1.1. Энергия и общество

Энергия является движущей силой эволюции природы и основой развития цивилизации. Если отбросить детали, то можно утверждать, что уровень развития общества и количество потребляемых им благ определяется, прежде всего, уровнем его энерговооруженности. В течение многих веков человек мог рассчитывать только на свою мускульную силу и мускульную силу домашних животных. Для обеспечения своих жизненных потребностей первобытный человек располагал только собственной энергетической мощностью примерно в 150 Вт. При переходе к традиционному земледелию и скотоводству энергетические возможности человечества возросли до 500 Вт на человека. Следующий качественный скачок в развитии цивилизации, открывший современный период истории и получивший название «научно-техническая революция», стал возможен лишь в начале XIX века после освоения человечеством ископаемых источников энергии. В наше время средняя мощность душевого энергопотребления в развитых странах достигает уже нескольких киловатт, а установленная мощность всех источников энергии на земном шаре превысила 3,65 ТВт (1 тераватт = 1012 Вт).

На протяжении всего исторического периода темпы роста глобального потребления энергии опережали темпы роста населения, увеличиваясь пропорционально квадрату числа жителей Земли Е ~ N2 , то есть скорость роста потребления энергии в два раза превышала скорость роста населения. За 140 лет с 1850 по 1990 г., когда население Земли увеличилось в 4,3 раза, потребление энергии возросло в 17 раз (Капица, 1999). Особенно тесная корреляция роста населения и мирового производства энергоресурсов наблюдалась в течение последнего столетия (рис. 1).

Рис. 1. Рост населения Земли и мировой добычи нефти за последние 100 лет

Причина в том, что энергия является основным ресурсом, обеспечивающим условия для существования современной цивилизации, а производство энергии на душу населения – один из основных показателей уровня развития общества. Сопоставление потребления энергоресурсов на душу населения и уровня экономического развития (уровня жизни) различных стран, выражаемого объемом валового внутреннего продукта (ВВП), приходящегося на душу населения, показывает пропорциональную зависимость между этими величинами. Точно так же, как показывают приведенные на рис. 2 примеры, для каждой конкретной страны рост благосостояния ее населения повышался пропорционально росту душевого потребления энергии. То есть энергетика не метафорически, а абсолютно реально является фундаментом и материальным источником нашего благосостояния, определяя его реальный уровень.

Рис. 2. Связь ВВП с потреблением энергоресурсов в мире (Добрецов, Конторович, Кулешов, 2001)

Однако помимо уровня жизни на потребление энергии влияют и другие факторы, прежде всего климатические условия. Более высокое удельное потребление энергии в странах СНГ и Восточной Европы по сравнению с азиатскими и африканскими странами связанно именно с этим обстоятельством. Особенно актуальна проблема обеспечения энергоресурсами для России, имеющей по своему географическому положению наиболее суровый климат среди всех стран мира, и соответственно, наиболее высокий уровень потребления энергии на единицу производимого в стране ВВП (рис. 3). Это существенный фактор геополитики, объясняющий более низкую конкурентоспособность многих отраслей отечественной экономики по сравнению со странами Западной Европы и Юго-Восточной Азии.

Рис. 3. Энергоемкость ВВП различных стран мира по паритету покупательной способности валют, тнэ/1 тыс. долл. (тнэ – тонна нефтяного эквивалента) (Источник: Минэнерго)

При изобилии энергоресурсов, в принципе, могут быть найдены практические решения для многих кризисных тенденций современного общества. Неудивительно, что еще 40 лет назад казалось, что освоение нового и практически безграничного источника энергии – управляемого термоядерного синтеза, промышленное использование которого тогда прогнозировалось на начало нынешнего века, позволит решить не только все энергетические, но и ресурсные и экологические проблемы человечества. Ведь в конце концов, и уровень доступных ископаемых ресурсов, и уровень утилизации и переработки отходов определяются прежде всего теми затратами энергии, которые человечество может позволить себе выделять на эти цели. Однако проблема использования энергии управляемого термоядерного синтеза оказалась значительно более сложной, чем это представлялось в середине прошлого века. Несмотря на объединение для решения этой задачи усилий всего мирового сообщества, ее практическое решение прогнозируется не ранее середины текущего столетия. А с другой стороны, дальнейший безудержный рост потребления энергии невозможен и по другим причинам, которые мы рассмотрим позже.

1.2. Структура мировой энергетики

Основу современной энергетики составляют пять основных первичных источников: нефть, уголь, природный газ, гидроэнергетика и атомная энергетика, к которым в будущем могут прибавиться и возобновляемые источники энергии (ВИЭ) (рис. 4). Производство подавляющей части потребляемой человечеством энергии обеспечивают сейчас ископаемые энергоресурсы, доля которых в мировом энергобалансе превышает 85 % (табл. I).

Таблица I. Доля основных источников в мировом производстве первичной энергии в 2014 г.

Рис. 4. Текущее и прогнозное потребление различных видов первичных энергоресурсов в мировой энергетике (Источник: BP Statistical Review of World Energy, 2015)

Как видно из прогноза, представленного на рис. 4, в течение ближайших десятилетий в энергетике не ожидается каких-либо драматических изменений. Производство энергии на базе всех существующих ныне источников будет увеличиваться, в том числе выше, чем в настоящее время, будут объемы потребления нефти, угля и природного газа, хотя будет происходить определенное перераспределение их относительного вклада в мировую энергетику (рис. 5). В основном это будет связано с постепенным снижением доли нефти за счет повышения доли природного газа.

По прогнозам Международного энергетического агентства (МЭА) (Перспективы энергетических технологий…; 2007), общий объем потребления энергии будет расти в среднем на 1,6 % в год: с 10 579 млн тнэ в 2003 г. до 22 112 млн тнэ в 2050 г. (рис. 6). Это заметно ниже темпов роста мировой энергетики в 1971–2003 гг., составлявших в среднем 2,1 % в год, тем не менее по сравнению с началом века к его середине мировое потребление энергии удвоится.

Из-за сокращения доступных ресурсов нефти ее доля в мировом энергобалансе будет постоянно снижаться, а доля природного газа – расти. Прогнозируется, что к 2035 г. вклад трех основных источников ископаемых энергоресурсов практически сравняется, достигнув уровня примерно по 25 % для каждого из них (рис. 5). То есть и через 20 лет на долю традиционных ископаемых источников будет приходиться не менее 3/4 производимой на Земле энергии. А по базовому сценарию МЭА доля ископаемых видов топлива и в 2050 г., несмотря на рост атомной энергетики и использование возобновляемых источников, будет составлять не менее 85 %, что может вызвать проблемы, связанные с энергетической безопасностью и ростом выбросов CO2 (Перспективы энергетических технологий…; 2007).

Рис. 5. Текущие и прогнозные доли различных видов первичных энергоресурсов в мировой энергетике (Источник: BP Statistical Review of World Energy, 2015)

Снижение в мировом энергобалансе доли жидких углеводородов (рис. 6), являющихся важнейшим и наиболее удобным ископаемым энергоресурсом, создает много проблем для мировой экономики. Производимые из них продукты, прежде всего моторные топлива, составляют основу современной цивилизации. Именно они придают ей ту гибкость и мобильность, без которой мы уже не можем представить наше существование. Кроме того, нефть служит исходным сырьем для производства огромного ассортимента нефтехимических продуктов, прежде всего полимерных материалов, обеспечивающих такой уже привычный комфорт нашему образу жизни. Однако ресурсы нефти в земной коре ограничены, и видимо, уже не так далеко время, когда они станут дефицитом. Фактически закат нефтяной эпохи уже начался, и можно даже четко указать время начала этого процесса. В 1985 году впервые объем мировой добычи нефти превысил объем ее вновь открываемых ресурсов, т. е. началось безусловное сокращение доступных нам запасов нефти. К сожалению, политики осознали последствия этого важнейшего для мировой экономики события лишь двадцать лет спустя, уже в ходе энергетического кризиса 2008 года.

Рис. 6. Глобальное потребление первичных энергоресурсов в период до 2050 г. по прогнозу МЭА (2007)

Сейчас вся производимая в мире энергия потребляется в достаточно близких долях 4-мя основными областями: промышленностью, транспортом, коммунальным сектором и в производстве электроэнергии (рис. 7).

Рис. 7. Области потребления энергии в США в 2010 г. (БТЕ – британские тепловые единицы. 1 БТЕ ≈ 252 кал)

Однако вклад различных источников в различные сферы потребления энергии очень сильно различается (рис. 8). Наиболее универсальными источниками энергии являются нефть и природный газ, используемые во всех секторах, что и обуславливает их особую потребительскую ценность. Правда, и для них распределение по сферам потребления сильно различается. Нефть безоговорочно доминирует в транспортном секторе, обеспечивая более 90 % его потребности в энергии, на что уходит более 70 % добываемой нефти. Доля же газа в транспортном секторе пока невелика, всего несколько процентов. Зато газ обеспечивает значительную долю энергетических потребностей промышленного и коммунального секторов и производства электроэнергии. Такие же источники, как уголь, атомная энергетика и возобновляемые источники, в том числе гидроэнергетика, используются почти исключительно для производства электроэнергии.

Рис. 8. Источники и области потребления первичной энергии в США в 2010 г.

1.3. Тенденции развития энергетики

Уже сейчас производимая человечеством энергия достигла почти 0,02 % от потока солнечной энергии, достигающей земной поверхности. Однако население мира обеспечено этой энергией крайне неравномерно. Подавляющая часть потребляемой на Земле энергии приходится на развитые страны. Только на долю США, где проживает всего 4 % населения планеты, сейчас приходится 20 % потребления мировых сырьевых и энергетических ресурсов. В то же время, согласно данным, опубликованным в Перспективах развития мировой энергетики, подготовленных Международным энергетическим агентством (International Energy Agency), в современном мире 1,6 млрд человек все еще не имеет доступа к электроэнергии, а 2,4 млрд человек используют в основном биомассу, т. е. дрова, для отопления и приготовления пищи. И в течение ближайших тридцати лет эти цифры практически не изменятся.

В зависимости от уровня экономического развития страны ежегодное потребление энергии (в пересчете на нефть) изменяется от 65 баррель/чел. в США до 50 баррель/чел. в Западной Европе, 33 баррель/чел. в Японии, 10 баррель/чел. в Мексике (среднемировой уровень), 0,8 баррель/чел. в Бангладеш и 0,7 баррель/чел. в Нигерии. Таким образом, разрыв между наиболее бедными и наиболее богатыми странами достигает почти 100 раз. По прогнозам к концу текущего столетия население планеты удвоится, достигнув уровня 12–13 млрд человек, после чего оно, возможно, стабилизируется. Поскольку потребление энергии подавляющей частью жителей Земли в сто раз отстает от современного уровня развитых стран (свыше 10 кВт установленной мощности на человека), даже после стабилизации населения экономическая и политическая стабилизация в мире невозможна без хотя бы частичного сокращения разрыва в уровне жизни. А это потребует сокращения разрыва в энергопотреблении между богатыми и бедными странами.

В связи с необходимостью ускоренного развития слаборазвитых стран в течение первой половины текущего столетия прогнозируется быстрый рост мирового потребления энергии на уровне 1,7 % в год, и до конца века глобальное потребление энергии, видимо, увеличится еще в несколько раз, вплотную приблизившись к 0,1 % от падающего на Землю потока солнечной радиации. Для того же, чтобы обеспечить всему человечеству современный уровень жизни, мировое производство энергии должно увеличиться почти в сто раз, т. е. превысить 1 % от потока солнечной радиации. Но если это реально произойдет, нарушится тепловой баланс планеты, и средняя температура поверхности (~300 К) может увеличиться тоже примерно на 1 %, т. е. на ~2–3°С, что неизбежно вызовет климатическую катастрофу глобального масштаба.

Пока же мировая энергетика продолжает развиваться очень высокими темпами. Согласно данным Energy Information Administration (EIA) ожидается, что за два десятилетия этого века мировое потребление энергии увеличится на 59 %. Это увеличение произойдет, несмотря на ожидаемое значительное увеличение эффективности использования энергии в расчете на единицу производимого Валового Внутреннего Продукта (ВВП). Половина ожидаемого к 2020 г. прироста придется на развивающиеся страны, включая Китай, Индию, Южную Корею, Центральную и Южную Америку. При этом основным источником энергии для современной цивилизации по-прежнему остается ископаемое топливо.

Учитывая обостряющуюся ситуацию с ископаемыми энергоносителями, их растущий дефицит и стоимость, а также обострение связанных с энергетикой глобальных экологических и климатических проблем, повышение эффективности использования энергоресурсов и снижение удельных затрат энергии на единицу производимой продукции становится ведущей тенденцией мировой энергетики. Например, США при постоянном росте ВВП в последние годы сумели практически стабилизировать потребление энергии. Это было достигнуто в основном за счет того, что за 40 лет было почти вдвое снижено удельное потребление энергии на единицу производимого в стране ВВП (рис. 9).

Рис. 9. Показатели эффективности использования энергоресурсов в США: ВВП (трлн долл.), полное потребление энергии (трлн БТЕ) и удельное потребление энергии (млн БТЕ/1000 долл: ВВП)

Тенденция заметного снижения темпов роста энергопотребления на единицу прироста ВВП характерна сейчас для всех ведущих стран мира. Особенно впечатляющие успехи в этом демонстрирует КНР (рис. 10).

Рис. 10. Изменение темпов роста энергопотребления на 1 % прироста ВВП (Источник: Прогноз Института энергетических исследований РАН)

К сожалению, обладая огромными природными энергоресурсами, Россия менее рачительно относится к проблеме их рационального использования. Удельное потребление газа в нашей экономике в 10–20 раз превосходит аналогичные показатели европейских стран (рис. 11), хотя, конечно, климатическая ситуация также играет в этом определенную роль.

Рис. 11. Соотношение удельного потребления энергии и газа на единицу ВВП (кг н. э./долл.) в России и странах Западной Европы (Карпель, 2010)

Повышение энергоэффективности современной энергетики позволяет ослабить текущую зависимость мировой экономики от поставок энергоресурсов и реально снизить воздействие энергетики на климатические процессы. Но в целом это лишь отдаляет неизбежное наступление периода истощения ископаемых ресурсов, давая нам дополнительное время для более глобального решения энергетических проблем.

1.4. Долгий путь к термояду

Парадоксальность современной ситуации в энергетике в том, что прогнозировать ее отдаленное будущее сейчас легче, чем более близкие перспективы. Мало кто из специалистов сомневается в том, что к концу текущего века, ну может быть чуть позже, основным источником энергии для человечества станет термоядерная энергетика. Просто в распоряжении человечества даже в перспективе нет других альтернативных источников энергии такого же масштаба, и мы будем вынуждены решить эту проблему. Это именно тот первичный источник, который обеспечивает энергией все процессы на нашей планете за счет потока падающего на нее солнечного излучения. И, в конце концов, этот источник в принципе уже технически нами освоен, правда, пока еще в неуправляемом режиме, на уровне термоядерной бомбы. Мы понимаем основные закономерности этого процесса, и хотя проблема оказалась гораздо сложнее, чем это представлялось на начальном этапе, вряд ли можно сомневаться, что она со временем будет решена и практически.

Освоив управляемый термоядерный синтез, человечество на тысячелетия получило бы практически неисчерпаемый источник энергии. Однако решение этой проблемы, еще тридцать лет назад казавшейся практически уже решенной, отодвигается все в более далекое будущее. По своей сложности проблема управляемого термоядерного синтеза превзошла все научно-технические проблемы, с которыми столкнулось естествознание в ХХ веке. Для того чтобы осуществить реакцию синтеза в дейтерий-тритиевой плазме, необходимо нагреть ее до температуры порядка 100 млн градусов и удерживать в течение определенного времени, зависящего от ее плотности. В настоящее время разрабатываются два основных направления реализации управляемого термоядерного синтеза: на основе удержания плазмы с помощью магнитных полей и инерционное удержание. Наиболее перспективными устройствами для удержания плазмы с помощью внешних и собственных магнитных полей остаются магнитные ловушки тороидального типа, получившие название «токамак», которые были предложены и разработаны отечественными учеными. К настоящему моменту в мире построено более 100 токамаков различных размеров и конструкции. Другое направление вместо попыток удержать неустойчивые плазменные сгустки предполагает создание таких условий, при которых основная часть термоядерного топлива сгорала бы быстрее, чем оно разлетится. То есть проблема удержания плазмы заменяется проблемой ее быстрого нагрева, например, интенсивным лазерным импульсом.

Исследования по термоядерной проблеме были рассекречены еще в 1956 г. после знаменитого доклада И.В. Курчатова в английском атомном центре Харуэлле. С 1986 г. при участии стран Европейского сообщества, Японии, России и США ведется проектирование Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР). Позднее к проекту присоединились Китай, Южная Корея и Индия. В 2001 г. разработка проекта была завершена, а в 2005 г. завершились переговоры о выборе места для его строительства. Крупнейший в истории человечества научный проект стоимостью около 15 млрд евро будет реализован во Франции в районе Марселя. Ориентировочный срок окончания строительства – 2020 год. Финансовый вклад Европейского союза составит 45,5 %, а всех остальных участников, в том числе и России, по 9,1 %.

