Russian Federation
GRNTI 06.01 Общие вопросы экономических наук
BBK 65 Экономика. Экономические науки
Economic growth is the main determinant of the trend to increased greenhouse gas (GHG) emission. Therefore, the reduction of emission and stabilization of GHG levels in the atmosphere become an urgent task to avoid the worst predicted consequences of climate change. GHG emissions in construction industry cover a significant part of industrial GHG emissions and are expected to consistently increase. From an ecological and economic point of view, reducing greenhouse gas emissions to the stage of infrastructure facilities is no less important than reducing emissions during operation, including generation of energy. The problem could be successfully solved with a help of both economic and organizational restrictions, based on enhanced algorithms of calculation and penalization of environmental harm in construction
green estimated cost, sustainable development, ecodevelopment, green pricing, GHG emissions
Введение. Каждый источник энергии (уголь, газ, вода, ветер и др.) имеет свои преимущества и недостатки в отношении следующих показателей: эксплуатационных расходов, воздействия на окружающую среду и других факторов. При использовании любого метода генерации энергии происходит выброс ПГ в различных количествах за счет строительства, эксплуатации (деятельности по поставке топлива) и вывода из эксплуатации. Некоторые методы генерации энергии, такие как угольные электростанции, выпускают большинство ПГ во время эксплуатации станции и во время выработки энергии. Другие, такие как ветроэлектростанции и гидроэлектростанции, выбрасывают большую часть ПГ на стадии строительства и вывода из эксплуатации объекта. Следовательно, нормализация выбросов жизненного цикла с использованием электрической генерации позволяет проводить справедливое сравнение различных методов генерации энергии на основе приведенного показателя 1кВт-ч.
Показательным параметром, характеризующим энергетику и экономику стран, принято считать удельную углеродоемкость экономики – все выбросы СО2 от сжигания ископаемого топлива, деленные на общий объем произведенной продукции, товаров и услуг. На рис. 1 графически представлена углеродоемкость различных методов выработки электроэнергии [1].
Рис. 1. Интенсивность выбросов углекислого газа по типам генерации электроэнергии
Электростанции вне зависимости от источника энергии укрупненно можно разделить на:
1. Инфраструктурный объект как объект недвижимости;
2. Совокупность установок, оборудования и аппаратуры, используемых непосредственно для производства электрической энергии.
В соответствии с ГОСТ Р 56276-2014/ISO/TS 14067:2013 «Газы парниковые. Углеродный след продукции. Требования и руководящие указания по количественному определению и предоставлению информации» выбросы парниковых газов должны рассматриваться на протяжении всего жизненный цикла инфраструктурного объекта, в том числе на стадии строительства [2].
Рис 2. Жизненный цикл выбросов ПГ
Источники косвенных выбросов для электростанций включают выбросы от:
- развития инфраструктуры (например, дорог и линий электропередачи),
- строительно-монтажные работы на объекте,
- производство строительных материалов, изделий, конструкций и оборудования,
- транспортировка строительных материалов и рабочих,
- вывод из эксплуатации и утилизация отходов [3].
Выбросы электростанций должны анализироваться в соответствии с подходом анализа жизненного цикла ПГ (LCA), включая выбросы на этапе строительства объекта, которые считаются косвенными выбросами [4]. Для обоснования актуальности выбранной темы, необходимо сравнить сметную стоимость строительства (ССР) по отношению к общей стоимости проекта (ИСП) для различных типов электростанций. Важно отметить, что существует достаточное количество энергетических объектов, которые требуют высоких затрат на строительство. Используя данные Управления энергетической информации США “Updated Capital Cost Estimates for Utility Scale Electricity Generating Plants” авторам было проведено ранжирование, результаты которого представлены на рис. 3.
Ранжирование позволяет предварительно оценить эффективность «зеленых» строительных технологий для различных типов электростанций и выбрать приоритетные типы для «озеленения» уже на стадии строительства. Исходя из полученных данных, наиболее дорогостоящим и ресурсоемким сооружениями являются гидроэлектростанции (50 %) и солнечные фотоэлектрические станции (17 %). На примере ГЭС рассмотрим методику определения выбросов от наиболее энергозатратных строительных и монтажных работ и используемых строительных материалов и методику учета этих выбросов при составлении сметной документации на строительство объекта. Поэтому прежде всего, необходимо рассмотреть процесс строительства ГЭС для выявления основных используемых строительных материалов и строительно-монтажных работ, включая их количественные значения.
