Вплив на довкілля, що створюється викидами, в основному залежить від використовуваного палива та техніки трансформації енергії палива. Вид палива впливає на склад викидів, оскільки, в залежності від його якості, процес горіння супроводжується небажаними домішками, такими як сірка та азот.
Природний газ є дуже чистим паливом. Він переважно не містить забруднюючих домішок. Газойль теж чисте паливо, він майже (за винятком сірки) не дає шкідливих викидів. Топковий мазут (ТМ) марки HFO, торф та вугілля містять сірку та інші домішки, див. табл. 1.
Таблиця 1. Викиди при перетворенні енергії
| SO2 | ППил | NNOx (O3) | CCO | Радіоактивність | ІIнші | Кліматоакт. гази |
| Природний газ | СO2, CH4 | |||||
| Нафта | СO2, CH4 | |||||
| Вугілля | СO2, CH4 | |||||
| Уран | ||||||
| Сонце, вітер, гідроресурси. | ||||||
| Біомаса | N2O | |||||
| Геотермальний | HН2S |
2.1 Основні типи викидів при трансформації палива
Основні викиди шкідливих речовин, що супроводжують трансформацію палива при перетворенні його у кінцеву енергію, такі:
- СО2 - головний газ, котрий викликає парниковий ефект. Паливо з високим вмістом водню, наприклад природний газ, створює менше СО2 на одиницю корисної енергії, ніж паливо з високим вмістом вуглецю, наприклад вугілля.
- SO2 – виникає при згорянні сірки, яка міститься у паливі. Наступні реакції двоокису сірки з водою у атмосфері викликають появу кислотних з’єднань, котрі є головною причиною кислотних дощів. Тверді палива зв’язують деяку частину сірки у золі, але в загальному підвищений вміст сірки у твердих паливах призводить до її підвищеного викиду при згорянні таких палив.
- NOx викликає утворення азотнокислих сполук над поверхнею землі, що дуже шкідливо для дихальної системи людини. Основні джерела NOx -це високотемпературні реакції N2 + O2, продукти яких залежать від максимальної температури, часу перебування палива у топці та присутні у паливі сполук NOx. Кількість перших сполук можна зменшити шляхом спеціальних умов горіння, а другі лише спеціальною обробкою палива перед спалюванням.
- СО – чадний газ – це токсичний газ, який виникає при неповному згорянні. Великі викиди СО не тільки шкідливі, а й призводять до втрати енергії. Концентрація СО головним чином залежить від самого процесу горіння.
- Тверді викиди утворюються в процесі горіння нафти, вугілля та інших твердих палив. Низькоякісне вугілля та неефективні умови згоряння можуть призвести до утворення аерозолів, які шкідливо впливають на дихальну систему людини. Необхідно видаляти золу, яка утворюється у процесі спалювання вугілля. Очевидно, що зі спалюванням вугілля та нафти зв’язані викиди мілких частинок важких металів та вуглеводнів, які є канцерогенами.
- Топковий мазут (ТМ) марки HFO та вугілля містять сірку та інші шкідливі домішки, див. табл. 2.
Таблиця 2. Інформація про шкідливі викиди різних видів палива
| Паливо | СО2 | SO2 | NOx | CO |
| грам/кВт∙год теплов. виходу | грам/кг палива | |||
| Вугілля | 262 | 3.31 | 6.1 | 5.2 |
| ТМ | 213 | 3.37 | 7.5 | 0.5 |
| Газойль | 199 | 0.17 | 2.6 | 0.2 |
| Природний газ | 144 | - | 2.6 | 0.1 |
2.2 Викиди енергетичних підприємств
Характеристики викидів для різних комбінацій технологій перетворення палива змінюються у широкому діапазоні внаслідок описаних вище факторів. Порівняння різних можливих варіантів процесу трансформації палива представлено у таблиці 3. Бачимо, що стосовно виду палива найчистішими є газоспалюючі пристрої, а щодо виду технологічного процесу найчистішими є котли.
Зверніть увагу:
Викиди, показані для ТЕЦ, віднесені до кВт∙год електричної енергії. Для розрахунку питомих загальних викидів, які дає ТЕЦ, необхідно розрахувати теплову продуктивність ТЕЦ, тоді, визначивши величину грам/кВт∙год для повного виходу (теплового + електричного), ми можемо знайти питомі викиди.
2.3 ККД електропостачання
Електроенергія може бути отримана лише після переробки первинного палива. Існує велика кількість різних типів обладнання для трансформації палива, чи первинної енергії у електроенергію як на національному, так і на місцевому рівнях. Розглянемо найпоширеніші з них:
Електричні станції. Більшість видів палива використовуються для генерування електроенергії переважно за допомогою парових циклів. Затрати на її генерацію та негативний вплив на довкілля при генерації електроенергії дуже сильно залежать від виду палива та вибраної технології перетворення, наприклад, використання гідроресурсів чи спалювання вугілля.