Размер спроектированного реактора (рис. 12) – более 20 метров в диаметре при 30-метровой высоте. Ток в плазме должен достигать 15 млн А, а температура дейтерий-тритиевой плазмы должна достигать ~150 млн градусов, что почти в десять раз выше температуры в центре Солнца. Магнитное поле, удерживающее плазму, будет создаваться самым большим в мире сверхпроводящим магнитом. Термоядерная мощность установки 1000 МВт будет поддерживаться в течение 400 секунд, а со временем – в течение 3000 секунд. Это даст возможность проводить первые реальные исследования физики термоядерного горения в плазме. Считается, что после создания и проведения в течение 12–15 лет исследований на ИТЭР следующим шагом станет строительство в 40-х годах уже демонстрационной термоядерной установки.

Рис. 12. Международный термоядерный реактор

Также будет построена и начнет работать международная лаборатория для испытания материалов, используемых в термоядерном реакторе. Затем появится демонстрационная энергетическая установка для производства электроэнергии (DEMO). Программа испытаний материалов должна быть запущена параллельно с ИТЭР, чтобы своевременно были получены характеристики материалов для демонстрационной установки.

Разработка проекта ИТЭР дала возможность достоверно оценить уровень безопасности термоядерного реактора, практически вся радиоактивность которого сосредоточена в его конструкционных материалах и бридере (размножителе топлива). Она несопоставимо ниже, чем у атомного реактора. Выброс радиоактивности из термоядерного реактора при любой аварии столь мал, что их можно будет строить в густонаселенных районах и окрестностях больших городов, и даже попытка проведения террористических акций против термоядерных электростанций с целью нанесения ущерба населению становится бессмысленной.

На единицу термоядерного топлива вырабатывается в 10 млн раз больше энергии, чем при сжигании органического топлива, и в 100 раз больше, чем при расщеплении урана в реакторах атомных электростанций. Оптимисты надеются, что демонстрационный термоядерный реактор будет создан уже в середине текущего века. Это означает, что реально для массового потребителя термоядерная энергия станет доступной не ранее конца столетия. Поэтому перед человечеством стоит серьезнейшая проблема – найти энергоресурсы, способные заполнить промежуток длиной почти в столетие до практического освоения термоядерной энергии. Цена неудачи в решении глобальной энергетической проблемы очень высока – неизбежное снижение уровня жизни населения Земли, а возможно, и сокращение его численности.

Пока человечество практически полностью зависит от ископаемых источников энергии, и эта зависимость будет продолжаться минимум до конца текущего столетия, а может быть и дольше. Попытки представить ситуацию таким образом, что в нашем распоряжении есть какие-то альтернативные источники энергии, способные заменить ископаемое топливо, и необходимо лишь приложить некоторые усилия для их практического освоения, как будет показано ниже, абсолютно несостоятельны. В лучшем случае эти источники способны немного отсрочить период истощения ископаемых ресурсов, но не более. К сожалению, взять на себя полностью ту нагрузку, которую несет сейчас традиционная энергетика на основе ископаемого топлива, они в принципе не в состоянии. Поэтому принимая во внимание, как это теперь уже очевидно, неизбежно длительный период перехода от традиционной энергетики к энергетике термоядерной, необходимо тщательно оценивать имеющиеся в нашем распоряжении природные ресурсы и планировать их рациональное использование. Так на что мы можем сейчас реально рассчитывать?

2.1. Нефть – фундамент современной высокомобильной цивилизации

Нефть сейчас, безусловно, является важнейшим природным ресурсом, определяющим состояние не только всей мировой экономики, но и в значительной степени мировой геополитической ситуации. Цена нефти – важнейший индикатор, отражающий текущее состояние мировой экономики. Уникальность нефти как энергетического и нефтехимического ресурса в том, что благодаря своему жидкому агрегатному состоянию и высокому удельному энергосодержанию она обеспечивает наиболее высокую рентабельность при добыче, транспортировке и использовании по сравнению со всеми остальными известными нам ископаемыми источниками энергии. Кроме того, нефть относительно легко и просто перерабатывать, а спектр получаемых из нее продуктов огромен. И в этом отношении с ней не могут сравниться ни газ, ни уголь, ни какие-либо другие источники энергии. Поэтому, как только были освоены технологии промышленной добычи и переработки нефти, она очень быстро заняла доминирующие позиции в мировой энергетике. В 1970—80-е годы ее доля в мировом энергобалансе доходила почти до 50 % (рис. 13).

Рис. 13. Эволюция структуры мирового энергопотребления

Благодаря своим очевидным достоинствам нефть достаточно быстро даже по современным темпам индустриального развития вытеснила из энергетики и коммунального сектора такие старые источники, как дрова и уголь. И сейчас с большим трудом уступает свои позиции природному газу и другим источникам энергии. Единственная причина, по которой нефть понемногу сдает сейчас свои позиции, это ограниченность ее ресурсов. Хотя до сих пор продолжаются споры между сторонниками органической и неорганической теорий происхождения нефти, большая часть ее разрабатываемых ресурсов, видимо, имеет все-таки биогенное происхождение. Поэтому можно считать, что сейчас мировая энергетика существует за счет своеобразных «энергетических консервов», приготовленных нам биосферой примерно за 300 млн лет эволюции начиная с каменноугольного периода. Эти ресурсы громадны, но современная скорость их потребления в миллион раз превышает скорость процессов их естественного формирования в земной коре. За один год человечество расходует запасы, на образование которых природе потребовался примерно миллион лет. Поэтому со временем эти ресурсы неизбежно будут исчерпаны.

О том, что время истощения традиционных нефтяных ресурсов уже достаточно близко, явно свидетельствует падение темпов открытия новых гигантских месторождений нефти (рис. 14). Представленная диаграмма показывает, что пик открытий давно пройден, и мы уже не можем рассчитывать на появление большого числа новых крупных месторождений, составляющих основу современной промышленной добычи нефти. А основной объем добываемой сейчас нефти мы получаем за счет эксплуатации тех месторождений, которые были открыты десятки лет тому назад (рис. 15).

Рис. 14. Доля вновь открываемых гигантских месторождений нефти относительно известных резервов

Рис. 15. Мировая добыча нефти по датам открытия разрабатываемых месторождений (2012. The Outlook for Energy: A View to 2040)

В результате сокращения ресурсов поддержание уже практически не растущего мирового уровня добычи нефти требует все более высоких затрат, т. е. каждый следующий баррель добытой нефти обходится мировой экономике все дороже и дороже. Так, за примерно 30 лет, предшествующие 2003 году, при росте мирового объема добычи нефти всего на ~60 % затраты на ее добычу в фиксированных ценах выросли почти в 17 раз. По последним данным, мировой объем затрат на добычу нефти достиг в 2013 г. 700 млрд долл. в год. Это является одной из объективных причин постоянного и, увы, неизбежного удорожания нефти и нефтепродуктов на мировом рынке. Эпоха легкодоступной и дешевой нефти уже завершилась.

Тенденция к удорожанию нефтяных ресурсов отражается и на отечественной нефтедобыче, тем более что основные отечественные ресурсы нефти, расположенные в удаленных и труднодоступных, практически арктических регионах, и без того являются самыми дорогими в мире, уступая по себестоимости лишь канадской битуминозной нефти (рис. 16). Стоимость их добычи в два раза превышает среднемировую и примерно в 6–7 раз – стоимость добычи нефти на Ближнем Востоке. Кроме того, необходимо учитывать, что стоимость транспортировки российской нефти на мировые рынки также примерно в два раза превышает среднемировую. Поэтому прибыль от продажи российской нефти значительно ниже, чем ближневосточной, что делает крайне актуальным вопрос о переходе от ее экспорта к переработке непосредственно в России в более ценные продукты с высокой добавленной стоимостью. Надо учитывать и то, что обладая всего 6 % разведанных мировых запасов традиционной нефти (7-е место в мире по разведанным запасам), при нынешних темпах их добычи и низком объеме геологоразведочных работ Россия рискует уже в ближайшем будущем утратить лидирующие позиции в мировой нефтедобыче.

Рис. 16. Себестоимость добычи нефти в различных регионах мира. Ширина столбца соответствует доле в мировом производстве. (Источник: M. Radler. Deutsch Bank analyzes oil production costs. O&GJ. 2009. Mar. 16. P. 38)

Широко обсуждаемый в последние годы вопрос об общем объеме остающихся мировых ресурсов нефти является скорее технологическим, чем геологическим вопросом. Безусловно, в земной коре еще остаются неоткрытые месторождения жидких углеводородов, но их объем вряд ли велик. Гораздо больший интерес представляет разработка уже известных, но трудно извлекаемых ресурсов, расположенных в глубоководных морских акваториях, или представленных различными видами трудноизвлекаемой или тяжелой нефти. Рисунок 17 схематически показывает, что помимо расширения объема ресурсов за счет геологоразведки на количество потенциально извлекаемой из недр нефти влияют такие важнейшие факторы, как ее рыночная стоимость и прогресс в технологиях добычи. Рост инвестиций в технологии добычи нефти и применение новейших технологических достижений может значительно увеличить общую отдачу месторождений и, тем самым, ресурсы нефти, реально доступные мировой экономике.

Рис. 17. Факторы, определяющие извлекаемые ресурсы нефти

Что касается конкретного периода истощения нефтяных ресурсов, то различные прогнозы сильно различаются между собой (рис. 18). Наиболее реалистические прогнозы предсказывают достижение пика добычи, с учетом использования всех нетрадиционных и трудноизвлекаемых разновидностей нефти, в течение одного-двух ближайших десятилетий, с последующим плавным снижением ее добычи, замедляемым за счет появления новых технологий, повышающих отдачу пластов. На явное приближение мировой добычи нефти к своему пику свидетельствуют и крайне низкие, несмотря на острую потребность в ней и постоянный рост затрат на добычу, темпы ее роста, всего примерно 0,5 % в год.

Рис. 18. Различные прогнозы мировой добычи нефти (Мауджери, 2009)

Многие нефтедобывающие страны мира уже прошли пик своей добычи, а в большинстве остальных период его достижения оценивается всего несколькими годами. Только в 20-ти ведущих нефтедобывающих странах прогнозируемое время полного истощения ресурсов (отношения общих ресурсов к годовому объему добычи) превышает 20 лет.

Конечно, существуют еще огромные так называемые «нетрадиционные» ресурсы нефти, представленные в основном трудноизвлекаемыми и тяжелыми углеводородами, а также глубоководные и арктические ресурсы. Однако стоимость их извлечения и необходимые для этого затраты энергии столь велики, что далеко не всегда их добыча может быть экономически оправдана. Представленные на рисунках примеры современных технологий нефтедобычи наглядно демонстрируют всю сложность и затратность этих процессов. Мы никогда не сможем извлечь всю нефть, содержащуюся в земной коре, потому что начиная с определенного уровня сложности ее извлечения только энергетические затраты на добычу становятся сопоставимыми с энергосодержанием добываемой нефти. Так, если при добыче традиционной нефти затраты энергии на обеспечение процесса ее добычи и подготовки соответствуют всего примерно 3 % ее объема, то при добыче тяжелой нефти из битуминозных песчаников уже более 20 % добываемой нефти уходит на энергетическое обеспечение самого процесса ее добычи и подготовки. Поэтому любое падение цен на нефть на мировом рынке ниже уровня 50–60 долл./баррель ставит добычу нефти из этих источников, организация которой требует огромных капиталовложений, в крайне сложное положение, фактически на грань рентабельности.

Рис. 19. Стадии переработки битуминозных песчаников: а) битуминозный песчаник; б) экстрагированный битум; в) синтетическая нефть; г) остаток – песок и глина

Рис. 20. Глубоководная добыча нефти

Прогнозная оценка технически извлекаемых запасов сланцевой нефти (рис. 21) и других ее нетрадиционных ресурсов показывает, что хотя эти запасы и велики, но явно несоразмерны тем огромным потребностям в энергии, которые будут необходимы человечеству уже в ближайшем будущем. Поэтому нефть, оставаясь самым удобным и привлекательным источником энергии, тем не менее постепенно вынуждена сдавать свои позиции.

Рис. 21. Прогнозная оценка технически извлекаемых запасов сланцевой нефти в различных странах (Источник: Энергетическое информационное агентство (EIA), США)

2.2. Новый лидер – природный газ

Что же может прийти на смену нефти? Далее мы более подробно обсудим различные источники энергии, имеющиеся в распоряжении человечества, но по объемам запасов пока только два из них – газ и уголь – способны играть такую же роль в мировой энергетике, какую играет сейчас нефть. В настоящее время природный газ рассматривается как наиболее обильный и динамично развивающийся энергетический ресурс. В то время как мировое потребление нефти уже практически достигло своего пика, мировое потребление природного газа продолжает быстро расти (рис. 22).

Рис. 22. Относительные темпы роста мирового потребления нефти и газа (1980 г. = 1)

Основные геологически доказанные запасы традиционного природного газа сосредоточены в двух регионах мира – странах СНГ и на Ближнем Востоке (рис. 23).

Рис. 23. Доказанные на начало 2015 г. запасы природного газа в 10 ведущих по запасам странах мира

В качестве традиционных ресурсов природного газа рассматриваются залежи с минимальными запасами 0,1 млрд м3 и начальным дебитом скважин более 30 тыс. м3/сут. Полное число месторождений с залежами свободного газа в мире превышает 17 000 и в более 30 000 чисто нефтяных месторождений газ присутствует в виде второстепенного компонента (нефтяной или попутный газ).

Из 4500 наиболее крупных месторождений природного газа лишь несколько десятков, составляющих примерно 2 % от их общего числа, относятся к категории крупных месторождений, дающей основной вклад в поставки товарного природного газа для энергетики и химической переработки (рис. 24). Большая часть известных месторождений при существующих технологиях транспортировки и переработки природного газа может использоваться лишь для удовлетворения местных потребностей.

Рис. 24. Распределение традиционных газовых месторождений мира по величине запасов

Мировой газовый потенциал (начальные потенциальные ресурсы традиционного природного газа) оценивается различными источниками величинами от 350–420 трлн м3 (осторожные оценки) до 500–550 и даже до 1000 трлн м3 (Скоробогатов, Старосельский, Якушев, 2000). Согласно статистическим данным, более 90 % выявленных в мире залежей нефти и газа сосредоточено на глубинах до 3 км. Разведанность этого слоя очень высока, поэтому в будущем здесь будут открываться преимущественно мелкие залежи углеводородов. К сожалению, современные технологии добычи, транспортировки и использования углеводородных ресурсов, ориентирующиеся, прежде всего, на ресурсы крупнейших месторождений, практически не учитывают это обстоятельство.

Россия является страной, наиболее обеспеченной ресурсами природного газа. Около четверти доказанных (рис. 25) и более 40 % вероятных ресурсов традиционного природного газа приходится на территорию России. Именно это национальное богатство делает Россию великой энергетической державой XXI века. Несмотря на явное снижение темпов открытия новых месторождений традиционного природного газа в России, в немалой степени и из-за недостаточного объема в предыдущие годы геологоразведочных работ, она еще продолжительное время будет оставаться крупнейшим мировым производителем и экспортером газообразных ресурсов (табл. II).

В десятке крупнейших мировых производителей природного газа на протяжении многих десятилетий с огромным отрывом доминируют Россия и США. Благодаря сланцевой революции в добыче природного газа США в последние три года опередили Россию по объему его годовой добычи, однако объем потенциальных ресурсов позволяет России со временем вернуть лидерство. Основные нефтегазодобывающие регионы России с указанием примерных объемов ежесуточной добычи нефти и газа и их доли в общероссийской добыче показаны на рис. 25.

Рис. 25. Основные нефтегазодобывающие регионы России

Максимальные темпы прироста традиционных ресурсов природного газа, так же, как в свое время и ресурсов нефти, были достигнуты в 70-х годах прошлого века. А в начале текущего столетия, с задержкой примерно в 15 лет по сравнению с нефтяной отраслью, темпы мировой добычи традиционного природного газа сравнялись с темпом открытия новых крупных месторождений. То есть добыча традиционного газа также приближается к своему пику. Но в последние годы большое внимание стали привлекать гигантские ресурсы нетрадиционных видов природного газа. В первую очередь это связано с тем, что были разработаны новые технологии извлечения этих ресурсов. Это позволяет рассматривать огромные ресурсы нетрадиционного природного газа как реально доступный резерв развития мировой энергетики. Но прежде чем перейти к обсуждению этих новых ресурсов, очень коротко рассмотрим, как вообще образуются в земной коре нефть и природный газ.

2.3. Генезис месторождений природного газа

Образование (генезис) нефти и природного газа в осадочных породах тесно связано с относительно недавней геологической историей верхних 10 км земной коры и образованием самих осадочных пород. По крайней мере часть природного газа, видимо, образовалась из биологического материала как растительного, так и животного происхождения в результате действия на него химических и микробиологических процессов в условиях высоких давлений и температур как конечный продукт образования углеводородов из биополимеров в ходе относительно прямого процесса последовательной потери кислорода и азота, вероятно, в виде диоксида углерода и аммиака.

Абсолютно все осадочные породы содержат в разных концентрациях, от 0,01 до 15 % (от 0,1 до 150 г/кг) рассеянное органическое вещество. При относительно небольших температурах 60—100°С, характерных для горных пород, могут протекать каталитические реакции деструкции органического вещества с образованием углеводородов. Катализаторами могут являться алюмосиликаты, входящие в состав различных, особенно глинистых пород, а также различные микроэлементы и их соединения. Для образования нефти достаточно иметь в тонкодисперсных глинистых осадках 0,5–2 % органического вещества. Метан может образовываться в промышленных объемах и из еще более рассеянной органики.

