Сокращение выбросов в США: как улучшить новые правила для ТЭС?

Новые правила Агентства по охране окружающей среды США (EPA), утвержденные в 2024 году, способны значительно сократить выбросы от электростанций, работающих на ископаемом топливе. Однако, согласно исследованию Принстонского университета, опубликованному в журнале One Earth, эти меры могут оказаться недостаточно эффективными и не использовать все возможности для экономически целесообразного снижения вредных выбросов.

Анализ оценивает влияние регулирования EPA на американскую электроэнергетику в условиях неопределенности, поскольку исследователи ожидают возможного пересмотра этих правил при текущей администрации Трампа. Нормативы устанавливают лимиты на выбросы диоксида углерода для новых газовых турбин и определяют требования для существующих угольных, мазутных и газовых парогенераторных установок.

Исследование Принстона показывает, что при сохранении действующих правил сокращение выбросов в энергетическом секторе к 2040 году может почти удвоиться, достигнув 51% по сравнению с уровнем 2022 года. Без этих правил снижение составило бы лишь 26%.

Основная доля сокращения выбросов будет достигнута за счет ускоренного вывода из эксплуатации угольных электростанций. Согласно прогнозам, владельцы таких станций предпочтут закрыть их до 2039 года, чтобы избежать установки дорогостоящего оборудования для улавливания и хранения выбросов углекислого газа (CCS).

В то же время исследователи предупреждают о потенциальном негативном эффекте правил: они могут непреднамеренно продлить срок службы существующих, менее эффективных газовых электростанций, что приведет к снижению общей эффективности энергосистемы.

Руководитель исследования Джесси Дженкинс, доцент кафедры машиностроения и аэрокосмической техники и Центра энергетики и окружающей среды имени Андлингера, поясняет, что действующие правила EPA устанавливают лимиты выбросов для новых газовых электростанций, однако агентство отложило принятие окончательных норм для уже существующих газовых генераторов. Это создает неравные условия, стимулируя более активное использование старых, менее эффективных газовых установок, что частично нивелирует достигаемое сокращение выбросов.

Исследовательская группа рассмотрела несколько вариантов дополнительных мер регулирования для существующих газовых станций. Выяснилось, что применение одинаковых лимитов выбросов ко всем газовым генераторам, независимо от их возраста, могло бы сократить выбросы на 88% ниже уровня 2022 года при даже меньших средних затратах по сравнению с действующими правилами.

Результаты моделирования также легли в основу недавнего исследования, опубликованного в журнале Science, где сравнивался анализ девяти различных моделей энергосистем для количественной оценки влияния регулирования EPA на выбросы.

Первый автор Цянь Ло, научный сотрудник Центра энергетики и окружающей среды имени Андлингера, отмечает, что их работа выходит за рамки простой количественной оценки неопределенности влияния на выбросы. Она позволяет определить, какие аспекты регулирования наиболее эффективно способствуют снижению выбросов, и где есть возможности для улучшения.

Анализ Ло и Дженкинса показал, что именно требования к угольным станциям играют ключевую роль в сокращении выбросов, обеспечивая почти 70% общего снижения, предусмотренного новыми правилами. Требования зависят от запланированной даты вывода станции из эксплуатации. Если станция должна быть закрыта после 2039 года, то с 2032 года она обязана установить технологию улавливания не менее 90% выбросов CO2. Если же вывод планируется до 2039 года, станция должна с 2030 года продемонстрировать сокращение выбросов, достигаемое при совместном сжигании угля с не менее чем 40% природного газа.

Моделирование показало, что регулирование угольной генерации приводит к значительному сокращению выбросов, поскольку стимулирует досрочный вывод из эксплуатации станций, которые иначе могли бы работать и после 2039 года. В модели из 28,3 гигаватт угольных мощностей, действующих в 2035 году, только 0,3 гигаватта предполагалось оснастить технологией улавливания углерода. Остальные 28 гигаватт предпочтут перейти на совместное сжигание с газом перед закрытием к 2039 году.

