Как рассчитать выброс парниковых газов: пример расчёта

Дано: за год котельная сожгла 120 000 м³ природного газа, автопарк израсходовал 8000 л дизельного топлива, технологические потери газа составили 0,5 % расхода. Найти: суммарный выброс парниковых газов в тоннах CO2-эквивалента.

Схема расчёта одна для всех источников: расход топлива переводят в энергию по низшей теплоте сгорания, энергию умножают на коэффициенты эмиссии каждого газа, массы метана и закиси азота приводят к CO2-эквиваленту через потенциал глобального потепления, а полученные тонны складывают. Ответ: 259,5 т CO2-эквивалента в год. Калькулятор сверху пересчитывает итог под любой расход и любой набор потенциалов, а ниже разобран каждый шаг.

Решение по шагам

Дано. Расходы топлива и справочные коэффициенты эмиссии:

Плотность дизтоплива 0,84 кг/л, плотность метана 0,717 кг/м³. Потенциалы глобального потепления на горизонте 100 лет: у метана 28, у закиси азота 265, у самого CO2 он равен единице по определению.

Шаг 1. Перевести расход в энергию. Коэффициенты эмиссии заданы на единицу энергии, а не на кубометр или литр, поэтому сначала считаем тепло сожжённого топлива:

$$E = FC \cdot NCV.$$

Для газа расход сразу объёмный, а для дизтоплива сначала нужна масса:

$$\begin{aligned} E_{\text{газ}} &= 120\,000 \cdot 33{,}5 = 4\,020\,000\ \text{МДж} = 4020\ \text{ГДж}, \\ m_{\text{диз}} &= 8000 \cdot 0{,}84 = 6720\ \text{кг}, \\ E_{\text{диз}} &= 6720 \cdot 43{,}0 = 288\,960\ \text{МДж} = 288{,}96\ \text{ГДж}. \end{aligned}$$

Шаг 2. Найти массы газов от сжигания. Масса каждого газа считается по одной формуле $M_i = E \cdot EF_i$, меняется только коэффициент. Для котельной:

$$\begin{aligned} M_{\text{CO}_2} &= 4020 \cdot 56{,}1 = 225\,522\ \text{кг}, \\ M_{\text{CH}_4} &= 4020 \cdot 0{,}001 = 4{,}02\ \text{кг}, \\ M_{\text{N}_2\text{O}} &= 4020 \cdot 0{,}0001 = 0{,}402\ \text{кг}. \end{aligned}$$

Шаг 3. Привести газы к CO2-эквиваленту. Складывать килограммы разных газов напрямую нельзя: килограмм метана греет атмосферу сильнее килограмма CO2. Массы умножают на потенциал глобального потепления:

$$E_{\text{CO}_2\text{-экв}} = \sum_i M_i \cdot GWP_i.$$

Для котельной получаем 225 522 кг CO2, $4{,}02 \cdot 28 = 112{,}6$ кг CO2-экв по метану и $0{,}402 \cdot 265 = 106{,}5$ кг по закиси азота. Вместе это 225 741 кг, то есть 225,74 т CO2-экв.

Шаг 4. Повторить для дизтоплива. Те же три действия с энергией 288,96 ГДж:

$$\begin{aligned} M_{\text{CO}_2} &= 288{,}96 \cdot 74{,}1 = 21\,411{,}9\ \text{кг}, \\ M_{\text{CH}_4} &= 288{,}96 \cdot 0{,}0039 = 1{,}127\ \text{кг} \Rightarrow 1{,}127 \cdot 28 = 31{,}6\ \text{кг CO}_2\text{-экв}, \\ M_{\text{N}_2\text{O}} &= 288{,}96 \cdot 0{,}0039 = 1{,}127\ \text{кг} \Rightarrow 1{,}127 \cdot 265 = 298{,}6\ \text{кг CO}_2\text{-экв}. \end{aligned}$$

Сумма по автопарку: $21\,411{,}9 + 31{,}6 + 298{,}6 = 21\,742$ кг, то есть 21,74 т CO2-экв.