Кроме того, сейчас известно более десятка видов бактерий, в результате жизнедеятельности которых образуется метан. Они развиваются в основном при температурах от 0 до 55°С, но известны и термофильные штаммы, оптимум развития которых приходится на 65–70°С, а максимальная для жизнедеятельности температура еще выше. Например, некоторые разновидности сульфатвосстанавливающих бактерий живут в водоносных пластах нефтяных месторождений на глубине в несколько километров при температуре до 104°С и давлении до 100 атмосфер. Их концентрация достигает 50—160 тысяч в 1 мл, и они непрерывно в течение миллионов лет производят метан. Более тяжелые газообразные углеводороды – этан, пропан и бутан – биогенным путем практически не образуются (Зорькин, Суббота, Стадник, 1986).

Существуют также гипотезы абиогенного происхождения природного газа. Предполагается, что в процессе концентрации и уплотнения звездной пыли, приведшего к образованию Земли, уже первичное вещество содержало высокую концентрацию метана. При этом огромное количество метана оказалось в мантии Земли, и в течение 4,5 млрд лет ее существования эти газы с помощью различных тектонических механизмов пробивают себе путь к верхним слоям земной коры (Голд, 1986). Согласно этим данным метан в земной коре абсолютно устойчив до глубин в 30 км, а практически может существовать на глубинах до 300 км и даже 600 км. Если этот взгляд на геологию Земли верен, то глубинные резервы природного газа могут в огромное число раз превышать запасы газов биогенного происхождения. Многолетние исследования месторождений природных газов, в том числе изотопного состава углерода, который различен у метана биогенного и абиогенного происхождения, не дают решающего перевеса ни одной из этих теорий. Видимо, обе гипотезы происхождения природного газа справедливы, и различные месторождения имеют разное происхождение.

Даже при минимальных значениях потока углеводородной дегазации Земли (5 1013 г/год) за 500 млн лет к поверхности Земли могло быть вынесено 2,5 1016 т углеводородов. Это во многие тысячи раз превышает прогнозные глобальные запасы нефти (2 1011 т), газов в залежах (2 1011 т), нефтяных битумов (1 1012 т), горючих сланцев (5 1012 т) и свидетельствует о том, что нефтегазонакопление является побочным процессом на фоне глубинной углеводородной дегазации Земли. Данные о масштабах поступления углеводородных газов в атмосферу показывают, что ежегодное поступление в нее метана составляет примерно 2 трлн м3. Причем по результатам анализа изотопного состава доля биохимического метана не превышает 50–80 %, т. е. от 20 до 50 % этого потока приходится на глубинный метан, что составляет от 400 млрд м3 до 1 трлн м3/год (Валяев, 1997). Этот поток сопоставим с масштабами мировой добычи природного газа, что позволяет рассматривать его как частично возобновляемый ресурс.

В последние годы появились данные о возможности абиогенного каталитического синтеза углеводородов непосредственно в земной коре. Многие типичные горные породы являются дисперсными системами с высокоразвитыми межфазными границами, характерными для промышленных гетерогенных катализаторов, а химический состав пород нередко соответствует составу традиционных катализаторов синтеза углеводородов. Сравнение составов углеводородных смесей, искусственно синтезированных в различных условиях на металлосодержащих катализаторах и на каталитических металлооксидных системах в смеси с глинами, SiO2, Al2O3 и цеолитами с составом углеводородов природных нефтегазовых месторождений, показывает, что абиогенным неорганическим синтезом можно получать смеси углеводородов, идентичные природным. Рассматриваются два различных геохимических источника исходных газов для абиогенного синтеза углеводородов. Во-первых, возможен их синтез из восходящих глубинных потоков первичных СО, СО2 и Н2, которые входили в состав протопланетного вещества еще на стадии формирования Земли. Во-вторых, возможен абиогенный синтез углеводородов из аналогичных по составу «вторичных» газовых смесей, появившихся в результате глубинных превращений метана и воды в зонах, имеющих температуру более 800°С (Ионе и др., 2001).

Наряду с диоксидом углерода метан является одним из основных компонентов природных биохимических процессов кругооборота углерода. Попадающий в атмосферу метан составляет всего 0,5 % от полного кругооборота углерода в природе, хотя примерно половина всего количества углеводородов органического происхождения разлагается до метана анаэробной микрофлорой. Разница обусловлена деятельностью аэробных метанпоглощающих микроорганизмов, располагающихся между анаэробными отложениями, в которых происходит образование биогенного метана, и атмосферой. Есть данные, свидетельствующие о протекании и анаэробных биохимических процессов окисления метана в отложениях на морском дне с образованием диоксида углерода. То есть не исключено, что в условиях верхнего слоя осадочных пород происходит неоднократное взаимопревращение этих газов. Но в восстановительных условиях глубокозалегающих осадочных пород, где метан образует газовые залежи, метан, как самый устойчивый углеводород, может сохраняться неизменным десятки и сотни миллионов лет.

Соединения углерода с водородом также широко представлены в других телах Солнечной системы. Самое большое их количество сконцентрировано в массивных внешних планетах и их спутниках. В составе мощных атмосфер Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна значительная роль принадлежит углероду, в основном в виде углеводородов, и в частности метана. Атмосфера Титана, спутника Сатурна, содержит метан и этан. Облака над Титаном состоят из этих соединений, и, по-видимому, жидкая метан-этановая смесь покрывает поверхность планеты, концентрируясь наподобие воды в земных условиях, в океанах, реках, а также образуя полярные шапки охлажденного вещества (Голд, 1986).

2.4. Нетрадиционные ресурсы природного газа

 

2.4.1. Сланцевый газ – очередная революция в энергетике

Крупнейшим событием в мировой энергетике за последние годы стало создание в США промышленной технологии разработки еще одной разновидности нетрадиционных ресурсов природного газа – сланцевого газа. Фактически создание технологии экономически рентабельной добычи сланцевого газа, который до этого момента даже не рассматривался как реально извлекаемый ресурс, можно рассматривать как крупнейшую за последние полвека научно-техническую революцию в энергетике. Превращение огромных запасов сланцевого газа в доступное энергетическое сырье многократно увеличило мировые энергетические ресурсы и сняло, по крайней мере на несколько ближайших десятилетий, острейшую проблему глобального дефицита энергии.

По своему составу сланцевый газ практически не отличается от традиционного газа. Главное отличие месторождений сланцевого газа от месторождений традиционного газа в том, что они расположены на глубинах в 1,5–2 км в слабопроницаемых для газа осадочных породах, где собственно и протекает генезис (т. е. образование) газа (рис. 26).

Рис. 26. Зоны формирования традиционного и сланцевого газа

Из-за большой глубины залегания сланцевых пород и их слабой газопроницаемости разработка этих ресурсов потребовала решения нескольких сложнейших технических проблем. Помимо освоения экономически эффективных технологий бурения глубоких скважин потребовалось создание методов повышения притока газа к скважине и поддержания ее достаточно высокого дебита в течение продолжительного времени, необходимого для оправдания больших издержек на глубинное бурение. Эти методы включают создание эффективных технологий горизонтального бурения на больших глубинах и гидравлического разрыва пласта, что в совокупности значительно увеличивает эффективную площадь газосбора и скорость диффузии газа к скважине. При гидравлическом разрыве (гидроразрыве) в пласт под большим давлением закачивается смесь воды, песка и различных химикатов. В ходе разрыва породы под действием давления в горизонтальной части скважины, длина которой достигает 1,5–2 км, образуется большое количество трещин, увеличивающих общую площадь газосбора (рис. 27). Песчинки закрепляют образовавшиеся трещины, не давая им схлопываться под действием пластового давления, а химические вещества, в основном ПАВы, увеличивают отдачу.

Рис. 27. Схема добычи сланцевого газа методом гидроразрыва пласта

После гидроразрыва и выхода закачанной воды эффективная эксплуатация скважины может продолжаться в течение нескольких лет, хотя уже в течение первого года дебит скважины падает почти вдвое. В целом экономически эффективная эксплуатация скважины сланцевого газа продолжается всего несколько лет, что в разы меньше, чем в случае традиционного газа, добыча которого обычно ведется из ловушек, заполненных хорошо проницаемыми для газа породами, перекрытыми сверху газонепроницаемыми породами, и может продолжаться несколько десятилетий. Однако если обнаружение больших ловушек с традиционным газом, куда он диффундировал в течение миллионов лет из слабопроницаемых материнских пород, большая геологическая удача, то добыча сланцевого газа ведется по площадям путем последовательного бурения скважин через определенное расстояние. То есть добыча сланцевого газа может планомерно вестись на огромных территориях, расположенных над зонами с газосодержащими сланцевыми породами.

Тем не менее, сама технология добыча сланцевого газа, на разработку которой американские компании затратили пару десятков лет и миллиарды долларов, остается крайне сложной и дорогостоящей. Сейчас стоимость подготовки одной скважины к эксплуатации оценивается примерно в 5 млн долл. и продолжает постепенно снижаться, что позволяет американским добывающим компаниям поставлять газ на внутренний рынок по беспрецедентно низкой цене порядка 120 долл./1000 м3. Это примерно в два-три раза ниже, чем цена газа в Европе и Японии.

О сложности технологии добычи сланцевого газа свидетельствует рис. 28, демонстрирующий обилие сложнейшей техники, привлекаемой для осуществления гидроразрыва пласта. Пока только американские компании владеют этой технологией, оставаясь в этой области монополистами.

Рис. 28. Подготовка техники к гидроразрыву пласта

 

2.4.2. Газовые гидраты – главный мировой резерв углеводородного топлива

Важное значение для формирования в земной коре ресурсов природного газа имеет свойство метана и других газообразных углеводородов при высоком давлении и пониженной температуре образовывать с водой газовые гидраты – твердые кристаллические соединения с общей формулой CnH2n+2.mH2O, которые при высоких давлениях существуют и при положительных температурах. По структуре газовые гидраты – это соединения включения (клатраты), образующиеся при внедрении молекул газа в пустоты кристаллических структур, составленных из молекул воды. Существуют два типа решетки гидратов: структура I, построенная из 46 молекул воды и имеющая 8 полостей, и структура II – 136 молекул воды, 16 малых полостей и 8 больших (рис. 29). Молекулы газа-гидратообразователя находятся в полостях решетки, которая может существовать только при наличии этих молекул (Бухгалтер, 1986).

Рис. 29. Полости в структурах газовых гидратов типа I (8М·46Н2О, где М – СН4, С2Н6, СО2, H2S, N2) и типа II (8М·136Н2О, где М – С3Н8, i-С4Н10); модель каркаса из молекул воды с находящейся внутри молекулой метана

Метан, этан, углекислый газ, сероводород и азот образуют гидраты структуры I, при которой формула полностью насыщенного газом гидрата 8M.46H2O, где М – молекула гидратообразователя. Пропан и изобутан образуют гидраты структуры II с идеальной формулой 8M.136H2O. Углеводороды с размерами молекул, большими, чем у изобутана, гидратов не образуют, так как уже не помещаются в полость, образуемую молекулами воды. Один объем воды при образовании гидрата связывает от 70 до 210 объемов газа, при этом удельный объем воды возрастает на 26–32 %. При образовании гидрата метана один объем воды связывает 207 объемов метана. А при разложении 1 м3 гидрата метана при нормальных условиях выделяется 164,6 м3 газа. При этом объем, занимаемый газом в гидрате, не превышает 20 %. Таким образом, в гидратном состоянии 164,6 м3 газа занимают объем всего 0,2 м3 (Макогон, 2001).

Внешне гидраты метана выглядят как лед или плотный снег, а при разложении (таянии) выделяют воду и метан, который можно поджечь (рис. 30). В природных условиях они широко распространены и образуют крупные залежи метанового газа. Например, на океанском дне даже при температуре +10°С уже на глубине 700 м давление достаточно для образования газовых гидратов. Мировые ресурсы газа в газогидратных залежах, сосредоточенных на материках, определяются величиной около 1014 м3. А ресурсы газа, сосредоточенные в гидратном состоянии в акватории Мирового океана, в пределах шельфа и материкового склона – в 1,5 1016 м3 (Макогон, 1985), хотя имеются и более высокие оценки. Энергия, высвобождающаяся при разложении газогидратных залежей, столь велика, что этот процесс может инициировать тектономагматические процессы в литосфере Земли.

Рис. 30. Тающий кусок газового гидрата с горящим пламенем выделяющегося метана

Целый ряд закономерностей в распространении скоплений газовых гидратов, а также изотопно-геохимический облик газогидратных газов и вод свидетельствует о глубинном генезисе углеводородных газов, вошедших в состав газогидратов. Только в случае признания ведущей роли глубинных углеводородных и углеводородно-водных флюидов в формировании скоплений газогидратов главные геологические закономерности их распространения получают непротиворечивое объяснение. Водород и углерод являются основными химическими элементами, поднимающимися из земных глубин к поверхности в процессе постоянно идущей дегазации планеты. Водород диффундирует сквозь толщу земных пород в атомарном и молекулярном виде, а углерод – в химически связанном виде, в составе оксидов углерода СО и СО2. При температуре ниже 600°С эти газы вступают в реакцию, образуя воду и метан (СО + 3Н2 → Н2О + СН4). Вода входит в кристаллическую решетку гидросиликатов, а метан накапливается в виде газовых включений, в т. ч. газовых гидратов.

Мощнейшие скопления газовых гидратов приурочены в основном к краевым частям океанического дна, где продолжается океанообразование и где в современную нам эпоху происходит массовое поступление глубинного метана. Большая часть газовых гидратов обнаружена на дне океанов в молодых отложениях – метан продолжает поступать в гигантских объемах. Той же причиной обусловлено образование нефти и газа на континентах. В геологические эпохи мезозое и кайнозое сформировались осадочные бассейны, ставшие резервуарами углеводородов, где расположено большинство известных месторождений нефти и газа. Разница лишь в том, что на континентах возникшая по той же причине и в тот же отрезок времени, что и океаны, впадина заполнялась осадками, в которых и накапливался метан, впоследствии химическим и биогенным путями преобразованный в нефть и углеводородные газы. Формирование различных типов залежей газовых гидратов схематически представлено на рис. 31.

Рис. 31. Формирование различных типов газогидратных залежей

По некоторым оценкам залегающий в плейстоцен-современных осадках газогидратный слой содержит не менее 11,3 1018 м3 или 8,5 1015 т метанового углерода. В то же время запасы некарбонатного углерода в морской биоте определяются в 3 млрд т; в атмосфере – 3,6; детритном органическом веществе – 60; торфе – 500; биоте суши – 830; органическом веществе, растворенном в воде, – 980; почве – 1400; извлекаемых и неизвлекаемых ископаемых топливах (нефть, природный газ, уголь) – 5000 млрд т, т. е. в сумме – 8,8 трлн т. Это на три порядка меньше приведенной выше оценки содержания в земной коре гидратного метана.

Другие источники не разделяют столь высоких значений гидратоносности, оценивая их ресурсы в 2 1016 м3. Тем не менее и по этой оценке более половины органического углерода в земной коре, видимо, содержится в составе газовых гидратов, что вдвое превышает все разведанные и неразведанные ресурсы нефти, угля и газа, вместе взятые (рис. 32). Особенно интересно, что эти гигантские скопления метана содержатся в плейстоцен-современных отложениях, образовавшихся в последние пять миллионов лет. Это значит, что образовавший их метан выделился за время, составляющее одну тысячную всей истории планеты.

Рис. 32. Распределение органического углерода на Земле (1015 г)

В настоящее время имеются сведения о более чем 100 выявленных газогидратных залежах, а потенциальные мировые запасы газа в гидратном состоянии, по оценкам специалистов, превышают 16 1012 тнэ (тонн нефтяного эквивалента). Около 98 % ресурсов газогидратов сосредоточено в акваториях Мирового океана на глубинах более 200–700 м, в придонных осадках толщиной до 400–800 м и более, и только 2 % – в приполярных частях материков. Однако и последний факт заслуживает серьезного внимания, поскольку это соответствуют 300 трлн м3 газа, что в полтора раза превышает мировые разведанные запасы природного газа. Например, при современном уровне потребления выявленные запасы газа в гидратном состоянии в США могут обеспечить потребности страны в природном газе в течение 104 лет.

Разработка природных газогидратов – одна из наиболее промышленно значимых альтернатив разработке традиционных месторождений природного газа. Все большее число стран, включая США, Канаду, Индию, Китай, Японию, принимает национальные, хорошо финансируемые программы по исследованиям газогидратов и поискам их скоплений. Их оптимизм базируется на том, что уже при небольших масштабах выполненных геофизических и буровых работ открыты гигантские скопления газогидратов и газогитратные провинции. Удельная плотность метана в гидратоносных акваториях не уступает средней плотности в обычных месторождениях газа. Однако остаются сложности с созданием в обозримом будущем технологий, по которым извлечение метана из газогидратов станет не просто возможным, но и рентабельным.

2.5. Природный газ в энергетике XXI века

Таким образом, в земной коре имеются огромные ресурсы природного газа, к тому же постоянно пополняемые за счет продолжающихся процессов дегазации нашей планеты. Основные проблемы использования этого огромного потенциала связаны с созданием технологий, позволяющих практически извлекать их при приемлемых финансовых, энергетических и технологических усилиях. Рисунок 33 демонстрирует наличие различных видов природного газа в земной коре.