По данным исследования «Запасы жизненного цикла энергетических систем» авторов Роберта Донса и др. [4] основными источниками выбросов парниковых газов для гидроэнергетики на стадии строительства являются производство строительных материалов, а именно бетона и стали, а также использование дизельного топлива и электроэнергии во время строительно-монтажных работ (СМР). Х.Л. Раадаль в своей работе: «Переосмысление энергии» (2011 год) определил, что “основными факторами, способствующими выбросам ПГ в инфраструктуру, являются производство бетона и транспортировка строительных материалов при строительстве гидроэлектростанций” [5].
ГАЭС – Гидроаккумулирующая электростанция; ГЭС – Гидроэлектростанции»;
СФЭС – Солнечные фотоэлектрические станции; АЭС – Атомная электростанция; ВЭС – Наземная ветровая электростанция; УЭС – Угольная электростанция; ПВЭС – Прибрежная ветровая электростанция;
ТЭС КЦ – Теплоэлектростанции комбинированного цикла; КСЭС - Концентрированная солнечная энергия; ГТУЭС – Газотурбинные электростанции; ТЭС ПГ – Электростанции с комбинированным циклом, работающих на природном газе; ТЭС ТП – Электростанции на твердом топливе; ТЭС КЦ (ПГ) – Электростанции с комбинированным циклом комплексной газификации; ГеоЭС – Геотермальные электростанции.
Рис. 3. Ранжирование типов электростанций по сметной стоимости строительства (ССР) в отношении общей стоимости инвестиционно-строительного проекта (ИСП)
Общее энергопотребление сооружений зависит от строительных материалов, изделий, конструкций и строительно-монтажных работ, используемых при строительстве, а также ранее потраченной энергии на транспортировку, производство и т.д. [6]. В этом случае важны класс экологической безопасности используемых материалов и класс энергобезопасности используемой технологии строительства. Таким образом, необходимо учитывать загрязнение окружающей среды и уменьшать выбросы на предпроектной и проектной стадиях, тем самым смягчая экологические последствия строительства сооружений. Для крупных гидроэнергетических строительных проектов в стоимости инвестиционно-строительного проекта преобладают сметная стоимость СМР и стоимость оборудования. На стоимость СМР влияет множество факторов, такие как местоположение, конструктивные и технологические решения и т.д. [7]. Процесс формирования цены на строительную продукцию в мировой практике показывает, что каждая страна имеет собственные котировки цен, которые устанавливают прямую и косвенную текущую стоимость ИСП. Используя эти данные, можно укрупненно оценить сметную стоимость основных строительных ресурсов (материалов, машин и механизмов), используемых для строительства ГЭС, в общей стоимости ИСП, и пересчитать ее на самостоятельную стоимость этапа строительства, определенную энергии на 1 МВт-ч.
Для определения возможной корреляции между объемами основных строительных материалов и строительно-монтажных работ и установленной мощностью ГЭС был проведен нелинейный регрессионный анализ. Для моделирования в технико-экономических процессах, которые всегда состоят из нелинейных (нерегулярных, стохастических) и линейных (регулярных, систематических) частей, авторами предлагаются K-полиномы n-й степени – универсальныегиперболические функции, отражающие рассматриваемые зависимости следующим образом [8]:
Y = a(–n)xn + a(–(n–1))xn–1 + … + a0x0 + … + an–1x–(n–1) + anx–n,
где Y – расходы на строительство 1 МВт станции, X – установленная мощность станции, ai– константы, x0 – фиктивный показатель (всегда равный 1), используемый для ясности структуры.
Левая часть к-полиномов (a(–n)xn + a(–(n-1))xn–1) используется для аппроксимации нелинейных частей процессов, а правая (a0x0 + … + an-1x–(n-1) + anx–n) используется для аппроксимации линейной части аппроксимируемых процессов.
Предлагаемый K-полином может быть упрощен в:
1) линейнуюфункцию (i = 1; a(–1)…a0 = const, a1 = 0);
2) полиномы n-йстепени (a(–n)…a0 = const; a1…an = 0);
3) экспоненциальную функцию n-й степени (an...a0 = const; a (–n)...a(–1) = 0);
или использован в исходном виде для объединения преимуществ всех вышеперечисленных функций. Это подтверждает полезность предлагаемого выражения для обработки многофакторных процессовв технико-экономическом анализе. Корреляцию объемов основных строительных материалов, строительно-монтажных работ (наиболее вредных в отношении выбросов ПГ) и генерируемой мощностью ГЭС предлагается выразитьK-полиномом 1-й степени следующим образом:
Y = ax + bx–1,
где a, b – константы, x – анализируемая переменная в соответствии с табл. 1.
