и микробиологические показатели. На наш взгляд, наблюдается какое-то возрастающее с годами рассогласование между грандиозными списками ПДК и реальными возможностями большинства лабораторий. В феврале 2015 г. в ООН подвели предварительные итоги реализации Киотского протокола, который был принят 11 декабря 1997 г. и вступил в силу 16 февраля 2005 г. в Киото (Япония). По полученным данным, за прошедшие 10 лет в результате коллективных действий удалось сократить эмиссию парниковых газов на 20 %. Для дальнейшего успешного решения этой задачи было бы целесообразно более детально уточнить наши представления о положительных качествах и имеющем место негативе в использовании природного газа, а также о роли азота в процессах глобального потепления и экологической безопасности населения. Полагаем, что природный газ в перспективе останется одним из основных видов природных ресурсов, используемых обитателями Литература 1. Аналитический обзор «Качество воздуха в крупнейших городах России за десять лет (1998-2007 гг.)». Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова (Росгидромет). – СПб., 2009. 2. Бгатов В.И. История кислорода земной атмосферы. – М.: Недра, 1985. 3. Бондаренко Е.В., Ерохов В.И. Образование окислов азота при сгорании моторных топлив // Вестник ОГУ. Приложение «Автотранспортные системы». – 2004. – С. 31-43, 4. В ООН подвели предварительные итоги реализации Киотского протокола. Радио ООН. 17.02.2015. 5. Глава Минприроды поручил проверить возможные источники загрязнения воздуха в Москве. Интерфакс, 10.11.2014. 6. ГН 2.1.6. 1338-03. Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест. Введены 05.30.2003. – М.: Министерство здравоохранения РФ. 7. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2013 году». Минприроды России, 2014. 8. Зельдович Я.Б., Садовников П.Я., Франк-Каменецкий М.Д. Окисление азота при горении. – М.-Л.: Изд-во АНСССР, 1947. 9. Иванов В.А., Елохов А.С., Постыляков О.В. О возможности оценки объемов выбросов в городах. – М.: Ин-т физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, 2012. 10. Иванов В.В. Экологическая геохимия элементов. – М.: Недра, 1994. 11. Корпорация ВР подсчитала мировые запасы нефти и газа. [Õ√Õ] 66 π8/2015 Земли. Поиски и разведка новых промышленных месторождений этого эффективного вида сырья и топлива будут продолжены и после освоения ресурсов сланцевого газа. Да и сам сланцевый газ сегодня практически уже воспринимается в единстве с нетрадиционным газом плотных (слабопроницаемых) пород. За ними последуют метан, растворенный в подземных водах, ресурсы газовых гидратов и газ угольных бассейнов. Где-то вдали гипотетически просматриваются углеводородные моря спутников Юпитера и других планет Солнечной системы. И если, как утверждал В.И. Вернадский, жизнь есть борьба за газ, то значит, в ней должны быть и место, и методы, и средства, достаточные для экологически приемлемого использования ископаемых ресурсов природного газа и защиты от загрязнений атмосферного воздуха. В связи с этим полагаем, что обозначенные в статье проблемные вопросы о негативе природного газа и антропогенных выбросов образуемых в процессе его горения опасных веществ требуют дальнейшего углубленного изучения. 12. 16.06.2014. (http://www.vz.ru/news/2014/6/16/691345.html). 13. Метан – фундамент «экологического плана» Обамы // Нефть России, ECOportal, 07.06.2014. 14. Опаловский А.А. Планета Земля глазами химика. – М.: Наука, 1990. 15. Обзор состояния и загрязнения окружающей среды в РФ за 2013 год. Росгидромет. – М., 2014. 16. Первый двухгодичный доклад РФ, представленный в соответствии с Решением 1/СР.16 Конференции сторон рамочной Конвенции ООН об изменении климата. Росгидромет. – М., 2014. 17. Петренко Ю. Окись азота и судьба человека. Наука и жизнь (www.nkj.ru/archive/RTICLES/6410/). 18. Прогноз долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации на период до 2030 года. Минэкономразвития России, 2013. 19. Солодова А. Переход на природный газ не уменьшит парниковый эффект. 18.04.2010. 20. Справочник газоснабжения. Глава 8. Характеристика горения газов. Химгазкомплект, 2014. 21. США вдвое сократили выбросы азота. 27.06.2014. 22. Фаляхов Р. Российский уголь греет немцев. Gazeta.ru. 14.02.2015. 23. BP Statistical Review of World Energy, 2013. 24. WorldBank. Petroleum Refining. 1998. http://www.itf.org/ ifcext/enviru.nsf/content/Environment Guide line). 25. Экология – корове под хвост. Russian-American Репортер, 02.02.2014. π8/2015 [Õ√Õ] 66