Рис. 33. Наличие различных видов природного газа в земной коре. Цифры – проницаемость пород, вмещающих соответствующий вид газа, в миллидарси (md). Дарси – единица проницаемости пористых сред

По мере нарастания «нетрадиционности» природного газа с одной стороны растет его объем в земной коре, но с другой стороны, увеличиваются сложность извлечения и необходимые для этого финансовые и энергетические затраты. Как мы видим, человечество располагает огромными ресурсами природного газа (табл. III). Некоторые виды этих ресурсов еще плохо изучены, но независимо от конкретных оценок уже очевидно, что они настолько велики, что при всех разумных сценариях развития нашей цивилизации их хватит еще на десятки, а может быть и сотни лет.

Таблица III. Ресурсы природного газа по состоянию на 2014 г.

Конечно, добыча нетрадиционных видов газа сложнее и дороже добычи традиционных ресурсов. Но по мере выработки наиболее удобных месторождений постоянно растет и себестоимость добычи традиционного газа. Так же, как и при добыче нефти, мы вынуждены постоянно осваивать все более сложные для извлечения и потому более дорогостоящие ресурсы. Рисунок 34 показывает, что это не драматическое скачкообразное удорожание будущих газовых ресурсов, а достаточно плавный и, увы, неизбежный переход к освоению все более дорогостоящего сырья.

Рис. 34. Стоимость добычи различных видов природного газа, долл./млн БТЕ

Себестоимость добычи сланцевого газа в США уже ниже себестоимости добычи традиционного газа в Европе (табл. IV), что позволяет прогнозировать прибыльность его экспорта в этот регион. А когда мы говорим о ресурсах традиционного природного газа в России, необходимо понимать, что они в значительной степени представлены арктическими ресурсами, себестоимость добычи которых может быть значительно выше себестоимости добычи сланцевого газа на территории США или других стран. При этом стоимость их транспортировки на мировые рынки Европы или Азии также выше стоимости транспортировки в эти же регионы газа из США.

Таблица IV. Себестоимость добычи различных видов газа в 2010 г., долл./млн БТЕ (Ступакова, Митронов, 2014)

Несмотря на текущий бум с добычей сланцевой нефти, ситуация с ее запасами пока остается достаточно неопределенной. Ее доля составляет всего около 1 % от общемировой добычи, и в перспективе не ожидается, что она превысит 5—10 %, а ее ресурсная база оценивается всего в 15 лет текущего мирового потребления. В то же время доля нетрадиционного газа (газ плотных коллекторов и метан угольных пластов) уже составляет свыше 15 % от общемировой добычи и имеет явную тенденцию роста, возможно до 40 %. Его общая ресурсная база сейчас оценивается примерно в 100 лет текущего мирового потребления газа. Поэтому к 2030-м годам природный газ, по оценкам, станет крупнейшим первичным мировым источником энергии, что будет означать конец почти столетней эры нефти.

Запасы сланцевых углеводородов, по сути, являются первичными по отношению к традиционным запасам. Они распределены по всей территории Земли достаточно равномерно, поэтому общедоступны. А совокупные ресурсы нетрадиционного газа превосходят даже перспективные потребности человечества, по крайней мере, в том временном диапазоне, в котором их вообще можно как-то планировать. До последнего времени единственным препятствием для их добычи было отсутствие соответствующих технологий добычи. На сегодняшний день это препятствие уже не существует в отношении сланцевого газа, и, видимо, в ближайшее время будет преодолено и в отношении других его разновидностей.

Возникает закономерный вопрос: сможет ли природный газ полностью заменить в мировой энергетике и, что более важно, мировой экономике в целом безусловно более удобную нефть, особенно в таких ключевых областях, как транспорт и нефтехимия.

Что касается транспорта, то уже несколько десятилетий существуют промышленные технологии конверсии природного газа в жидкие углеводороды, то есть синтетическую нефть и жидкие моторные топлива. Построены гигантские заводы, и уже накоплен большой опыт их эксплуатации. Пока еще экономика производства синтетического жидкого топлива (СЖТ) проигрывает экономике на основе природной нефти. Но технологии производства СЖТ постоянно совершенствуются, а себестоимость добычи природной нефти закономерно растет, так что ситуация неизбежно изменится. Проблема обеспечения сырьем современной нефтехимии не столь острая. В середине ХХ века обильные ресурсы нефти и относительная простота деструктивных процессов ее переработки (крекинг, пиролиз, дегидрирование, изомеризация), позволяющих широко использовать равновесные каталитические процессы, обеспечили быстрое развитие нефтехимии и ее огромную роль в мировой экономике. Однако если исключить производство моторных топлив, то современная нефтехимия потребляет всего лишь около 5 % добываемой нефти, так что удовлетворить ее потребности будет проще.

Одновременно бурно развивается новая отрасль – газохимия. В настоящее время существует разветвленная группа химических производств на базе природного газа. Среди основных крупнотоннажных продуктов – аммиак, метанол, водород, а также ацетилен, галогенпроизводные метана и другие продукты. В свою очередь, на базе аммиака, метанола, ацетилена производятся десятки химических продуктов, таких как азотная кислота, азотные удобрения, карбамид, формальдегид, карбамидно-формальдегидные смолы, высокооктановый компонент бензинов – метилтретбутиловый эфир (МТБЭ), меламин и смолы на его основе. Природный газ является основным источником промышленного получения водорода, мировое производство которого достигло 1,4 млрд м3/год.

Начало массовой добычи сланцевого газа в США дало новый импульс развитию газохимии. За несколько последних лет там было анонсировано строительство около 100 новых газохимических предприятий с общим объемом капитальных вложений более 70 млрд долл. А объем ежегодно производимой на них химической продукции уже к 2017 году должен превысить 70 млрд долл., что уже вполне сопоставимо с доходами от российского газового экспорта.

Благодаря огромным ресурсам газа и новым технологиям их добычи и химической переработки XXI век неизбежно станет веком газа и газохимии. Однако для того, чтобы природный газ действительно смог заменить нефть в качестве углеводородного сырья для получения огромной гаммы современных нефтехимических продуктов, предстоит еще пройти большой и сложный путь. Дело в том, что газохимия (по сути, нефтехимия на основе метана) принципиально отличается от традиционной нефтехимии «конструктивной» направленностью своих процессов. Ее цель – получение из наиболее простой и наиболее стабильной углеводородной молекулы СН4 всей огромной совокупности более сложных и менее стабильных (!!!) продуктов, производимых современной нефтехимией, а это очень непростая задача. Но задача в принципе решаемая, поэтому вряд ли стоит сомневаться в том, что она будет практически решена по мере переключения экономики на газовое сырье.

Есть ли реальные альтернативы природному газу в качестве источника энергии в течение переходного периода до освоения термоядерной энергии? Какие еще источники использует современная энергетика, на что она может реально рассчитывать в ближайшее время и в более отдаленной перспективе?

3.1. Уголь – слишком много проблем

Прежде всего, в распоряжении мировой энергетики имеются огромные залежи каменного угля. Уголь – старейший промышленный энергоресурс, обеспечивший успех промышленной революции в XIX веке. Ни один другой источник не занимал такой доминирующей позиции – в начале прошлого века доля угля в мировой энергетике превышала 60 %. Но сейчас она постоянно снижается (рис. 13) и, видимо, в течение текущего века будет оставаться на уровне 20 % или чуть выше. Основные причины, обусловившие снижение доли угля в мировой экономике, связаны с неудобством использования твердого топлива, трудностью автоматизации процессов его переработки, относительно низкой калорийностью угля, что делает нерентабельным его перевозки на большие расстояния, и экологическими проблемами, возникающими при его использовании. Практически все недостатки, свойственные углю как энергоресурсу, присущи и другим твердым горючим ископаемым, например, горючим сланцам и торфу, использование которых в энергетике имеет только местное значение.

Главным же достоинством угля является большой объем его запасов, накопленных в ходе биологической эволюции. Ресурсы каменного угля в земной коре огромны. Они распределены достаточно равномерно, так что пока нет проблем с его источниками. Наибольшими запасами обладают три страны – США, Россия и КНР (рис. 35).

Рис. 35. Доказанные извлекаемые мировые запасы угля. Серым цветом показана доля антрацита и коксующегося угля, темно-красным – низкосортного лигнита

Несмотря на снижение доли угля в мировой энергетике, его мировая добыча продолжает увеличиваться и уголь даже частично отвоевывает некогда утраченные позиции. Особенно велика его доля в производстве электроэнергии: в КНР она составляет около 75 %, а в США – около 50 %. Однако использование угля в энергетике связано с серьезными экологическими проблемами, начиная от высокого уровня эмиссии оксидов серы, азота и тяжелых металлов и кончая более высоким, по сравнению с нефтью и природным газом, удельным выбросом диоксида углерода. До сих пор не удалось также решить проблему рентабельной конверсии угля в жидкое топливо, несмотря на почти столетнюю историю этих попыток.

Пока ни одна крупная промышленная страна мира не испытывает недостатка в угле и, в связи с проблемами с другими источниками энергии, в последнее время в ряде развитых стран мира, прежде всего в США, предпринимались усилия по разработке более эффективных и экологически чистых технологий использования угля в энергетике. Департамент энергетики США выступил в свое время с инициативой создания нового поколения экологически более чистых способов получения энергии из угля. Предполагалось, что типовая угольная электростанция XXI века будет использовать в качестве топлива не непосредственно уголь, а синтез-газ (смесь СО и водорода) или водород, получаемые путем его предварительной газификации (рис. 36). Необходимый для газификации кислород должен производиться относительно дешевым мембранным разделением воздуха. Из очищенного от серо– и азотсодержащих соединений и твердых примесей синтез-газа на основе мембранных технологий можно было бы выделять водород для использования в качестве экологически чистого топлива для газовых турбин и топливных элементов. Образующийся вместе с водородом монооксид углерода путем паровой конверсии можно превращать в дополнительное количество водорода и углекислый газ, а последний – удалять из полученных газов без его выделения в атмосферу, что позволило бы снизить антропогенный вклад в парниковый эффект. Предполагалось, что в периоды минимума нагрузки часть полученного синтез-газа будет использоваться для выработки синтетических жидких углеводородов (СЖУ), необходимых для замещения истощающихся природных нефтяных ресурсов и производства синтетических моторных топлив, отвечающих новым жестким экологическим стандартам.

Рис. 36. Интегрированная технология экологически чистого использования угля на основе его газификации

Однако ставка на передовые технологии в производстве и использовании ресурсов угля пока не оправдалась – затраты на создание и эксплуатацию экологически чистых угольных электростанций оказались столь велики, что, несмотря на серьезную государственную поддержку, энергетические компании не могут обеспечить их конкурентоспособность. А после появления на энергетическом рынке США дешевого и доступного сланцевого газа, переход на который позволяет решить и экологические проблемы, в том числе реально снизить эмиссию диоксида углерода, интерес к чистой угольной энергетике заметно упал.

3.2. Атомная энергетика – увы, не выход

Атомная – или, как ее еще называют, ядерная – энергетика занимает важное место в мировом энергобалансе. На ее долю приходится 4,4 % вырабатываемой в мире первичной энергии, немногим меньше, чем на гидроэнергетику. Поскольку и атомная, и гидроэнергетика производят исключительно электроэнергию (рис. 8), в производстве электроэнергии их доля значительно выше – примерно шестая часть мирового производства электроэнергии и примерно треть европейского осуществляется за счет атомной энергии. А в ряде стран (Литва, Франция, Швеция и др.) атомная энергетика доминирует в производстве электроэнергии.

Коммерческое использование атомной энергетики началось более 50 лет назад. По состоянию на 2014 год в мире насчитывалось 439 энергетических реакторов общей мощностью 376,8 ГВт (табл. V, рис. 37). Еще 67 реакторов находилось в стадии сооружения. Больше всего АЭС (63 АЭС, 104 энергоблока) эксплуатируется в США. На втором месте идет Франция (58 энергоблоков), на третьем – Япония (50 блоков). В России работает 10 АЭС (33 энергоблока). США являются мировым лидером и по установленной мощности АЭС – почти 100 ГВт, однако доля ядерной энергетики составляет лишь 20 % в общем производстве электроэнергии в США. После остановки Игналинской атомной электростанции в Литве мировым лидером по доле атомной энергетики в общей выработке электроэнергии – примерно 77 %, является Франция (второе место по установленной мощности действующих энергоблоков). Средний возраст существующих сейчас реакторов около 25 лет, и примерно 100 реакторов в течение ближайших 10–15 лет исчерпают свой ресурс, что делает неизбежным практическое решение сложнейшей проблемы их демонтажа и утилизации.

Таблица V. Мировая атомная энергетика по состоянию на 2014 год

Рис. 37. Распределение действующих в мире реакторов по странам. В список китайских реакторов включены также 6 реакторов на Тайване (По данным МАГАТЭ на 26.06.2012)

Хотя сейчас ведется много разговоров, особенно активно поддерживаемых различными «зелеными» движениями, о возможности и даже необходимости замены атомной энергетики различными альтернативными источниками, это надежный, технологически зрелый и дешевый источник энергии, обеспечивающий значительную долю базового потребления электроэнергии. Ядерная энергетика практически не дает прямых выбросов парниковых газов и других вредных веществ и идеально подходит для крупных электростанций внутри больших сетей электропередач. Поэтому подавляющее большинство серьезных экспертов в области энергетики не сомневаются в необходимости дальнейшего развития атомной энергетики и сохранении за ней значительной доли в мировом производстве энергии.

Но в то же время ни один источник энергии не вызывал таких противоречивых оценок и споров, как атомная энергетика. После почти двадцатилетнего перерыва, вызванного Чернобыльской катастрофой, работы по созданию новых установок возобновились, и сейчас в стадии проектирования и строительства находятся десятки новых реакторов. Однако, несмотря на прошедшие почти 30 лет стабильной безаварийной работы нескольких сотен атомных энергоблоков, во многих странах сохраняется беспокойство по поводу безопасности этого источника энергии. В некоторых странах дело даже доходит до настойчивых требований ее полного запрета.

Тем не менее не существует каких-либо документальных свидетельств об отмеченном где-либо в мире ущербе здоровью населения от штатной работы атомных станций. Типовой атомный энергоблок мощностью 1000 МВт производит в год около 30 тонн высокорадиоактивных отходов и 800 тонн низко– и среднеактивных отходов, объем которых может быть значительно сокращен за счет концентрирования. Для сравнения, 1000 МВт-ная угольная электростанция производит ежегодно 320 000 тонн золы, содержащей 400 тонн тяжелых металлов и радиоактивных материалов, не считая отходов, образующихся при добыче и транспортировке угля. С учетом всей производственной цепочки от добычи сырья и до производства электроэнергии атомная энергетика производит в сто раз меньше СО2 и практически не наносит экологического ущерба окружающей среде. Таким образом, она уже сейчас позволяет сократить глобальную эмиссию СО2 на 8 % (около 0,6 Гт углерода в год).

Экологическая безопасность и себестоимость производимой энергии являются важнейшими факторами, влияющими на относительное развитие различных первичных источников энергии. По этим показателям атомная энергетика в настоящее время опережает все остальные невозобновляемые источники энергии. Себестоимость производства электроэнергии на АЭС сейчас на уровне 1 цент за кВтч, что в три-четыре раза дешевле, чем на теплоэлектростанциях с углеродным топливом. Даже самые современные газовые электростанции с комбинированным циклом производят в три раза более дорогую энергию. Снижение стоимости единицы установленной мощности на АЭС до 1,1 долл. за кВт позволит снизить стоимость стандартного 1000 МВт блока до 1,1 млрд долларов. Даже уровень радиоактивного загрязнения от обычной тепловой электростанции на угле в 1000 раз выше, чем от АЭС аналогичной мощности. Однако даже очевидная необходимость развития отрасли и ее явные экономические преимущества не снимают негативного отношения к ней в ряде стран. Например, в Швеции, где ее доля в производстве электроэнергии превышает 40 %, продолжаются настойчивые призывы к полному запрету атомной энергетики.

Несмотря на неоднозначное отношение к этому общественности богатых европейских стран, требующих абсолютной гарантии своей безопасности, развитие атомной энергетики продолжается и будет продолжаться. По некоторым прогнозам, за период с 2000 по 2050 год ожидается увеличение производства энергии этой отраслью в 14 раз. Переход к реакторам III поколения, а со временем и к разрабатываемым реакторам IV поколения позволит повысить их надежность, увеличить срок эксплуатации и снизить удельный расход топлива. Наиболее амбициозные планы в области атомной энергетики имеют Китай, Россия и Индия. Но до сих пор реальные темпы развития атомной энергетики значительно уступали прогнозам.

Но так же, как и энергетика на углеродном топливе, атомная энергетика использует ископаемый природный ресурс – изотоп урана с массой 235 (U235). Его содержание в природном уране составляет всего 0,6–0,7 %, и при существующем уровне развития атомной энергетики время истощения его запасов с экономически приемлемой стоимостью производства до 80 долл./кг U2O3 оценивается всего примерно в 50 лет. Даже переход на крайне дорогостоящие и сложные реакторы-размножители (бридеры), повышающие степень использования природного урана в 60–80 раз за счет превращения в ядерное топливо и основного изотопа урана U238, не позволяет рассчитывать на атомную энергетику как долговременный источник энергии для человечества.