Все переменные анализируются отдельно (число степеней свободы равно 1, число переменных 8), согласно первоначальному предложению о значительной корреляции между установленной мощностью ГЭС и следующим:
а) основные строительно-монтажные работы:
– выемка мягкого грунта,
– выемка скального грунта,
– насыпь мягкого грунта,
– каменные наброски, дренажи, фильтры,
б) основные строительные материалы:
– бетон и железобетон,
– металлоконструкции и механизмы.
Полученные регрессионные зависимости (рис. 4) получены методом наименьших квадратов – стандартным подходом к оптимизации приближенного решения. Сила корреляционной связи подтверждается значением R2> 0,75. Статистическая значимость моделей подтверждается тестом Фишера при обеспеченности 0,95 – полученное значение F-тест <F (0,05;1;8), что позволяет отклонить H0-гипотезу и принять модель для дальнейшего анализа.
Таблица 1
Основные строительно-монтажные работы и материалы, используемые при строительстве ГЭС, на 1 МВт установленной мощности
|
Мощность ГЭС, МВт |
63 |
150 |
220 |
300 |
342 |
800 |
1000 |
1600 |
|
Выемка мягкого грунта, 100 м3 |
376.2 |
61.5 |
97.6 |
43.6 |
14.0 |
25.3 |
18.5 |
9.7 |
|
Выемка скального грунта, 100 м3* |
6.0 |
12.0 |
5.8 |
2.0 |
4.1 |
1.8 |
2.1 |
0.3 |
|
Насыпь мягкого грунта, 100 м3 |
317.5 |
94.1 |
114.5 |
113.6 |
110.7 |
73.6 |
4.1 |
3.7 |
|
Каменные наброски, дренажи, фильтры, 100 м3 |
82.1 |
7.0 |
41.0 |
11.2 |
3.8 |
1.3 |
1.3 |
0.1 |
|
Бетон и железобетон, 100 м3 |
319.0 |
21.3 |
16.1 |
20.1 |
8.3 |
5.6 |
14.9 |
32.0 |
|
Металлоконструкции и механизмы, 1 т |
60.3 |
29.7 |
15.6 |
26.7 |
18.4 |
9.2 |
9.8 |
17.7 |
*Не найдено статистически значимой корреляции для выемки скального грунтана 1 МВт, поэтому строительная работа отсутствует в дальнейшем анализе.
Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:
- Объемы основных строительных материалов и строительно-монтажных работ, используемых при строительстве ГЭС, имеют значительную корреляцию с объемом генерирующей мощности назначенных ГЭС в МВт. Корреляции аппроксимированы предлагаемым К-полиномом 1-й степени, пригодным для дальнейшего анализа и управления [8].
- Объемы основных строительных материалов и строительно-монтажных работ в пересчете на 1 МВт генерируемой мощности обратно зависят от общей установленной мощности ГЭС, резко уменьшаясь при мощности ГЭС 400 МВт и незначительно после 400 до 1000–1500 МВт. Производимая электрическая энергия при работе ГЭС мощностью более 600–800 МВт имеет ряд преимуществ, т.к. для генерации энергии затраты на материалы и использование строительной техники существенно снижаются. Поэтому при благоприятных условиях и возможности реализации инфраструктурных объектов выявлена зависимость: чем больше мощность ГЭС, тем более выгодно и менее затратно строительство, а, следовательно, уменьшается экологически вред, наносимый данным процессом.
Следующий этап в оценке стоимости строительства инфраструктурных объектов с позиции экологичностиэто разработка алгоритма определения выбросов парниковых газов на единицу объема основных строительных материалов и на единицу объема основных работ, выполняемых при строительстве инфраструктурных объектов. Для оценки определены основные строительно-монтажные работы и материалы, представленные в табл.1. Используя данные о выбросах, можноколичественно определить выбросы на единицу объема материалов или на кВт мощности двигателя строительных машин и механизмов. Результаты проведенного анализа представлены в табл. 2, 3, 4. Для разработки алгоритма были рассмотрены основные широко распространенные строительные материалы (бетон, сталь) и машины, механизмы конкретной мощности (экскаватор, кран, бортовой автомобиль, бетоносмеситель, сварочный аппарат). При достаточных исходных данных о выбросах ПГ в представленном алгоритме возможна корректировка и добавление большего количества строительных материалов и типов машин и механизмов, т.е. новых источников загрязнения [9].