Шаг 5. Учесть утечки газа. Здесь топливо не горит, а уходит в атмосферу как есть, поэтому считается не энергия, а масса метана:

$$\begin{aligned} V_{\text{ут}} &= 120\,000 \cdot 0{,}005 = 600\ \text{м}^3, \\ m_{\text{CH}_4} &= 600 \cdot 0{,}717 = 430{,}2\ \text{кг}, \\ E_{\text{ут}} &= 430{,}2 \cdot 28 = 12\,045{,}6\ \text{кг} = 12{,}05\ \text{т CO}_2\text{-экв}. \end{aligned}$$

Шаг 6. Просуммировать источники.

$$E_{\Sigma} = 225{,}74 + 21{,}74 + 12{,}05 = 259{,}53\ \text{т CO}_2\text{-экв}.$$

Ответ. Годовой выброс равен 259,5 т CO2-эквивалента. В разбивке по газам: 246,9 т приходится на углекислый газ (95,1 %), 12,2 т на метан (4,7 %) и 0,41 т на закись азота (0,16 %).

Формула и откуда берётся коэффициент эмиссии

Базовая формула инвентаризации одинакова в любой методике: выброс равен произведению данных о деятельности на коэффициент эмиссии, $E = AD \cdot EF$. Данные о деятельности - то, что предприятие реально измерило: кубометры газа по счётчику, литры топлива по путевым листам. Коэффициент эмиссии переводит эту величину в массу газа.

Сам коэффициент не берётся с потолка. Для CO2 он выводится из содержания углерода в топливе: весь углерод при полном сгорании превращается в углекислый газ, а молярная масса CO2 относится к массе углерода как 44 к 12. У природного газа содержание углерода около 15,3 кг на ГДж, отсюда

$$EF_{\text{CO}_2} = 15{,}3 \cdot \frac{44}{12} = 56{,}1\ \text{кг/ГДж},$$

а у дизтоплива углерода больше, 20,2 кг на ГДж, и коэффициент выходит 74,1. Отсюда и репутация газа как более чистого топлива: на ту же энергию он даёт примерно на четверть меньше CO2. В формуле есть ещё коэффициент окисления, но для газа и жидкого топлива его принимают равным единице.

Коэффициенты метана и закиси азота устроены иначе: эти газы образуются не из-за состава топлива, а из-за несовершенства горения. Поэтому они зависят от типа установки: у стационарного котла на газе метана 1 кг на ТДж, а у дизельного двигателя на дороге почти вчетверо больше. В справочниках такие значения дают на ТДж, и путаница между ТДж и ГДж - самый частый источник промаха в тысячу раз.

Почему метан и закись азота считают через GWP

Потенциал глобального потепления - отношение нагревающего эффекта килограмма газа к эффекту килограмма CO2 за выбранный горизонт времени. Величина безразмерная и всегда привязана к горизонту: метан живёт в атмосфере около двенадцати лет, но поглощает инфракрасное излучение куда активнее, поэтому на столетнем горизонте его GWP равен 28, а на двадцатилетнем - уже 84. Горизонт указывают обязательно, иначе цифру нельзя ни проверить, ни сравнить.

Наборы потенциалов различаются от доклада к докладу: в AR4 у метана было 25, у закиси азота 298; в AR5 стало 28 и 265; в AR6 - 27,9 и 273. В нашей задаче переключение с AR5 на AR4 меняет итог с 259,5 до 258,3 т, то есть меньше чем на полпроцента: у нас мало закиси азота, а именно её коэффициент пересматривался сильнее всего. На предприятии с азотными удобрениями разница дошла бы до нескольких процентов, поэтому в отчёте всегда пишут, откуда взяты потенциалы.

Расчёт заодно показывает, почему за утечками следят отдельно. При горении метана образовалось 4 кг, в эквиваленте 0,1 т - можно округлить в ноль. Утечка тех же 0,5 % расхода дала 430 кг метана и 12,05 т CO2-эквивалента: больше половины годового следа автопарка. Полпроцента незаметны в балансе топлива, но хорошо видны в углеродном отчёте.