3.3. Скромные масштабы возобновляемой энергетики

 

3.3.1. Гидроэнергетика и энергия приливов

Гидроэнергетика, на долю которой сейчас приходится почти 7 % мирового производства энергии, относится к старейшим источникам энергии, стоит только вспомнить о водяных мельницах и водяных приводах на первых промышленных мануфактурах. Современная гидроэнергетика обеспечивает производство 73,5 % возобновляемой и около 20 % всей электроэнергии в мире, что эквивалентно использованию почти 900 млн т нефти. Абсолютным лидером по выработке гидроэнергии на душу населения является Исландия. Высок также вклад гидроэнергетики в Норвегии, где доля ГЭС в выработке электроэнергии достигает 98 %, Канаде и Швеции. А в Парагвае на гидроэлектростанциях вырабатывается 100 % производимой в стране электроэнергии.

Наиболее активное гидростроительство с 2000-х годов ведет Китай, для которого гидроэнергия является одним из важнейших источников электроэнергии. В этой стране размещено до половины малых гидроэлектростанций мира, а также крупнейшая ГЭС мира «Три ущелья» на реке Янцзы и строящийся, крупнейший по мощности каскад ГЭС. Еще более крупная ГЭС «Гранд Инга» мощностью 39 ГВт планируется к сооружению международным консорциумом на реке Конго в Демократической Республике Конго (бывший Заир). Крупнейшими на 2008 год производителями гидроэнергии являлись следующие страны (табл. VI, рис. 38):

Таблица VI

Шестерка ведущих стран мира в области гидроэнергетики и их доля в мировом производстве гидроэнергии представлены на рис. 38.

Рис. 38. Вклад 6 ведущих стран в суммарную мощность мировой гидроэнергетики по состоянию на 2013 г.

В России гидроэнергетика, так же, как и атомная энергетика, обеспечивает выработку примерно 16 % всей электроэнергии в стране. Сейчас мировая гидроэнергетика развивается быстрыми темпами, увеличивая свои мощности примерно на 2 % в год. Но, к сожалению, возможности гидроэнергетики ограничены. Зная среднюю высоту земной поверхности над уровнем моря и среднегодовое количество выпадающих осадков, легко оценить полное количество энергии, которое можно получить за счет этого источника.

По оценкам Международного энергетического агентства (МЭА), общий технически реализуемый потенциал мировой гидроэнергетики составляет 14 000 ТВт-ч в год. Из них около 8 000 ТВт-ч в год рассматриваются в настоящее время как экономически обоснованные. На сегодня гидроэнергетические мощности объемом около 808 ГВт либо эксплуатируются, либо находятся на стадии строительства с предполагаемым ежегодным совокупным объемом генерируемой энергии около 7 080 ТВт-ч. То есть с учетом географических факторов и неизбежных потерь в процессе преобразования энергии на Земле уже задействована основная часть реально доступного потенциала гидроэнергетики. Большая часть оставшегося потенциала гидроэнергетики расположена в Африке, Азии и Латинской Америке. Хотя в основном за счет этих континентов развитие гидроэнергетики будет продолжаться, ее доля в мировом энергобалансе уже не может существенно увеличиться.

На сегодняшнем энергетическом рынке крупные гидроэлектростанции во многих случаях являются самыми низкозатратными источниками электроэнергии. Причина этого в том, что большинство гидроэлектростанций было построено много лет назад, и их стоимость полностью амортизирована. Для новых крупных станций затраты на генерацию лежат в пределах 0,03—0,04 долл./кВтч.

Примерно 5 % мирового потенциала гидроэнергетики реализуется на ГЭС малой мощности. Технический потенциал малой гидроэнергетики в мире оценивается на уровне 150–200 ГВт. Затраты на генерацию на малых гидростанциях (<10 МВт) оцениваются на уровне 0,02—0,10 долл./кВтч, причем минимальные затраты приходятся на регионы с высоким качеством гидроресурсов. После списания высоких первоначальных затрат электростанции могут генерировать энергию с еще меньшими затратами, так как обычно они не требуют больших затрат на замещение оборудования в течение 50 и более лет.

Озабоченность состоянием окружающей среды и социальные проблемы – основные препятствия на пути использования оставшегося мирового потенциала гидроэнергетики. Увеличение потребности в воде для различных нужд может ограничить развитие гидроэнергетики и сократить объем воды, доступной для существующих электростанций. При постройке плотин неизбежно образуются водохранилища, и вода, заливая огромные площади, необратимо изменяет окружающую среду. Затапливаются поля, леса, выселяются с насиженных мест люди. Например, объем водохранилища крупнейшей в России Красноярской ГЭС мощностью 6 ГВт составляет 73,3 км2. Подъем уровня воды перед плотиной может вызвать заболоченность местности, засоленность почвы, изменения прибрежной растительности и микроклимата. Плотины перегораживают путь рыбе, идущей на нерест.

Приливные электростанции можно рассматривать как специфическую разновидность гидроэлектростанций. Для устройства простейшей приливной электростанции (ПЭС) нужен бассейн – перекрытый плотиной залив или устье реки. В плотине имеются водопропускные отверстия и установлены турбины, которые вращают генераторы. Во время прилива вода поступает в бассейн. Когда уровни воды в бассейне и море сравняются, затворы водопропускных отверстий закрываются. С наступлением отлива уровень воды в море понижается и, когда напор становится достаточным, турбины и соединенные с ним электрогенераторы начинают работать, а вода из бассейна постепенно уходит. Возможна и работа турбин в реверсном режиме, т. е. при потоке воды как при отливе, так и приливе.

Эксплуатация приливных электростанций считается экономически целесообразной в районах с приливными колебаниями уровня моря не менее 4 м, которых, к сожалению, не так уж и много. Проектная мощность приливной электростанции зависит от характера прилива в районе строительства станции и от объема и площади приливного бассейна. Главный же недостаток приливных электростанций в том, что они строятся только на берегу морей и океанов, и к тому же развивают не очень большую мощность, да и приливы бывают всего лишь два раза в сутки. Так же, как и с ГЭС, с ними связаны серьезные экологические проблемы. Они нарушают нормальный обмен соленой и пресной воды и тем самым – условия жизни морской флоры и фауны. Влияют они и на климат, поскольку меняют энергетический потенциал морских вод, их скорость и территорию перемещения.

Единственная в России экспериментальная Кислогубская приливная электростанция, сооруженная в 1968 году, после десятилетнего простоя вновь введена в эксплуатацию. Мощность приливной электростанции в Кислой губе, где высота прилива достигает 5 м, составляет всего 400 кВт. Новые ПЭС для промышленного использования планируется построить на Белом и Охотском морях. На Мезенской ПЭС в Белом море планируется первый в России полупромышленный энергоблок мощностью 10 МВт, а полностью введенная в эксплуатацию ПЭС может достигнуть мощности до 20 ГВт. Рассматривается возможность строительства ПЭС в Пенжинской губе на Охотском море, где высота приливов доходит до 13 м, что является наивысшим для всего Тихого океана показателем. Это позволяет иметь электростанцию мощностью до 90 ГВт, которая в случае реализации стала бы крупнейшей в России и мире. Однако таких уникальных мест на Земле немного.

 

3.3.2. Солнечная энергия

При обсуждении глобальных перспектив возобновляемых источников энергии в первую очередь рассматривают солнечную и ветроэнергетику. Заметные успехи, достигнутые за последние годы в развитии этих источников энергии, вызывают большой оптимизм у их поклонников. Действительно, сегодня солнечная и ветроэнергетика – быстроразвивающиеся (рис. 39) зрелые отрасли мировой индустрии с ежегодным объемом капитальных затрат свыше 15 млрд долл. Технологическое развитие солнечной энергетики уже позволяет получать в год до 200–600 кВтч энергии с 1 м2 установленных солнечных коллекторов. В 2014 г. только в Европе (в основном южной) солнечными коллекторами выработано почти 100 млн МВтч, а общемировое производство солнечной энергии достигло 186 млн МВтч.

Рис. 39. Рост установленной мощности солнечных и ветровых энергоустановок в мировой энергетике в 2004–2013 гг. (ГВт)

Сейчас можно выделить два основных направления использования солнечного излучения в энергетике:

фотовольтаика (фотоэлектрические преобразователи, фотовольтаические ячейки), т. е. преобразование солнечного излучения непосредственно в электроэнергию на основе фотоэффекта;

гелиотермальная энергетика, использующая солнечное излучение для нагрева рабочего тела, например воды, используемой затем в качестве источника тепла или для генерации пара для привода паровых турбин, как в обычных тепловых электростанциях.

За последние годы солнечная энергетика достигла впечатляющих успехов. Если в конце 60-х годов стоимость фотоэлектрической панели составляла около 100 000 долларов за киловатт пиковой (максимально возможной) мощности, то сегодня ее стоимость ниже 2 000 долл./кВт. Однако при подсоединении панели к энергосети примерно такую же сумму необходимо затратить на дополнительное оборудование – арматуру, конвертеры и соединительные схемы. Стоимость получаемой электроэнергии зависит от интенсивности солнечного света. Например, в Средиземноморье стоимость фотоэлектрической электроэнергии может составлять от 0,35 до 0,45 долл./кВт. В наиболее благоприятных для этого районах при использовании современных технологий и концентрировании солнечных лучей стоимость электроэнергии составляет 0,10—0,15 долл./кВт. Сейчас стоит задача снизить в долгосрочной перспективе затраты в системах с концентрированием солнечного излучения до уровня менее 0,05 долл./кВт.

В 1980-х был создан первый тонкопленочный фотоэлемент на основе недорогого аморфного кремния, что стимулировало резкий рост солнечной энергетики. Кремниевые тонкопленочные элементы стали лидерами, захватив 80 % объема мирового рынка солнечных элементов. Благодаря удешевлению солнечных панелей за 50 лет стоимость выработки электроэнергии на основе фотоэлектрических элементов снизилась более чем в 30 раз. С каждым годом открываются все новые пути уменьшения финансовых расходов в данной области. С 2006 по 2008 год новые энергоэффективные технологии позволили сократить расход кремния на 1 Вт установленной мощности с 10 до 8,7 г/Вт.

Переход к использованию гетеросоединений типа арсенида галлия и алюминия и применение концентраторов солнечной радиации с кратностью концентрации 50—100 позволяет повысить КПД с современных 20 до 35 %. В 1989 г. был создан двухслойный элемент, состоящий из двух полупроводников арсенида и антимонида галлия. В этом элементе в первом прозрачном слое (арсенид галлия) поглощается и преобразуется в электричество видимый свет, а инфракрасная часть спектра, проходящая через этот слой, поглощается и преобразуется в электричество во втором слое (антимониде галлия). В итоге КПД составляет 37 %, что вполне сопоставимо с КПД современных тепловых и атомных электростанций.

Технологические новации последних лет, значительно увеличив перспективы солнечной энергетики, позволили перейти к сооружению достаточно крупных энергоустановок, соответствующих промышленным электростанциям средней мощности. В настоящее время в основном строят солнечные термоэлектростанции (гелиотермоэлектростанции) одного из двух типов: солнечные электростанции башенного типа (рис. 40) и солнечные электростанции распределенного (модульного) типа (рис. 41).

Рис. 40 (a). Солнечная электростанция башенного типа

Рис. 40 (b). Солнечная электростанция башенного типа

В башенных солнечных гелиотермоэлектростанциях используется центральный приемник с полем гелиостатов, обеспечивающим степень концентрации энергии в несколько тысяч раз. Солнечные лучи, отражаясь от множества плоских зеркал, концентрируются на центральном приемнике, размещенном на центральной башне. При этом требуется сложная система слежения отдельных зеркал (гелиостатов) за Солнцем за счет их вращения вокруг двух осей, управляемая ЭВМ. Главным недостатком башенных солнечных электростанций является их высокая стоимость и большая занимаемая площадь. Так, для размещения солнечной электростанции мощностью 100 МВт требуется площадь в 200 га, в то время как для АЭС мощностью 1000 МВт – всего 50 га.

В солнечных электростанциях распределенного (модульного) типа (рис. 41) используется большое число отдельных модулей. Каждый модуль состоит из опоры, на которой крепится параболический концентратор солнечного излучения и приемник, расположенный в фокусе концентратора и используемый для нагрева рабочей жидкости. Нагретая рабочая жидкость подается в тепловой двигатель, соединенный с электрогенератором. При небольшой мощности солнечные электростанции модульного типа более экономичны, чем башенные. В солнечных электростанциях модульного типа обычно используются линейные концентраторы солнечной энергии с максимальной степенью концентрации около 100.

Рис. 41. Солнечная электростанция распределенного (модульного) типа

Значительное преимущество гелиотермоэлектростанций – их способность к интеграции в традиционные тепловые электростанции. В качестве «солнечной топки» их можно интегрировать в традиционные тепловые циклы параллельно с камерами сгорания для ископаемых видов топлива. Однако при стоимости энергии на современных солнечных электростанциях даже в наиболее благоприятных условиях 0,10—0,15 долл./кВтч солнечная энергетика остается слишком дорогостоящей, чтобы без субсидий быть конкурентоспособной на внутренних рынках. Поэтому цель ведущихся в настоящее время научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ состоит в снижении стоимости энергии до 0,05—0,08 долл./кВтч, а в долгосрочной перспективе и до уровня ниже 0,05 долл./кВтч.

Энергия солнечного излучения может быть преобразована в постоянный электрический ток и посредством солнечных батарей – устройств, состоящих из тонких пленок кремния или других полупроводниковых материалов (рис. 42). Преимущество фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) обусловлено отсутствием подвижных частей, их высокой надежностью и стабильностью. При этом срок их службы практически не ограничен. Они имеют малую массу, отличаются простотой обслуживания, эффективным использованием как прямой, так и рассеянной солнечной радиации. Модульный тип конструкций позволяет создавать установки практически любой мощности, что очень удобно для потребителя. Недостатками ФЭП являются высокая стоимость и низкий КПД. Солнечные батареи являются основным источником энергопитания в космосе, а на Земле используются в основном для энергоснабжения автономных потребителей мощностью до 1 кВт, питания радионавигационной и маломощной радиоэлектронной аппаратуры, привода экспериментальных электромобилей и самолетов.

Рис. 42. Солнечные батареи (ФЭП)

В США, занимающих ведущие позиции в области солнечной энергетики, реализуется несколько крупных проектов как на основе фотовольтаического преобразования излучения, так и на основе его теплового действия. Крупнейший проект, реализуемый на границе Калифорнии и Невады в пустыне Мохаве, электростанция Ivanpah, после долгих лет строительства, тестирования и развития в 2014 г. была официально введена в строй. Она включает систему из 300 тысяч управляемых плоских зеркал (гелиостатов) размером с дверь гаража каждое, занимающих площадь в 16 км2, которые концентрируют солнечное излучение на три одинаковых башни высотой по 140 метров (рис. 43). В солнечных коллекторах, расположенных наверху башен, тепло солнечного излучения превращает воду в водяной пар, направляемый на лопатки турбин, производящих электроэнергию, как в обычных ТЭЦ. По оценкам, этой энергии должно быть достаточно для обеспечения нужд 140 тысяч домохозяйств Калифорнии.

Рис. 43. Солнечная электростанция в пустыне Мохаве (США)

Каждая башня имеет свой центр управления, а также имеется общий центр управления, откуда контролируется работа всей системы. Каждое из зеркал может изменять угол наклона и направление наклона по команде из центра. Раз в две недели зеркала омываются. Вся система состоит из 22 миллионов отдельных деталей. Максимальная мощность станции составляет 392 МВт, а ее стоимость 2,2 млрд долларов, что в несколько раз превышает стоимость тепловых электростанций аналогичной мощности. Есть и другие серьезные проблемы: более 300 тысяч зеркал очень сильно нагревают воздух (температура коллекторов достигает 540 градусов Цельсия), что приводит к смерти птиц, которые пролетают мимо. Поэтому серьезно рассматривается вопрос влияния подобных электростанций на окружающую среду, и не исключено, что Ivanpah может стать последней электростанцией данного типа. Но главное – это огромные удельные капитальные вложения и сложность используемого оборудования, многократно превышающие данные показатели для других источников, необходимость огромных площадей для его размещения и непостоянство и непредсказуемость количества производимой энергии.

 

3.3.3. Энергия ветра

Ветровая электроэнергетика, появившаяся еще в конце XIX века, в течение последних 6 лет была наиболее быстро развивающимся видом возобновляемой энергетики, годовые темпы роста в которой достигали почти 30 % (рис. 44). К началу 2015 года общая установленная мощность всех ветрогенераторов составила 369 ГВ, а количество произведенной ими электрической энергии достигло 3 % всей произведенной человечеством электрической энергии. Более 30 % установленных мощностей приходится на Китай, около 18 % – на США и более 10 % – на Германию. За счет этого источника, в основном установок, размещенных в море вблизи побережья (рис. 48), Дания покрывает около 40 % своих потребностей в электроэнергии. Германия покрывает за счет ветроэнергетики 8,6 % потребности в электроэнергии, а Китай – 1,3 %. Существуют планы дальнейшего развития ветроэнергетики, согласно которым к 2020 г. мощность ветроэнергоустановок только в странах Евросоюза достигнет 180 ГВт.

Рис. 44. Ветроустановки на суше и у побережья

Однако столь высокие темпы, характерные для начального этапа освоения этого источника энергии, вряд ли удастся удержать. Наиболее продуктивные с географической и потребительской точки зрения места расположения ветроэнергоустановок уже освоены, что ведет к закономерному падению темпов развития ветровой энергетики (рис. 45).