Рис. 4. Нелинейная регрессия для выемки мягкого грунта в пересчете на 1 МВт
Таблица 2
Выбросы парниковых газов от производства
1 м3 типового бетона
|
Выбросы ПГ |
Ед.изм. |
|
|
Общие |
кг |
1,50848 |
|
CO2 |
кг |
1,5 |
|
CO |
г |
0,86 |
|
NOx |
г |
2,3 |
|
SOx |
г |
3,3 |
|
CH4 |
г |
1,7 |
|
HC |
г |
0,32 |
Таблица 3
Выбросы парниковых газов от производства стали
|
Производство |
Ед.изм. |
Выбросы ПГ |
|
Металлургический комплекс |
Тонны на тонну продукта |
1,6-2,2 |
|
Переработка металлолома |
0,6-0,9 |
Таблица 4
Выбросы парниковых газов от работы строительных машин
|
Тип машины |
Мощность двигателя, кВт |
Выбросы ПГ |
|
Экскаватор |
246 |
2,76 г/м3 |
|
Бортовой автомобиль |
176 |
69 г/с |
|
Кран |
120 |
46 г/с |
|
Бетоносмеситель |
115 |
77 г/с |
|
Сварочный аппарат |
6 |
33 г/кг |
В результате сбора информации об источниках загрязнения атмосферы определим алгоритм получения общей эмиссии парниковых газов от строительства типовой ГЭС. Для этого воспользуемся специальным калькулятором выбросов парниковых газов (таблица 5).
Таблица 5
Калькулятор выбросов парниковых газов: строительно-монтажные работы (СМР)
|
Машины и Механизмы |
Объем |
|
Материалы |
Объемы |
|
1. Бортовой автомобиль |
|
1. Бетон |
|
|
|
Мощность двигателя, кВт |
176 |
Оценочная эмиссия парниковых газов для производства цемента, г/куб.м. |
1508 |
|
|
Грузоподъемность, т |
10 |
Расчетный объем бетона, куб.м |
2704 |
|
|
Расчетное рабочее время, ч |
1227 |
Общее количество выбросов ПГ, т |
4.1 |
|
|
Оценочная эмиссия парниковых газов, г/с |
24.5 |
2. Сталь конструкционная |
|
|
|
Общее количество выбросов ПГ, т |
108 |
Оценочная эмиссия парниковых газов для производства цемента, т/т |
0.6 |
|
|
2. Кран |
|
Общее количество выбросов ПГ, т |
108 |
|
|
Мощность двигателя, кВт |
120 |
|
|
|
|
Грузоподъемность, т |
8 |
Общая эмиссия парниковых газов от стр. материалов, т Общая эмиссия парниковых газов от стр. машин и механизмов, т Общая эмиссия парниковых газов отСМР, т |
112
149
265 |
|
|
Расчетное рабочее время, ч |
184 |
|||
|
Оценочная эмиссия парниковых газов, г/с |
46 |
|||
|
Общее количество выбросов ПГ, т |
18.9 |
|||
|
3. Бетоносмеситель |
|
|||
|
Мощность двигателя, кВт |
115 |
|||
|
Объем смешивания, м3 / час |
71 |
|||
|
Расчетное рабочее время, ч |
57 |
|||
|
Оценочная эмиссия парниковых газов, г/с |
77 |
|||
|
Общее количество выбросов ПГ, т |
15.8 |
|||
|
4. Сварочный аппарат |
|
|||
|
Мощность, кВт |
6 |
|||
|
Расчетное рабочее время, ч |
218 |
|||
|
Оценочная эмиссия парниковых газов, г/с |
33 |
|||
|
Общее количество выбросов ПГ, т |
5.9 |
|||
При строительстве зданий и сооружений возникающие выбросы ПГ должны регулироваться с помощью экоштрафов. Все возможные выбросы, определяемые на этапе проектирования в рамках экологической экспертизы, должны быть переведены в денежный эквивалент (эко-штрафы) в соответствии с предлагаемым методом оценки:
Эко-штраф = стоимость профилактических мероптиятий (Costofprevention, COP) + стоимость санитарных работ после причинения вреда (Costofsanitation, COS),
Поскольку обоснованием для эко-штрафов является, в конечном итоге, выброс ПГ на единицу штрафуемого материала/работы/услуги, то стоимость профилактических мероптиятий (Costofprevention, COP) определяется как:
COP = (COP1×k1 + COP2×k2 + COP3×k3)×k4,
СOP1 – стоимость НИОКР, направленных на исследование экологичности данного материала/технологии и получения движения за истекший год, деленная на объем выбросов на производстве материала/оказании услуг (СOP1).