Таблиця 3. Викиди енергетичних систем
| Система | Паливо | СО2 | SO2 | NOx | Т: М |
| Котел | грам/кВт-год вихід тепла | грам/кВт-год вихід тепла | грам/кВт-год вихід тепла | ||
| ККД 80% | Вугілля (2% S) | 410 | 5.12 | 0.78 | |
| ТМ (2.5% S) | 333 | 5.27 | 0.79 | ||
| Газойль (0.3% S) | 313 | 0.59 | 0.26 | ||
| Газ | 226 | - | 0.22 | ||
| ТЕЦ | грам/кВт-год електричний вихід | грам/кВт-год електричний вихід | грам/кВт-год електричний вихід | ||
| Газова турбіна | Прир. газ | 610 | - | 1.10 | 1.6 |
| газойль | 800 | 1.40 | 1.60 | ||
| ГТОЦ | Прир. газ | 510 | - | 0.90 | 1.1 |
| Парова турбіна | Прир. газ | 1.510 | - | 1.50 | 5.5 |
| Вугілля (2% S) | 2.700 | 34.30 | 5.20 | ||
| ТМ (2.5% S) | 2.220 | 35.20 | 5.30 | ||
| Дизельний двигун | Прир.газ (+масло для запалюв.) | 500…600 | 0.10 | 5…10 | 1.4 |
| ТМ (2.5% S) | 700…800 | 10.80 | 8…15 | ||
| Крб.двигун (комб. згоряння) | Природний газ | 500 | - | 3 | 1.6 |
| Центральна електро-станція | грам/кВт-годелектричний вихід | грам/кВт-годелектричний вихід | грам/кВт-годелектричний вихід | ||
| Парова турбіна | Вугілля | 990 | 15.0 | 3.60 | |
| Вугілля, низьк. NOx, | 990 | 1.10 | 2.10 | 0 | |
| ГТОЦ | Прир. газ | 450 | - | 0.40 | 0 |
| Середнє | Вугілля | 990 | 15.00 | 2.70 | 0 |
| Разом | 684 | 9.00 | 1.70 |
У табл. 4. показано типові ККД для різних типів електричних станцій.
В Україні існує тенденція до зростання частки електроенергії, що вироблена на атомних станціях, але на сьогодні більша частина електроенергії поки що виробляється з вугілля та нафтопродуктів.
Таблиця 4. ККД електропостачання
| Пристрої для спалювання палива | ККД, % |
| Традиційні з прямим згорянням вугілля/нафти | 30 |
| Традиційні з прямим згорянням вугілля/нафти – удосконалена техніка | 44 |
| Газова турбіна з об’єднаним циклом (ГТОЦ) | 55 |
| ГТОЦ, краща техніка майбутнього | 60 |
Місцеве виробництво електроенергії
Електроенергію можливо виробляти на місцевому рівні. Переважно це досягається за допомогою спільного виробництва тепла та електроенергії (когенерація) на ТЕЦ, де утилізується тепло у процесі генерування електроенергії, підвищуючи загальний ККД системи.
Економічна доцільність місцевих ТЕЦ залежить від рівня утилізації тепла шляхом його використання у технологічних процесах або для опалення приміщень. Тому, незважаючи на додаткові капітальні та затрати на експлуатацію, використання місцевих ТЕЦ часто є дешевшим, ніж споживання електроенергії, яка постачається з загальнодержавної енергосистеми. При цьому слід також враховувати негативні впливи на навколишнє середовище, зумовлені спалюванням видобувного палива на ТЕЦ, що також лягає додатковим тягарем на користувача та виробника місцевої електроенергії.
2.4 Вибір джерела енергії
При виборі джерела електричної енергії можливі два варіанти:
- придбання електроенергії з мережі (енергосистеми) – висока ціна, але відсутні інші витрати;
- виробіток власними силами – низька ціна електроенергії, але витрати на обладнання та очисні пристрої для зменшення шкідливих викидів.
Для великих енергокористувачів найбільш ефективним рішенням з точки зору фінансів та надійності енергопостачання буде, очевидно, комбінація цих двох можливостей. Для малих користувачів або користувачів, які не мають необхідних технічних спеціалістів на об’єкті, кращим рішенням буде закупка енергії з мережі (енергосистеми).
2.4.1 Тепло
Найбільшу потребу промисловість має у тепловій енергії. Генерування тепла може бути розділено на два самостійні види:
- використання первинних(вторинних) видів енергії для отримання тепла, наприклад, у вигляді пари; для цього використовуються різного типу котли;
- пряме використання первинних (вторинних) видів енергії для нагріву, наприклад, плавильні печі.
2.4.2 Перетворення палива у тепло
У багатьох випадках тепло, отримане при згорянні первинного та вторинного палив, безпосередньо не використовується. Тепло передається воді або повітрю для розподілу і доставки до місця використання чи збереження. В таких випадках зазвичай використовують КОТЕЛ. Відомо багато типів пальників та котлів для різних видів палива, типові значення їх ККД наведені у табл. 5.
Таблиця 5. Типові значення ККД в залежності від виду палива
| Перетворення палива у тепло для непрямого використання | ||
| ККД, % | ||
| Добовий | Річний | |
| Вугілля | 86 | 75 |
| Нафта | 84 | 80 |
| Газ | 80 | 78 |
Котли різного призначення та конструкцій мають різні ККД. Їх величини показані у табл. 6.