Дженкинс говорит, что угольные электростанции неуклонно выводятся из эксплуатации в течение последнего десятилетия, но без ограничений на выбросы более ста гигаватт угольных мощностей могли бы продолжать работать и в 2040-х годах. Устранение выбросов от этих сильно загрязняющих станций является высоким приоритетом и одним из наиболее экономически эффективных способов снижения выбросов парниковых газов в США.

Однако правила для природного газа в их нынешнем виде, по мнению исследователей, достигают сокращения выбросов ценой более высоких затрат и могут даже снизить общую эффективность энергосистемы. Согласно нормам, если новая газовая станция работает как источник базовой нагрузки (более 40% времени), то с 2032 года она должна улавливать не менее 90% своих выбросов углерода. Станции, работающие менее 40% времени, должны соответствовать определенным стандартам производительности или избегать высокоэмиссионного топлива, такого как дизельное, в зависимости от их использования.

Проблема в том, что окончательные правила касаются только новых газовых станций, но не существующих. В результате, как выяснили исследователи, эти нормы обеспечивают лишь скромное дополнительное сокращение выбросов за счет снижения общей эффективности системы.

Ло поясняет, что инвестировать в технологию улавливания углерода дорого, в то время как снизить коэффициент использования мощности станции ниже 40% очень легко. Без аналогичных правил для существующих станций наиболее экономичным решением становится эксплуатация новых, более эффективных газовых установок с меньшей загрузкой, одновременно увеличивая выработку на существующих, менее эффективных станциях.

Такой прогнозируемый сдвиг в сторону новых газовых станций, работающих менее 40% времени, может привести к значительному избыточному строительству газовых мощностей. В энергосистему будет добавлено больше газовых мощностей, но они будут использоваться реже, что повысит стоимость электроэнергии от новых газовых станций и увеличит зависимость системы от существующих и менее эффективных генераторов.

Выявив потенциальные недостатки действующих правил EPA, Ло и Дженкинс предложили изменения, которые могли бы улучшить регулирование для газовых станций. Ближайшим приоритетом, по их словам, должно стать установление единых стандартов для новых и существующих газовых станций. Простое распространение текущих правил для новых станций на существующие позволило бы снизить выбросы на 62% к уровню 2022 года, поскольку больше новых газовых станций будут оснащаться технологией CCS, а стимулы к интенсивному использованию старых станций будут устранены.

Ло подчеркивает, что важнейшим шагом для сокращения выбросов является вывод из эксплуатации старых и менее эффективных станций, как угольных, так и газовых. Новые газовые станции не только производят меньше выбросов, но и обладают возможностями, такими как совместное сжигание с большим количеством водорода, что может открыть путь к дальнейшему сокращению выбросов в будущем.

Для еще большего сокращения выбросов исследователи изучили возможность распространения требований по улавливанию углерода на все газовые станции (новые и существующие), работающие более 20% времени (вместо 40% в действующих правилах EPA). Это предлагаемое изменение привело бы к установке CCS на еще большем количестве газовых станций, сокращая выбросы на 81% по сравнению с уровнем 2022 года.

Исследователи пошли дальше, показав возможность сокращения выбросов до 88% по сравнению с уровнем 2022 года, если ввести дополнительное требование для газовых генераторов, работающих менее 20% времени, по совместному сжиганию с не менее чем 30% водорода.

Согласно анализу, эти предложенные правила позволили бы достичь как более низких общих выбросов, так и большей эффективности (в долларах на тонну устраненного CO2), чем правила EPA 2024 года. Однако Дженкинс отмечает, что хотя дополнительные правила могут быть более экономически эффективными с точки зрения регулирования, они потребуют значительно больших инвестиций от разработчиков электростанций, что может сделать их еще более спорными.

Дженкинс считает этот независимый анализ чрезвычайно своевременным, поскольку текущая администрация планирует отменить эти правила EPA для электростанций и заменить их более слабыми стандартами. Эта работа помогает определить вероятные последствия действующих правил, подчеркивает влияние потенциальной отмены на выбросы в США и количественно оценивает общую эффективность сокращения выбросов, достигаемую текущими правилами.

Ло добавляет, что анализ также указывает путь для будущих администраций к повышению эффективности этих правил для достижения более глубокого и экономически целесообразного сокращения выбросов в энергетическом секторе США.