СOP2 – разница в стоимости матариалов/услуг, производимых по наиболее экологичной на текущий год технологии к стоимости тех же материалов/услуг, производимых по технологии, указанной конкретным производителем, материал/услугу которого следует штрафовать.
СОР3 – разница в объеме материала/услуги, произведенного за предпоследний и истекший года умноженная на усредненную по региону стоимость материала/услуги.
k1 ... k3 – весовые индексы, k4 – показатель активности.
СOP1 – стимулирует финансирование научных исследований,
СOP2 – переход производителей на зеленые технологии;
СOP3 – стимулирует использование менее материалоемких решений с позиции экологичности.
Общая масса разрешенных к выбросу ПГ определяется Киотским протоколами, стоимость прав на выбросы определяется рынком эмиссионных квот. Стоимость санитарных работ после причинения вреда (Costofsanitation, COS) для всех производителей и поставщиков услуг:
COS = RGT×k5,
RGT – RegionalCarbonTax, стоимость квоты на выброс тонны ПГ на текущий год в стране, k5 – удельный вес строительства в экономике государства. k5 = стоимость услуг по виду деятельности "Строительство" / ВВП страны за год.
Эко-штраф = RCT×k5 + (COP1×k1 + COP2×k2 + COP3×k3)×k4
Рис.5. Влияние экоштрафов на стоимость строительства объекта строительства
Выводы. Приведенный метод экоориентированного ценообразования и определения сметной стоимости объектов строительства с позиции устойчивого развития позволяет проводить сравнительный анализ альтернативных вариантов используемых технологий и материалов в соответствии с возможным экологическим ущербом. Этот технический метод, основанный на выборе основных строительных материалов, работ, машин и т.д. позволяет оценить сметную стоимость строительства до и после эко-штрафов и может быть эффективным дополнительным инструментом на предпроектном и проектном этапах инвестиционно-строительных проектов. Совместно с государственной поддержкой и совершенствованием российского законодательств, представленный метод штрафования является эффективным способом снижения экологического вреда, причиненного строительным сектором.
*Работа выполнена в рамках Программы развития опорного университета на базе БГТУ им. В.Г. Шухова.
1. Korppoo A., Kokorin A. Russia's 2020 GHG emissions target: emission trends and implementation // Climate Policy. 2015. C. 1-10.
2. Prognoz dolgosrochnogo social'no-ekonomicheskogo razvitiya Rossiyskoy Federa-cii na period do 2030 goda [Elektronnyy re-surs] // SPS «Konsul'tant plyus». Rezhim do-stupa: http://www.consultant.ru/
3. Avilova I, Naumov A, Krutilova M. Methodology of cost-effective eco-directed structural design // International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM, № 53. C. 255-261.
4. Poletova E.V., Abakumov R.G., Naumov A.E. Ekonomicheskie problemy resursosbere-zheniya pri rekonstrukcii promyshlennyh zdaniy // Innovacionnaya ekonomika: perspek-tivy razvitiya i sovershenstvovaniya. 2016. № 2 (12). S. 201-205.
5. Avilova I., Krutilova M., Peresypkina E. Economic incentives of green standards in civil and municipal engineering // International Multi-disciplinary Scientific GeoConference SGEM. № 53. P. 551-557.
6. Avilova I.P., Naumov A.E., Krutilova M.O. Ekonomicheskie i pravovye aspekty eko-orientirovannogo audita v stroitel'stve // Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo teh-nologicheskogo universiteta im. V.G. Shuhova. 2016. № 5. S. 212-216.
7. Krutilova M.O. Ekologo-ekonomicheskie aspekty ustoychivogo razvitiya predpriyatiy stroitel'noy industrii [Elek-tronnyy resurs] // Mezhdunarodnaya nauchno-tehnicheskaya konferenciya molodyh uchenyh. Belgorod. 2016. S. 4889-4892.
8. Hodykina I.V., Krutilova M.O. Os-novnye aspekty ekologicheskogo zakonodatel'-stva Rossiyskoy Federacii v sfere stroi-tel'stva // Vestnik nauchnyh konferenciy. 2016. № 3-2 (7). S. 100--102.
9. Naumov A.E., Ivanov A.V., Kunnuev Yu.Sh. Modeli programmnyh resheniy pri upravlenii razvitiem gorodskogo hozyaystva v usloviyah neopredelennosti // Nedvizhimost': ekonomika, upravlenie. 2016. № 2. S. 51-58.