Рис. 45. Ежегодные темпы прироста мощностей в мировой ветроэнергетике (Источник: BP Statistical Review of World Energy, 2015)

В ближайшие годы ожидается заметное технологическое продвижение, в частности, разработка турбин мощностью выше 5 МВт, хотя 80 % мировой ветроэнергетики приходится на турбины класса 1,5–2,5 МВт. Мощность ветрогенератора зависит от площади, ометаемой лопастями генератора, и его высоты над поверхностью. Например, турбины мощностью 3 МВт имеют общую высоту 115 метров, высоту башни 70 метров и диаметр лопастей 90 метров. Ветрогенератор начинает вырабатывать электроэнергию при скорости ветра 3 м/с и отключается при скорости ветра более 25 м/с. Вырабатываемая энергия пропорциональна скорости ветра в третьей степени, а максимальная мощность достигается при скорости ветра ~15 м/с.

Наиболее перспективными местами для размещения ветрогенераторов считаются прибрежные зоны морских акваторий. Но при этом стоимость инвестиций по сравнению с сушей повышается в 1,5–2 раза. Офшорные ветровые электростанции (рис. 46) обычно строятся в море на расстоянии 10–12 км от берега. Их башни устанавливают на фундаменты из свай, забитых на глубину до 30 метров.

Хотя энергия ветра, в отличие от ископаемого топлива, практически неисчерпаема, доступна и более чистая с экологической точки зрения, сооружение ветровых электростанций сопряжено с определенными трудностями технического и экономического характера, замедляющими распространение ветроэнергетики. В частности, непостоянство ветровых потоков создает проблемы надежности производства электроэнергии. Но главное, ветроэнергетика остается одним из наиболее дорогих источников электричества. Средняя стоимость современной крупной ветровой наземной станции составляет около 1 000 долларов/кВт установленной, т. е. максимально возможной (пиковой) мощности. Стоимость возведения морской станции может быть на 35—100 % выше. В эту стоимость не включены потенциальные затраты на интеграцию с энергосистемами и на создание мощностей по аккумуляции энергии. Себестоимость производимой электроэнергии на лучших береговых электростанциях сейчас снизились до 0,03—0,04 долл./кВтч. Снижение средней скорости ветра резко увеличивает себестоимость электроэнергии. Различия электростанций, разброс показателей капитальных затрат и средних показателей скорости ветра приводят к существенным колебаниям себестоимости ветровой энергии в различных странах и регионах: от 0,03 до 0,20 долл./кВтч. Пока на большинстве рынков ветровая энергия неконкурентоспособна, поэтому ситуация смягчается льготными тарифами для этого вида энергетики.

 

3.3.4. Геотермальная энергетика

Геотермальная энергетика использует для производства электрической энергии энергию, содержащуюся в недрах земли. В вулканических районах вода, циркулирующая в подземных горизонтах, на относительно небольших глубинах перегревается выше температуры кипения и по трещинам поднимается к поверхности, иногда выходя в виде гейзеров. Доступ к подземным теплым водам возможен при помощи бурения скважин.

Более распространены сухие высокотемпературные породы, энергия из которых может быть получена при помощи закачки и последующего отбора из них перегретой воды. Высокие горизонты пород с температурой менее 100 °C распространены и на множестве геологически малоактивных территорий. Геотермальные источники широко используются в энергетике и хозяйстве во многих странах: США, Исландии, Новой Зеландии, Италии, Франции, Литве, Мексике, Никарагуа, Коста-Рике, Филиппинах, Индонезии, Китае, Японии, Кении и других.

Геотермальная энергетика подразделяется на два направления: петротермальная энергетика и гидротермальная энергетика.

Рис. 46. Схема получения геотермальной энергии

Петротермальная энергетика связана с глубинными температурами Земли, средняя скорость повышения которых с глубиной – около 2,5 °C на каждые 100 метров. На глубине 5 км температура составляет примерно 125 °C, а на 10 км – около 250 °C. Добыча тепла производится посредством бурения двух скважин, в одну из которых закачивается вода, которая, нагреваясь, попадает в смежную скважину и выходит в виде пара (рис. 46). Главная проблема данного вида энергетики на сегодня – рентабельность.

Гидротермальная энергетика основана на использовании природных источников перегретых подземных вод, которыми обладают многие вулканические зоны планеты, в том числе Камчатка, Курильские, Японские и Филиппинские острова, обширные территории Кордильер и Анд. Главным достоинством геотермальной энергии является ее практическая неиссякаемость и полная независимость от условий окружающей среды, времени суток и года. Воду или смесь воды и пара в зависимости от их температуры можно направлять для горячего водоснабжения и теплоснабжения, для выработки электроэнергии либо одновременно для этих целей. Высокотемпературное тепло вулканических районов и сухих горных пород предпочтительно использовать для выработки электроэнергии, а непосредственное устройство станции зависит от используемого источника геотермальной энергии.

Большие объемы подземных термальных вод имеются в Дагестане, Северной Осетии, Чечне, Ингушетии, Кабардино-Балкарии, Закавказье, Ставропольском и Краснодарском краях, на Камчатке и в ряде других районов России, а также в Казахстане. На 2006 г. в России было разведано 56 месторождений термальных вод с дебитом, превышающим 300 тыс. м3/сутки. На 20 месторождениях ведется промышленная эксплуатация, среди них: Паратунское (Камчатка), Казьминское и Черкесское (Карачаево-Черкесия и Ставропольский край), Кизлярское и Махачкалинское (Дагестан), Мостовское и Вознесенское (Краснодарский край). Сейчас геотермальная энергетика обеспечивает 30 % выработки электроэнергии на Камчатке (Мутновская, Паужетская и Верхне-Мутновская ГеоЭС) (рис. 47).

Рис. 47. Мутновская ГеоЭС на Камчатке

Главная из проблем, возникающих при использовании подземных термальных вод, заключается в необходимости возобновляемого цикла закачки отработанной воды в подземный водоносный горизонт. В термальных водах содержится большое количество солей различных токсичных металлов (бора, свинца, цинка, кадмия, мышьяка) и химических соединений (аммиак, фенолы). Это исключает сброс этих вод в природные водные системы, расположенные на поверхности.

Потенциальная суммарная мощность геотермальных электростанций мира уступает большинству типов станций на иных возобновляемых источниках энергии. Однако это направление получило развитие в силу высокой энергетической плотности в отдельных географических районах, в которых отсутствуют или относительно дороги горючие полезные ископаемые. Так как геотермальная энергия, в отличие от нефти и угля, не нуждается в переработке после добычи или транспортировке на большие расстояния, она обходится намного дешевле и более чистая с экологической точки зрения. В настоящее время геотермальное электричество производится в 24 странах.

На начало 1990-х годов установленная мощность геотермальных электростанций в мире составляла около 5 ГВт, на начало 2000-х – около 6 ГВт, а в 2010 году суммарная мощность геотермальных электростанций в мире выросла до 10,7 ГВт (табл. VII).

Крупнейшим производителем геотермальной электроэнергии являются США, которые в 2005 году произвели около 16 млрд кВтч геотермальной электроэнергии. В 2010 году суммарные мощности 77 геотермальных электростанций в США составляли 3086 МВт. Наиболее мощная и известная группа геотермальных электростанций США находится на границе округов Сонома и Лейк в 116 км к северу от Сан-Франциско. Она носит название «Гейзерс» и состоит из 22 геотермальных электростанций с общей установленной мощностью 1517 МВт, на которые сейчас приходится четвертая часть всей производимой в Калифорнии альтернативной (не-гидро) электроэнергии. Как один из альтернативных источников энергии геотермальная электроэнергетика имеет в США особую правительственную поддержку, а американские компании, работающие в этой области, в настоящее время стремятся делать бизнес не только на территории США, но и за их пределами.

Геотермальная энергетика продолжает достаточно устойчиво развиваться, хотя и не такими быстрыми темпами, как солнечная и ветроэнергетика (рис. 48). Лидерами в ее развитии сейчас являются страны Азиатско-Тихоокеанского региона, на долю которых уже приходится 47,6 % производимой в мире геотермальной энергии. На Северную Америку приходится 42,3 %, а на Европу – 10 %. Однако несмотря на быстрые и устойчивые темпы развития геотермальной энергетики, существующей уже более ста лет, ее реальный потенциал слишком мал, чтобы внести существенный вклад в мировую энергетику.

Таблица VII. Установленная мощность геотермальных электростанций по странам мира

Рис. 48. Рост установленной мощности мировой геотермальной энергетики, МВт

 

3.3.5. Биоэнергетика

Биоэнергетика, наряду с солнечной энергетикой, является основной надеждой и аргументом тех, кто рассчитывает на возможность удовлетворения энергетических потребностей человечества за счет возобновляемых источников энергии. Сейчас на долю сжигания биомассы, в основном дров и сельскохозяйственных отходов, приходится значительная часть энергопотребления в бытовом секторе многих слаборазвитых стран. Но в условиях уже обсуждавшегося дефицита продуктов питания и деградации сельскохозяйственных земель рассчитывать на удовлетворение быстро растущих энергетических потребностей человечества за счет «зеленой энергетики», т. е., по сути, сельского хозяйства, нереально. Конечно, это не исключает более широкого использования отходов биомассы и бытовых отходов для выработки энергии. Например, на территории современного городского района с населением в 100 тыс. человек ежегодно образуется около 40 тыс. т твердых горючих бытовых отходов, тепловая утилизация которых позволяет обеспечить половину жителей района горячей водой, сэкономив 10–15 % расхода природного топлива.

Поскольку технологии получения энергии из биосырья достаточно разнообразны, рассмотрим этот вопрос более подробно. Если оставить в стороне чисто бытовое использование древесного топлива (дрова, древесные пеллеты и т. п.), то все растительное сырье, реально или потенциально пригодное для использования в промышленной энергетике, принято делить на несколько поколений.

Первыми начали использовать традиционные сельскохозяйственные культуры с высоким содержанием жиров, крахмала, сахаров. Растительные жиры хорошо перерабатываются в топливо для дизельных двигателей, получившее название биодизель. Растительные крахмалы и сахара перерабатываются в этанол (этиловый спирт), который может использоваться как топливо для карбюраторных двигателей либо самостоятельно, либо как добавка к бензину, повышающая его октановое число. Однако помимо проблем, связанных с ведением интенсивного сельскохозяйственного производства: истощением почв, высокими затратами на их обработку, полив, удобрения и пестициды, изъятие даже части продовольственных культур с рынка пищевых продуктов непосредственно влияет на цену продовольствия для населения. Это сырье относят к первому поколению биотоплив.

Непищевые остатки культивируемых растений, траву и отходы древесины относят ко второму поколению биосырья. Его получение в принципе связано с гораздо меньшим объемом затрат, чем культур первого поколения. Но при этом резко возрастают расходы на его сбор, подготовку и переработку. Такое сырье содержит в основном целлюлозу и лигнин. Его можно непосредственно сжигать (как это традиционно делают с дровами), газифицировать (получая горючие газы), осуществлять пиролиз с получением жидких и газообразных продуктов. Основные недостатки использования второго поколения биосырья – занимаемые для его получения земельные ресурсы и относительно невысокая отдача с единицы площади.

В качестве третьего поколения биосырья рассматривают водоросли. Их производство не требует земельных ресурсов, допускает большую концентрацию биомассы и высокую скорость воспроизводства. Однако при использовании для его производства природных водоемов могут возникнуть серьезные экологические последствия для окружающих природных ландшафтов. Кроме выращивания водорослей в открытых прудах возможно их выращивание в небольших биореакторах, расположенных, например, вблизи электростанций. Сбросное тепло ТЭС способно покрыть более 70 % потребностей в тепле, необходимом для выращивания водорослей.

Ряд европейских стран в настоящее время рассматривает как перспективное направление производство биомассы культивированием фитопланктона в искусственных водоемах, создаваемых на морском побережье. Последующее метановое брожение биомассы и гидроксилирование образующегося метана позволяют получать в качестве биотоплива метанол. Основным доводом в пользу использования микроскопических водорослей является высокая продуктивность фитопланктона, до 100 т/га в год. Кроме того, при этом не используются ни плодородные почвы, ни пресная вода, и нет конкуренции с сельскохозяйственным производством. Поэтому с точки зрения получения энергии данная биосистема имеет существенные экономические преимущества по сравнению с другими способами преобразования солнечной энергии. Однако осуществлению подобных проектов пока не способствует общемировая тенденция снижения цен на нефть.

По своему агрегатному состоянию биотоплива могут быть твердыми, жидкими и газообразными. Твердые топлива – это традиционные дрова (часто в виде отходов деревообработки), топливные гранулы и пеллеты (прессованные мелкие остатки деревообработки). Жидкие топлива – это спирты (метанол, этанол, бутанол), эфиры, биодизель и биомазут, получаемые из растительного сырья. Наконец, газообразные топлива – это различные газовые смеси, состоящие из метана, оксидов углерода, водорода и других газов, получаемые при термическом разложении биосырья в присутствии кислорода (газификация), без кислорода (пиролиз) или при его сбраживании под воздействием бактерий.

Помимо непосредственно сельскохозяйственных продуктов источниками сырья для получения биотоплива могут быть лигно-целлюлозные соединения, остающиеся после того, как использованы пригодные для пищевой промышленности части биологического сырья. Наряду с биологическими процессами брожения для получения биотоплив применяют термический пиролиз, который позволяет превратить биомассу в жидкость, которую легче и дешевле транспортировать, хранить и использовать. По некоторым оценкам, при ныне существующих технологиях производство топлив пиролизом отходов и бросовой биомассы может покрыть 20 % потребностей Германии в автомобильном топливе. А к 2030 году, по мере технологического развития, ожидается, что пиролиз биомассы сможет обеспечить до 35 % германского потребления автомобильного топлива при себестоимости производства менее 0,80 евро за литр. Возможно также использование жидких продуктов пиролиза древесины хвойных пород. В этом случае для перегонки используются в основном отходы деревообработки: сучья, пни, кора. Выход топливных фракций достигает 100 килограммов с тонны древесных отходов.

К наиболее широко используемым видам биотоплива относится биогаз – продукт сбраживания органических отходов (биомассы), представляющий собой в основном смесь метана и углекислого газа. Разложение биомассы происходит под воздействием бактерий класса метаногенов. При сбраживании куриного помета или отходов скотоводческих хозяйств, а также бытового мусора возможно получение биогаза, на 70–80 % состоящего из метана и являющегося вполне полноценной заменой природному газу. Мировым лидером по использованию этого вида топлива является Китай. В 2008 году в стране функционировало около 30 млн индивидуальных установок по производству биогаза, обеспечивающих топливом около 22 % сельских жителей страны. Объем получаемого таким образом газа, по данным на 2005 год, составил около 6,5 млрд кубометров. Для развивающихся стран ценность подобной переработки отходов заключается в первую очередь в возможности обеспечить сельских жителей природным газом, используемым для обогрева жилища или приготовления пищи. Напротив, в Германии, являющейся лидером в этой области среди развитых стран, подавляющая часть биогаза поступает на электростанции. Последние годы подобное применение биогаза становится характерным и для Китая. Для утилизации своих отходов агрохолдинги строят небольшие ТЭС, способные обеспечивать электроэнергией до 10 тыс. квартир.

Наконец, ряд микроорганизмов, например Botryococcus braunii, способны накапливать в процессе своей жизнедеятельности углеводороды, до 40 % общего сухого веса. В основном они представлены изопреноидными углеводородами.

Большой интерес к биотопливу инициировал план тогдашнего президента США Дж. Буша, в 2007 году предложившего сократить за 10 лет потребление бензина в стране на 20 % за счет его замены биотопливом. Это позволило бы на 10 % сократить потребление нефти в США. Подписанный им закон об Энергетической независимости и безопасности (EISA, 2007) предусматривает производство 36 млрд галлонов этанола в год к 2022 году. При этом 16 млрд галлонов этанола должно производиться из непищевого сырья – целлюлозы. В ходе реализации этого закона в США было построено более 200 заводов, которые сейчас производят около 45 млн тонн биоэтанола в год.

Использование биоэтанола в составе автомобильных бензинов действительно способствует снижению загрязнения воздуха транспортными средствами. Благодаря присутствию атома кислорода в молекуле этанола бензин обогащается кислородом, что обеспечивает более полное сгорание топлива, снижение токсичности выхлопных газов и содержание в них твердых частиц. Кроме того, 10 %-ная добавка этанола, имеющего октановое число 108, поднимает на 2–3 пункта октановое число топлива. Однако этанол является менее «энергоплотным» энергоносителем, чем бензин; пробег машин, работающих на топливе Е85 (смесь 85 % этанола и 15 % бензина), на единицу объема топлива составляет примерно 75 % от пробега машин на стандартном топливе. Автомобили с обычными двигателями могут использовать топлива до Е15, содержащие до 15 % добавки этанола к бензину. На смеси Е85 и чистом этаноле могут работать только специально адаптированные «гибкотопливные» (Flex-Fuel) автомобили.

До инициативы Дж. Буша мировым лидером в производстве и использовании биоэтанола в качестве автомобильного топлива в течение многих лет являлась Бразилия, где его производят из сахарного тростника. Автозаправки в Бразилии предлагают Е20 (или Е25) как обычный бензин, или «acool», в котором число показывает содержание в бензине азеотропной смеси этанола и воды (96 % С2Н5ОН и 4 % воды). Поскольку в Бразилии этанол дешевле бензина, недобросовестные заправщики дополнительно разбавляют Е20 этанолом, так что его концентрация может негласно доходить до 40 %.

