Ученые Пермского Политеха выяснили, как газотурбинные установки влияют на глобальное потепление

Сегодня в мире актуально использование чистой, надежной и относительно экономичной энергии, поэтому особое внимание обращено к области водородной энергетики. Водород – перспективный ресурс с точки зрения декарбонизации  промышленности (сокращения выбросов парниковых газов) и может быть использован в топливных элементах, двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах. Его применение в энергоустановках значительно снижает их влияние на глобальное потепление. Но сам процесс производства водорода, а также разработка, эксплуатация и утилизация этих устройств сопровождается значительными выбросами. Поэтому для полноценного развития водородной энергетики необходимо достоверно определить воздействие энергоустановок на окружающую среду по величине углеродного следа. Подход ученых Пермского Политеха помог выявить, какой объем парниковых газов образуется на протяжении всего жизненного цикла устройств для производства электроэнергии, в частности, газотурбинных установок.

Статья с результатами опубликована в журнале «Energies», 2024 год. Исследования выполнены при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (проект № FSNM-2023-0004).

Углеродный след – это совокупность всех парниковых газов, прямо или косвенно произведенных объектом. Применение водорода в промышленности уменьшает их образование, но его производство все равно значительно влияет на общий объем выбросов парниковых газов. Чтобы правильно оценить эффект от использования водорода, важно учитывать этапы жизненного цикла как самого топлива, так и энергетических установок. То есть все процессы от добычи сырья, их производства до утилизации. Это позволяет понять, какой вклад вносят энергоустановки в глобальное потепление.

Из всех энергетических установок газотурбинные (ГТУ) отличаются значительно меньшим выбросом парниковых газов. Большинство существующих ГТУ без изменения конструкции могут работать на топливной смеси с содержанием водорода до 20%, при этом снижать выбросы оксидов азота в 4 раза и углекислого газа –  в 1,5. Новые же ГТУ, оснащенные двузонными малоэмиссионными камерами сгорания, позволяют сжигать газовые смеси с 50%-й долей водорода и уже разрабатываются установки, позволяющие использовать только водородное топливо.

Существующие исследования по оценке жизненного цикла ГТУ учитывают не все важные параметры и условия, определяющие углеродный след. Не рассматриваются процессы обработки материалов при производстве элементов оборудования, транспортировка деталей и конструкций, техническое обслуживание и ремонт установки на этапе эксплуатации. Хотя эти показатели значительно влияют на выбросы парниковых газов.

Оценить жизненный цикл ГТУ от добычи сырья до утилизации в конце срока службы – очень трудоемкая задача, так как это многокомпонентное и технически сложное устройство. Для этого ученые Пермского Политеха изучили подходы к оценке жизненного цикла других «топливных» и «бестопливных» (ветрогенераторы, солнечные батареи) установок для производства электроэнергии. На этом основании выявили подход, который позволяет полноценно рассчитать величину углеродного следа от ГТУ в энергетической промышленности.

– Мы рассмотрели аспекты оценки жизненного цикла ветряных турбин, электромобилей, самолетов, автобусов, газотурбинных и парогазовых установок. Проанализировали производство этих устройств, сборку, монтаж и дальнейшее обслуживание, производство самого топлива и электрической энергии, а также направления утилизации объектов. Каждый из этих этапов и процессов по-своему влияет на глобальное потепление, – рассказывает доцент кафедры охраны окружающей среды ПНИПУ, кандидат технических наук Юлия Мозжегорова.

Политехники выяснили, что углеродный след сильно зависит от отдельных материалов, используемых при изготовлении технически сложных устройств. Так, в ГТУ их может быть более 50 и производство основных металлов, и их обработка обеспечивают половину от общих выбросов углекислого газа.

– Оценивая углеродный след отечественной газотурбинной установки (ГТУ-16П) без учета этапа эксплуатации, мы определили, что основной вклад в глобальное потепление вносит этап изготовления и установки ее фундамента (62% от общих выбросов). Углеродный след производства самой установки составил 35%, а утилизации ГТУ и ее фундамента – всего 2,7%, – поделилась Юлия Мозжегорова.

Однако анализ углеродного следа всего жизненного цикла ГТУ показал, что более 99% приходится на этап эксплуатации установки. Значит, чтобы уменьшить выбросы углекислого газа, важно знать, какой объем вырабатывается при производстве и использовании топлива. Например, углеродный след ГТУ при использовании водорода составляет 198 кг СО2-экв/МВт*ч, тогда как с природным газом или дизельным топливом значительно увеличивается до 523 и 757 кг СО2-экв/МВт*ч.

Разработанный подход ученых Пермского Политеха позволяет полномасштабно оценить, как и какие параметры производства электроэнергии в ГТУ влияют на окружающую среду. Исследование показало, что значение углеродного следа газотурбинных установок меньше, чем у других технически сложных устройств. Это говорит об эффективном использовании ГТУ на водородном топливе для производства электроэнергии с точки зрения выбросов парниковых газов.