Если расход задан в других единицах

Условия задач редко приходят готовыми к подстановке. Тонны условного топлива переводятся напрямую: 1 т у. т. равна 29,31 ГДж, и энергию считать уже не нужно. Киловатт-часы переводятся как 1 кВт·ч = 3,6 МДж. Если газ дан в тоннах, нужна плотность природного газа 0,68–0,73 кг/м³ из паспорта поставщика, а не справочная плотность чистого метана. Расход автотранспорта часто задают пробегом и нормой на 100 км: сначала получают литры, дальше всё как в шаге 4. Пересчёт долей разобран в задаче как перевести проценты в граммы, а теплота сгорания - в разборе задач на сгорание топлива.

Ответ полезно проверять грубыми ориентирами. Тысяча кубометров природного газа даёт около 1,9 т CO2, один литр дизтоплива - около 2,7 кг. Умножаем: $120 \cdot 1{,}9 = 228$ т и $8000 \cdot 2{,}7 = 21{,}6$ т. Сходится с точным расчётом, значит, порядок не потерян. Прикидка ловит как раз промахи в тысячу раз, а оценивать точность самих коэффициентов помогает разбор про абсолютную погрешность.

Отдельно про границы расчёта. Сожжённое на месте топливо и утечки - прямые выбросы, охват 1. Купленные электроэнергия и тепло - охват 2: их считают по коэффициенту энергосистемы и в наш итог не включают, иначе выбросы электростанции будут посчитаны дважды. Похожая логика границ работает и при определении класса опасности отхода: в формулу обязаны попасть все компоненты, но ровно по одному разу.

Частые ошибки

• Умножают расход на коэффициент эмиссии напрямую. Коэффициент задан на гигаджоуль, а не на кубометр: без шага с теплотой сгорания результат бессмыслен.
• Путают ТДж и ГДж. В справочниках коэффициенты чаще даны на терджоуль, в расчёте удобнее гигаджоуль. Ошибка в приставке даёт промах ровно в 1000 раз.
• Складывают массы газов без GWP. Килограмм метана и килограмм CO2 в сумме не дают двух килограммов CO2-эквивалента: до сложения метан нужно умножить на 28.
• Берут потенциалы из разных докладов. Метан по AR6 и закись азота по AR4 в одном расчёте: итог невозможно воспроизвести.
• Забывают перевести литры в килограммы. Теплота сгорания дизтоплива дана на килограмм, поэтому 8000 л сначала превращаются в 6720 кг через плотность.
• Учитывают только сгоревшее топливо. Утечки и продувки дают отдельный вклад, в CO2-эквиваленте куда больший, чем кажется по объёму.

FAQ

Чем CO2-эквивалент отличается от массы выброшенного CO2? Масса CO2 - это только углекислый газ. CO2-эквивалент приводит к общей шкале все парниковые газы: массу каждого умножают на его потенциал глобального потепления и складывают. В нашем примере чистого CO2 246,9 т, а в эквиваленте выходит 259,5 т.

Откуда брать коэффициенты эмиссии для отчёта? Из методики, по которой отчитывается предприятие: там есть таблицы по видам топлива и типам установок. Значения МГЭИК годятся для учебных задач и как значения по умолчанию, если своих замеров нет.

Нужно ли считать выбросы от покупной электроэнергии? В прямых выбросах нет: это охват 2. Их считают отдельно, умножая киловатт-часы на коэффициент энергосистемы, и показывают отдельной строкой.

Почему утечка метана весит больше, чем метан от горения? При сгорании метан почти весь превращается в CO2, и в атмосферу уходят единицы килограммов. Утечка выпускает его целиком: 600 м³ - это 430 кг, а после умножения на GWP 28 выходит 12 т CO2-эквивалента.

Коротко

1. Перевести расход каждого топлива в энергию: $E = FC \cdot NCV$, для жидкого топлива предварительно получив массу через плотность.
2. Умножить энергию на коэффициенты эмиссии CO2, CH4 и N2O и получить массы газов в килограммах.
3. Привести метан и закись азота к CO2-эквиваленту, умножив массы на потенциал глобального потепления с указанием горизонта и доклада.
4. Отдельно посчитать утечки: там работает не энергия, а масса ушедшего газа, объём переводится в килограммы через плотность.
5. Сложить вклады всех источников. В разобранном примере получается 225,74 + 21,74 + 12,05 = 259,5 т CO2-эквивалента в год.