Помимо биометанола и биоэтанола в качестве перспективного биотоплива рассматривается биобутанол. Бутанол, или бутиловый спирт (C4H10O), широко используется в промышленности. Он начал производиться в начале XX века с использованием бактерии Clostridia acetobutylicum, но затем перешли на его производство из нефтепродуктов. Бутанол не обладает коррозионными свойствами и может передаваться с использованием существующей топливной инфраструктуры. Он хорошо смешивается с традиционными нефтяными топливами, а теплотворная способность бутанола близка к теплотворной способности бензина. Сырьем для производства биобутанола могут быть сахарный тростник, свекла, кукуруза, пшеница, маниока, а в будущем и целлюлоза.

В отличие от американского континента в европейских странах наиболее популярным видом биотоплива является биодизель – дизельное топливо на основе жиров животного, растительного и микробного происхождения, а также продуктов их этерификации. Сырьем может быть рапсовое, соевое, пальмовое, кокосовое масло или любое другое масло-сырец, а также отходы пищевой промышленности и кулинарного производства. Разрабатываются технологии производства биодизеля из водорослей.

В 2010 году мировое производство жидких биотоплив достигло 105 миллиардов литров (~100 млн т), что составляет 2,7 % от мирового потребления топлива на дорожном транспорте. Было произведено 86 миллиардов литров этанола и 19 миллиардов литров биодизеля. Доля США и Бразилии в мировом производстве этанола составляет 90 %. Пятерка ведущих стран-производителей биотоплива представлена на рис. 49.

Рис. 49. Пять ведущих стран-производителей биотоплива (Источник: Международное энергетическое агентство IEA)

Динамика производства биотоплива мировыми лидерами представлена на рис. 50. Как и для других видов альтернативных источников энергии, после бурного периода начального развития видна явная тенденция к снижению темпов роста и даже спаду, вызванная насыщением рынка, а главное, исчерпанием физических возможностей для экономически обоснованного увеличения объема продукции.

Мировой рынок биотоплив, динамика роста которого представлена на рис. 51, уже достиг вполне солидного уровня, превысив рубеж в 100 млрд долл.

По данным Росстата, в 2010 году российский экспорт топлива растительного происхождения (в том числе солома, жмых, щепа и древесина) составил более 2,7 млн тонн. Россия входит в ведущую тройку стран экспортеров топливных пеллет на европейский рынок, но непосредственно в России потребляется всего около 20 % произведенного биотоплива. Потенциальный объем производства биогаза в России оценивается в 72 млрд м3 в год, а возможное производство электроэнергии из него – в 151 200 ГВт, тепла – 169 344 ГВт. В 2012–2013 годах в 27 регионах России планировалось ввести в эксплуатацию более 50 небольших биогазовых электростанций с установленной мощностью от 350 кВт до 10 МВт при их суммарной мощности свыше 120 МВт.

Рис. 50. Динамика мирового производства биотоплива мировыми лидерами (Источник: Международное энергетическое агентство IEA)

Рис. 51. Объем мирового рынка биотоплива

 

3.3.6. Место возобновляемых источников

в современной энергетике

В настоящее время все возобновляемые источники энергии продолжают развиваться быстрыми темпами. Установленная мощность ветровых генераторов достигла почти 370 ГВт, суммарная установленная мощность солнечных установок – почти 100 ГВт, а мощности геотермальной энергетики составляют 20 ГВт. Общий вклад возобновляемых источников в мировую энергетику составляет почти 2,5 %. А вместе с гидроэнергетикой, вклад которой в мировое производство энергии ~7 %, возобновляемые источники обеспечивают почти 9,5 % мирового производства энергии.

Однако если оставить в стороне гидроэнергетику, имеющую ограниченные возможности для дальнейшего развития, и которую скорее следует относить к традиционным источникам энергии, даже в ведущих по уровню развития возобновляемой энергетики странах установленные мощности возобновляемых источников пока несопоставимы с мощностями традиционной энергетики (рис. 52).

Рис. 52. Мощности возобновляемой энергетики (ГВт) в 2013 г. в 6 ведущих в этой области странах

Несмотря на огромные инвестиции в возобновляемые источники энергии, их доля в энергобалансе даже наиболее развитых стран остается крайне низкой. Например, в США, где инвестиции в возобновляемые источники энергии достигают почти половины всех бюджетных ассигнований на исследования и разработки в области энергетики, вклад возобновляемых источников составляет всего несколько процентов (рис. 53).

Рис. 53. Энергобаланс США в 2011 году (U.S. Energy Information Administration)

Наряду с наблюдаемым в последние годы замедлением темпов развития практически всех видов альтернативной энергетики, несмотря на ее активное лоббирование руководством ЕС и США, отмечается и явное сокращение финансирования работ в этой области (рис. 54). Причем финансирование в первую очередь сокращается именно в развитых странах, которые еще несколько лет назад выступали локомотивом научного и технологического развития возобновляемой энергетики. По-видимому, это свидетельствует о постепенном насыщении экономически обоснованного рынка данных технологий, дальнейшее расширение которого уже не могут обеспечить даже существенные государственные субсидии и преференции, предоставляемые этой отрасли.

Рис. 54. Мировые инвестиции в возобновляемые источники энергии и топлива в 2004–2013 гг., млрд долларов США

Особенно резко финансирование разработок в области альтернативных источников энергии в США стало сокращаться после 2008 г., когда стали очевидны успехи в добыче сланцевого газа и перспективы удовлетворения энергетических потребностей национальной экономики за счет собственных нетрадиционных видов ископаемого топлива. Понимание ограниченной роли возобновляемых ресурсов и определяющего значения ископаемых источников для мировой энергетики уже давно стало очевидным для ведущих зарубежных специалистов. Поэтому резкое сокращение федерального финансирования «экологически чистых» технологий (рис. 55) началось в США практически сразу после начала масштабной промышленной разработки огромных ресурсов сланцевого газа. Кроме того, неожиданное обилие собственных ископаемых ресурсов и восстановление контроля США над мировым рынком ископаемых топлив сделало ненужной политику шантажа добывающих стран мнимой угрозой перехода промышленно развитых стран на альтернативные источники энергии.

Рис. 55. Изменение политики США в отношении финансирования альтернативных источников энергии после начала массовой добычи в 2008 г. сланцевого газа

В отличие от громких прогнозов начала века о грядущем переходе мировой энергетики на альтернативные источники, сейчас их роль оценивается гораздо скромнее и реалистичнее. Даже в самых смелых прогнозах развития мировой энергетики возобновляемым источникам отводят достаточно скромную роль, на уровне всего нескольких процентов к 2035 г. По прогнозу Департамента энергетики США их доля составит около 6 % (табл. IX). Прогноз Бритиш Петролеум от 2015 года (BP Statistical Review of World Energy, 2015) более оптимистичен и отводит возобновляемым источникам долю в 8 % (рис. 56).

Рис. 56. Прогноз вклада различных источников в мировую энергетику в 2035 г. (Источник: BP Statistical Review of World Energy, June 2015)

Таким образом, при любом сценарии развития мировой энергетики до конца столетия роль альтернативных источников будет оставаться достаточно скромной, хотя, конечно, их технический прогресс будет продолжаться, открывая для них новые возможности и области применения.

Таблица IX. Прогноз динамики вклада возобновляемых источников и угля в мировую энергетику, а также энергетику США и Китая (ГВт) (Источник: Департамент энергетики США, 2010 г.)

В предыдущем разделе мы рассмотрели среднесрочные, до 2035 года прогнозы мировой энергетики, согласно которым в ближайшие 20 лет ведущая роль ископаемых источников энергии сохранится практически на сегодняшнем уровне. Делать сколько-нибудь точные прогнозы на более отдаленный период серьезные специалисты не рискуют, учитывая современные темпы технологического развития и высокую вероятность появления совершенно неожиданных технологий. Однако промышленная энергетика с очень высокой стоимостью ее объектов и связанными с этим длительными сроками их эксплуатации, достигающими 50 лет и более, является, как мы уже отмечали, одной из наиболее консервативных и «материализованных» технологических отраслей, жестко привязанной к реальным источникам энергии и уже существующей громадной инфраструктуре. У нас пока нет никаких физических или технологических оснований прогнозировать появление в ближайшие десятилетия принципиально новых альтернативных источников энергии, помимо тех, которые мы рассмотрели выше. И в любом случае даже при появлении каких-либо новых источников потребуются десятилетия для вытеснения и замены ими существующей энергетической структуры. Поэтому вполне можно рискнуть и попытаться представить в самых общих чертах перспективы возобновляемых источников на несколько ближайших десятилетий и даже на вторую половину этого века.

На что же реально мы можем делать ставку, какие источники необходимо развивать в первую очередь, куда, прежде всего, нужно направить усилия и достаточно ограниченные ресурсы человечества, чтобы не только мы, но и наши потомки были обеспечены энергией в необходимом объеме? Попробуем сопоставить существующие источники энергии по таким важнейшим параметрам, как общий объем доступных ресурсов и возможность их технологически эффективного и экономически выгодного использования в энергетике.

4.1. Общий объем ресурсов

Согласно последним оценкам (BP Statistical Review of World Energy, 2015), при нынешних темпах потребления мир располагает запасами традиционных ресурсов нефти и газа еще на несколько десятков лет, а угля – не менее чем на 100 лет (рис. 57). Этот прогноз получен простым делением доказанных запасов соответствующего ресурса на его текущую годовую добычу. Поскольку учитываются только доказанные запасы, этот прогноз не учитывает огромные нетрадиционные ресурсы газа, о которых мы говорили выше и практическая разработка которых уже началась. Но, с другой стороны, он не учитывает и постоянный рост потребления энергоресурсов, а это очень существенный фактор. Даже при том, что до конца века эффективность использования энергоресурсов в мировой энергетике должна возрасти на 75 %, ожидаемое мировое потребление энергии к 2100 году должно увеличиться минимум на 57 % по сравнению с уровнем 1990 годом. Это потребует соответствующего увеличения годового потребления ресурсов и, следовательно, приведет к сокращению прогнозируемых сроков их исчерпания.

Рис. 57. Отношение запасов ископаемых топлив к их годовой добыче для различных регионов (Источник: BP Statistical Review of World Energy, 2015)

Достижения последних лет в области добычи нетрадиционных ресурсов углеводородов, значительно расширивших ресурсную базу мировой энергетики, мы уже обсуждали. С учетом перспектив создания технологий для освоения новых видов нетрадиционных ресурсов, прежде всего природного газа, вполне можно рассчитывать на то, что ископаемые источники смогут обеспечить потребности мировой энергетики на протяжении всего текущего столетия и без привлечения альтернативных источников. А если бы удалось освоить добычу природного газа из газовых гидратов, что технически выглядит вполне реальным, то этих ресурсов хватило бы человечеству еще на сотни лет.

Но почему мы так беспокоимся об остающемся в нашем распоряжении объеме ископаемых ресурсов? Ведь согласно громким декларациям энтузиастов альтернативной энергетики, у человечества есть «вечные» возобновляемые источники энергии, такие как постоянно воспроизводимая биомасса и непрерывно падающий на поверхность нашей планеты поток солнечного излучения. Давайте оценим реальный объем этих ресурсов.

Даже по самым скромным оценкам ежегодно на Земле образуется более 200 млрд т сухой зеленой массы растений (ежегодная первичная продукция биосферы). Это в 20 раз превышает общий объем потребляемых человечеством ископаемых топлив. При сжигании этой биомассы можно получить до 5001021 Дж энергии. А полное количество биомассы на нашей планете на порядок выше – до 2•1012 т в пересчете на сухое вещество.

Однако гигантский объем зеленой массы, производимой биосферой, не означает реальную возможность ее использования в производственной деятельности человечества. Стабильность условий в биосфере нашей планеты, поддерживающей на протяжении более 2 млрд лет, после образования кислородной атмосферы, практически постоянными все основные параметры, обусловлена высокой интенсивностью биосферных процессов, в которых потоки вещества и энергии внутри системы на несколько порядков превышают потоки на входе и выходе из нее. Согласно оценкам (Горшков, 1995), человечество не нарушает равновесие биосферы до тех пор, пока оно поглощает менее 1 % первичной продукции биоты. Однако уже сейчас потребление чистой первичной продукции биосферы, произведенной на суше, непосредственно в виде пищи, корма для животных и топлива, превысило 10 % и продолжает увеличиваться. Так как КПД преобразования солнечной энергии зелеными растениями составляет в среднем немногим более 1 %, то даже использование практически всей доступной продукции биосферы, с учетом реальных потерь, не сможет покрыть ближайших энергетических потребностей человечества. А попытка реализации такого проекта приведет к гибели естественных экосистем и потере равновесия глобальных биосферных процессов.

Таким образом, низкая плотность потока первичной энергии (солнечной радиации на земной поверхности) и низкий КПД преобразования этой энергии зелеными растениями перечеркивают все надежды на глобальную роль возобновляемой «зеленой» энергетики. Как показали результаты моделирования глобальных процессов развития цивилизации, при современном уровне энергопотребления развитых стран за счет возобновляемых источников энергии на Земле может существовать не более 500 млн человек (Моисеев, 1997), что в десять раз ниже уже достигнутой численности населения нашей планеты.

А как же с энергией солнечного излучения, которое является единственным первичным источником внешней энергии, поступающей на Землю? Верхней границы атмосферы Земли за год достигает колоссальный поток солнечной энергии – ~5,6*1024 Дж. Эта величина примерно в 50 000 раз превышает ежегодную потребность человечества в энергии. Правда, примерно 35 % этой энергии атмосфера Земли отражает обратно в космос. Остальная энергия расходуется на нагрев земной поверхности, испарительно-осадочный цикл в атмосфере, образование волн в морях и океанах, воздушных и океанских течений и ветра, а также процессы фотосинтеза. В ходе всех этих процессов высокопотенциальная энергия солнечной радиации ультрафиолетового и видимого диапазона превращается в низкопотенциальную энергию нагретой поверхности Земли (средняя температура земной поверхности примерно 20°С), испускаемую нашей планетой в виде инфракрасного излучения обратно в космическое пространство. Так может быть этот источник позволит решить проблемы мировой энергетики? К сожалению, тоже нет. И вот почему.

4.2. Плотность потока энергии

Когда энтузиасты начинают сравнивать поток падающего на Землю солнечного излучения, энергию, переносимую в атмосфере нашей планеты воздушными потоками (ветром), энергию приливов в Мировом океане или объем биомассы, производимый ежегодно биосферой, с современным потреблением энергии мировой экономикой, то от открывающихся перспектив использования этих колоссальных ресурсов захватывает дух. Но «черт сидит в деталях». Далеко не всякую и далеко не всю энергию можно использовать практически. И одним из наиболее важных параметров, определяющих практическую применимость различных источников энергии, является плотность потока переносимой ими энергии.

Количество энергии, рассеянной в окружающем нас пространстве, действительно огромно. Но попробуйте ее извлечь. История физики хранит огромное множество хитроумных проектов получения энергии «из ничего», разбившихся о гранит Закона сохранения энергии и Второго закона термодинамики. Альтернативные источники энергии не нарушают эти законы. Но, как правило, используемая ими энергия относится к категории «низкопотенциальной энергии», т. е. энергии, имеющей небольшой энергетический потенциал или низкую удельную плотность энергии в единице используемого энергоносителя (источника энергии). Для того чтобы представить себе, как отличаются низкопотенциальная энергия, в изобилии рассеянная в окружающем нас пространстве, и высокопотенциальная энергия, используемая в традиционной энергетике, достаточно сопоставить поток энергии, переносимый дуновением ветерка, или тепла, переносимого ласковыми солнечными лучами, с концентрированной энергией в камере сгорания газовой турбины или в атомном реакторе.

Именно проблема сбора и использования низкопотенциальной или, как минимум, не очень концентрированной энергии, которой оперируют все без исключения альтернативные источники, и является главным препятствием на пути к их промышленному использованию. Рассмотрим это на примере солнечной энергетики, безусловно, крупнейшего и важнейшего из альтернативных источников энергии.

Солнечное излучение характеризуется плотностью потока энергии излучения, т. е. потоком энергии, падающим за единицу времени на единицу поверхности. Общая мощность потока энергии солнечного излучения, падающего на Землю, примерно 1,74 1017 Вт. Через площадку в 1 м2, расположенную перпендикулярно потоку излучения на входе в атмосферу Земли, проходит поток солнечного излучения, равный 1367 Вт/м2. Эта величина называется солнечной постоянной. Из-за поглощения при прохождении атмосферы Земли максимальный поток солнечного излучения на уровне моря на экваторе примерно 1000 Вт/м2. Однако среднесуточное значение потока солнечного излучения через единичную горизонтальную площадку из-за смены дня и ночи и изменения угла солнца над горизонтом как минимум в три раза меньше. В умеренных широтах зимой это значение еще в два раза меньше. Таким образом, даже на экваторе с площади в 1 кв. км с использованием крайне сложного и дорогостоящего оборудования при практически предельном для современных условий КПД преобразования солнечной энергии в 30 % можно получить мощность всего лишь в 90 МВт. Это соответствует небольшой районной электростанции и в 20 раз ниже мощности типовой промышленной ТЭЦ. Мы уже не говорим о суточном и годовом непостоянстве производимой энергии и, соответственно, необходимости дорогостоящих систем соответствующей мощности для ее аккумуляции.

Точно так же главным препятствием, ограничивающим возможный вклад биоэнергетики в мировую экономику, является крайне низкая плотность потока энергии, получаемой при сельскохозяйственном производстве биотоплива (табл. Х).

Таблица Х. Плотность потока тепловой энергии, получаемой в среднем за год с единицы площади для различных источников биотоплива (de Castro et al., 2013)

На самом деле даже эти оценки завышены, и средней оптимистичной оценкой является значение всего 0,073 Вт/м2. Эта энергия в десять тысяч раз меньше энергии падающего на эту же площадь потока солнечного излучения. Для сравнения, преобразование солнечной энергии фотовольтаическими солнечными электростанциями в Испании соответствует получению энергии с плотностью потока около 4,8 Вт/м2, что примерно в 40 раз выше.

Но и создание искусственных фотопреобразующих систем с мощностью, необходимой для промышленной энергетики, столь же нереально. И дело не только в необходимости изъятия из хозяйственной деятельности и естественных экосистем огромных площадей в сотни тысяч квадратных километров, что соответствует площади крупнейших западноевропейских государств. И даже не в фантастических объемах капитальных затрат на их оснащение сложным инженерным оборудованием. Для реализации подобных грандиозных проектов в распоряжении человечества нет необходимого количества даже самых дешевых конструкционных материалов. Например, запасы алюминия в земной коре меньше, чем необходимо для создания самых простейших нагревательных устройств мощности, необходимой для обеспечения современных энергетических потребностей человечества. Отечественные специалисты обратили на это внимание еще тридцать лет назад (Легасов, Кузьмин, 1981), но, к сожалению, энтузиасты «глобальной роли» альтернативной энергетики продолжают игнорировать даже столь очевидные факты.

Если же сравнивать биоэнергетику и солнечную энергетику с точки зрения плотности потока преобразуемого солнечного излучения, то КПД реальных фотохимических преобразователей (около 25 %) не принципиально отличается от КПД преобразования солнечной энергии некоторыми сельскохозяйственными культурами, достигающего 5–7 % (например, кукурузой). Но при этом сельскохозяйственное производство требует значительно меньших капитальных затрат, хотя именно из-за низкой плотности усваиваемого потока первичной энергии оно в большинстве районов мира остается дотационной сферой экономики. А реальная солнечная энергетика является одним из самых дорогих источников энергии, и, несмотря на многолетние декларативные усилия в этой области, занимает незначительное место в энергобалансе даже наиболее развитых стран мира. Достаточно отметить, что только что введенная в строй крупнейшая в мире солнечная электростанция (рис. 47) по мощности в два раза уступает всего одной типовой газовой турбине, которых только в США сейчас устанавливается примерно 100 в год.

Таким образом, возможности всех альтернативных источников энергии, включая солнечную, ветровую и биоэнергетику, вклад которых даже в энергетику наиболее технологически развитых стран, несмотря на многолетние усилия и многомиллиардные затраты, не превышает 2—3-х процентов, принципиально ограничены прежде всего из-за крайне низкой плотности потока преобразуемой ими энергии. Низкая плотность потока первичной энергии (солнечной радиации на земной поверхности) и низкий КПД преобразования этой энергии зелеными растениями перечеркивают все надежды на глобальную роль возобновляемой «зеленой» энергетики. Именно из-за низкой плотности потока первичной энергии (солнечной радиации на земной поверхности) и низкого КПД ее преобразования зелеными растениями сельскохозяйственное производство даже в наиболее развитых странах относится к наименее рентабельной (а точнее, просто убыточной) области человеческой деятельности, поддерживаемой за счет дотаций из других источников.

4.3. Отношение затраченной и полученной энергии

Еще один важный аспект, который обычно не любят обсуждать энтузиасты альтернативной энергетики – это реальная энергетическая отдача источника. Для того чтобы получить энергию из любого источника, всегда требуются определенные затраты энергии на обеспечение самого процесса получения энергии. Совершенно очевидно, что затраты энергии на добычу, транспорт и переработку энергетического сырья, получение и преобразование энергии, изготовление и обслуживание оборудования должны быть меньше энергии, получаемой в итоге конечным потребителем. Поэтому отношение полученной полезной энергии к затраченной на ее получение может рассматриваться как некий аналог КПД, но не для отдельного процесса, а для всей энергетической цепочки. Эта цепочка должна учитывать все процессы, например, для нефтяной отрасли «от нефтяной скважины до автомобильного колеса» (from well to wheel). Это отношение показывает «энергетическую эффективность» данного источника энергии. Пока оно не имеет устоявшегося русскоязычного аналога, а английская аббревиатура EROEI от Energy Return On Energy Invested (отношение энергии полученной к энергии затраченной), часто сокращаемая до EROI – Energy Return On Invested, не очень удобна для произношения. Этот показатель должен учитывать все затраты, включая производство, обслуживание в течение всего срока эксплуатации и утилизацию отработанного оборудования, используемого для получения, переработки и транспортировки энергии, восстановление и рекультивацию нарушенных природных объектов, затраты на ликвидацию аварий и экологического ущерба окружающей среде. Если для некоторого источника энергии показатель EROEI меньше единицы, то такой ресурс превращается из источника в «потребителя» энергии и не может рассматриваться как ее первичный источник.

Экономика всегда стремится в первую очередь использовать энергетические ресурсы с наиболее высоким EROEI, поскольку они дают больше всего энергии при наименьших усилиях. Но по мере исчерпания высококачественных невозобновляемых ресурсов в дальнейшем приходится переходить на ресурсы со всё меньшим значением EROEI. Например, когда впервые была начата промышленная добыча нефти, то в среднем энергии, содержащейся в одном барреле нефти, было достаточно, чтобы найти, извлечь и переработать 100 баррелей нефти. За прошедшее столетие это соотношение постепенно снизилось до 20–30 получаемых баррелей при добыче традиционной нефти и до 3–5 получаемых баррелей на один затраченный при добыче тяжелой нефти (рис. 58). То есть при добыче тяжелой нефти уже примерно 20–30 % содержащейся в ней энергии идет на обеспечение самого процесса добычи и ее первичной подготовки.

Рис. 58. Средние значения EROEI для различных видов топлива

В 2006 году EROEI ветровой энергетики в Северной Америке и Европе составлял примерно 20, что способствовало быстрому росту ее использования. Совершенно иная картина наблюдается при получении биотоплив. Даже при производстве этанола из сахарного тростника, являющегося наиболее эффективным сырьем для производства биотоплива, EROEI не превышает 5. В остальных случаях он близок к единице (табл. XI). То есть фактически производство биотоплива даже нельзя рассматривать как получение энергии – это лишь ее перераспределение из одного вида в другой.

Таблица XI. Значения EROEI для различных источников биотоплива (de Castro et al., 2013)

Постоянное увеличение затрат энергии на добычу и переработку традиционных энергоресурсов приводит к постоянному и достаточно быстрому снижению EROEI в мировой энергетике (рис. 59).

Рис. 59. Тенденции изменения EROEI для мировой добычи нефти и газа

Разумеется, при сопоставлении различных источников энергии помимо EROEI необходимо учитывать очень многие параметры: надежность, доступность, удобство использования, энергонасыщенность и другие. Например, нефть энергонасыщенна и легко транспортируема, а энергия ветра непостоянна и производится локально. Но в любом случае при понижении коэффициента EROEI основных источников энергии экономике становится труднее получать энергию, а ее ценность относительно других ресурсов и товаров повышается. Таким образом, показатель EROEI является крайне, если не наиболее важным при сравнении энергетических альтернатив. Рис. 60, демонстрирующий EROEI различных источников энергии, а также его изменение со временем, наглядно показывает, почему непрерывно растет себестоимость энергоресурсов и поставляемой энергии, почему основой мировой энергетики являются ископаемые топлива, а не солнечная энергетика, имеющая EROEI лишь немного выше единицы, почему биотоплива – биоэтанол и биодизель, имеющие в большинстве стран EROEI всего 1,2–1,5 (табл. XI), никогда не смогут стать первичным источником энергии для мирового автотранспорта.

Поскольку на получение самой энергии требуются значительные производственные усилия и энергетические затраты, при снижении EROEI получение одного и того же количества чистой энергии занимает всё большую долю экономики. Поэтому непрерывное снижение EROEI из-за истощения наиболее эффективных невоспроизводимых ресурсов представляет собой одну из серьезнейших экономических проблем. По оценкам, пороговое значение EROEI, при котором человечество еще может продолжать свое развитие, находится в районе 3, что однозначно исключает биотопливо, да и солнечную энергетику (рис. 60), из числа перспективных источников энергии.

Рис. 60. Значения EROEI (на примере США) для различных источников энергии и его изменение по мере истощения наиболее эффективных ресурсов

4.4. Себестоимость получения энергии с учетом полного жизненного цикла оборудования

Другим важнейшим параметром, напрямую влияющим на решение о строительстве того или иного энергетического объекта, является стоимость производимой энергии, которая, в свою очередь, помимо стоимости сырья зависит от стоимости применяемого энергетического оборудования и сроков его эксплуатации. Как и при расчете EROEI, при расчете себестоимости получаемой энергии необходимо учитывать все затраты на приобретение энергетического сырья, строительство всех необходимых объектов для получения из него энергии и ее транспортировки потребителю, эксплуатационные расходы в течение всего срока эксплуатации оборудования, расходы на его демонтаж и утилизацию после завершения эксплуатации. То есть все затраты на получение энергии в течение всего жизненного цикла данного энергетического оборудования.

При производстве электроэнергии для сравнения экономической эффективности различных источников в качестве такой меры принимают нормализованную стоимость получаемой электроэнергии (levelized cost of electricity – LCOE), которая определяется как стоимость капитальных и операционных расходов на получение электроэнергии в течение всего жизненного цикла оборудования, деленная на полный объем энергии, полученный за этот период. Фактически величина LCOE может рассматриваться как ценовая граница безубыточности поставки данного вида энергии.

Именно эта величина определяет экономическую эффективность использования различных источников энергии. И различия в этой величине пока далеко не в пользу альтернативных источников энергии (рис. 61), что и определяет в конечном итоге их пока невысокую привлекательность для потребителя и невысокий реальный масштаб использования, который в значительной степени поддерживается государственными субсидиями.

Пока практически все альтернативные источники энергии с точки зрения экономики заметно проигрывают традиционным источникам, что является важным, но не единственным фактором, определяющим их невысокий вклад в энергетику. Поэтому имеет смысл более подробно рассмотреть проблемы, сдерживающие использование важнейших альтернативных источников энергии и их дальнейшие перспективы.

Рис. 61. Нормализованная стоимость производства электроэнергии на основе различных источников, в евро/кВтч

4.5. Реальные перспективы возобновляемой энергетики

 

4.5.1. Солнечная энергетика – колоссальные затраты

Безусловно, солнечная энергетика является важнейшим и потенциально наиболее перспективным альтернативным источником энергии. Хотя она, как мы уже отмечали, из-за низкой плотности потока солнечной энергии на земной поверхности вряд ли сможет выступать в качестве крупного промышленного источника энергии и, тем более, заменить ископаемые энергоносители, ее роль в локальной энергетике может быть достаточна заметна.

В качестве одного из аргументов в пользу грядущей глобальной роли солнечной энергетики часто приводят такой расчет. Поверхность самых больших пустынь мира имеет общую площадь около 20 млн км2 (только площадь Сахары 7 млн км2). На эту площадь за год поступает около 5 1016 кВтч солнечной энергии. При эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую, равной 10 %, достаточно использовать всего 1 % территории пустынных зон для размещения солнечных электростанций, чтобы обеспечить современный мировой уровень энергопотребления. На первый взгляд, расчет выглядит очень убедительно. Но давайте оценим стоимость такого проекта. У нас есть вполне реальный пример лучшей и крупнейшей в мире на сегодняшний день солнечной электростанции Ivanpah мощностью 392 МВт (рис. 45), стоимость строительства которой составила 2,2 млрд долл., или 5612 долл. за кВт установленной мощности. Поскольку станция генерирует энергию только днем, годовая выработка электроэнергии составит всего 1079 ГВтч, поэтому реальная средняя мощность электростанции будет всего 123 МВт. Соответственно, удельные капитальные затраты составят 17 870 долл./кВт установленной мощности. Это не просто дорого, это фантастически дорого. Например, 1 кВт установленной мощности на АЭС стоит 2000–4000 долларов. А на тепловых электростанциях, работающих на газе, 1 кВт установленной мощности стоит 500—1000 долларов, т. е. в 18–36 раз дешевле. При этом выработка электроэнергии осуществляется постоянно и не зависит от погодных условий. Кроме того, в этом расчете мы не учли стоимость систем аккумулирования энергии и передачи ее на тысячи километров из пустынных районов в промышленные центры потребления. Но и этим недостатки солнечной энергетики не исчерпываются. Как мы уже отметили, принято считать, что лучшее место для их размещения – пустыни. Но при этом возникают очень серьезные проблемы с эксплуатацией, связанные с неизбежным запылением и повреждением солнечных элементов песчаными бурями. Это означает огромные затраты, в том числе пресной воды на их отмывание от пыли, в этих безводных регионах.

Теперь вспомним, что установленная мощность всех источников энергии на Земле уже превысила 3,65 ТВт = 3,65 1012 Вт. Если эти источники заменить на расположенные в пустынях солнечные электростанции типа Ivanpah, то их сооружение обойдется мировой энергетике в 66 трлн долл., что превышает ВВП всей мировой экономики. Но есть еще более серьезное чисто физическое ограничение. 1 % от площади пустынь – это 200 тыс. км2, треть территории Франции. И всю эту громадную территорию необходимо будет покрыть сложными инженерными сооружениями. У мировой экономики нет не только производственных мощностей для изготовления такого объема сложного инженерного оборудования, но даже сырья для производства соответствующего количества конструкционных материалов. Мы уже не говорим о перспективах удвоения потребления энергии до конца столетия.

Приведенные выше аргументы, демонстрируя несостоятельность претензий солнечной энергетики на глобальную роль в мировом энергобалансе, никоим образом не перечеркивают ее роль в качестве важного локального источника энергоснабжения. В таблице XII приведены характерные величины потоков солнечного излучения для полюсов и экватора Земли.

Даже на большей части территории РФ, кроме побережья Северного Ледовитого океана, пиковое значение солнечного излучения составляет около 900 Вт/м2, или около 1 кВтч в час через стандартное окно на солнечной стороне дома в солнечный день, что позволяет реально использовать эту энергию, по крайней мере, в коммунальном хозяйстве.

Таблица XII. Характерные потоки солнечного излучения для различных зон Земли

Что касается экологической чистоты солнечной энергетики, то тут тоже далеко не все так просто и однозначно. Конечно, в местах расположения солнечных панелей при выработке электроэнергии не производится никаких вредных отходов. Но само производство основы солнечных элементов – кремния – достаточно вредное производство. И парадокс солнечной энергетики в том, что чистая энергия требует грязного производства оборудования. Кроме того, после окончания срока службы солнечных панелей, содержащих вредные компоненты, например, кадмий, их утилизация также связана с экологическими проблемами.

Что касается солнечных станций термического типа, то здесь проблемы связаны с большими площадями затененных земель. Это приводит к сильным изменениям почвенных условий, растительности и т. д. Нежелательное экологическое действие в районе расположения станции вызывает нагрев воздуха при прохождении через него солнечного излучения, сконцентрированного зеркальными отражателями. При этом изменяются тепловой баланс, влажность, направление ветров; в некоторых случаях возможны перегрев и возгорание систем, использующих концентраторы, со всеми вытекающими отсюда последствиями. Неизбежные во время длительной эксплуатации утечки низкокипящих жидкостей в солнечных энергетических системах могут привести к загрязнению питьевой воды. Особую опасность представляют жидкости, содержащие хроматы и нитриты, являющиеся высокотоксичными веществами.

В качестве потенциального направления развития солнечной энергетики, позволяющего обойти сложности и ограничения наземных станций, часто рассматривают идею создания орбитальных солнечных станций с развертыванием солнечных панелей в космосе. Пока перспектива реализации таких проектов промышленного масштаба, видимо, еще более отдаленная, чем термоядерной энергетики. Среди главных проблем – передача энергии от космической электростанции на Землю.

 

4.5.3. Биотопливо – возможен ли ренессанс?

Современная биомасса Земли в пересчете на сухое вещество составляет примерно 2 400 млрд т, т. е. на порядок превышает ее ежегодный прирост. При этом на биомассу океана приходится всего 3,2 млрд т, т. е. почти в 1000 раз меньше. Это связано с меньшей эффективностью фотосинтеза океана, так как эффективность использования энергии Солнца на площади океана равна 0,04 %, а на суше – 0,1 %. Однако удельная продуктивность океанических биоценозов настолько высока, что ничтожная по сравнению с сушей фитомасса океанов создает ежегодно чистую продукцию, сопоставимую с чистой продукцией суши. В океанах ежегодно образуется 55 млрд т растительной массы, что составляет почти треть общей биопродукции планеты. А суммарная масса живого вещества, произведенного на Земле за последний миллиард лет, превышает всю массу земной коры, что, конечно, не может не впечатлять, и вызывает энтузиазм у поклонников «зеленой энергетики». Биомасса на суше распределена очень неравномерно, ее объем возрастает от полюсов к экватору, причем более 99 % биомассы приходится на зеленые растения, а животные и микроорганизмы составляют менее 1 % (табл. XIII).

Таблица XIII. Распределение живого вещества на планете

Из потока излучения, падающего непосредственно на поверхность, около 40 % приходится на участки Земли, покрытые растениями, а также на водоемы с содержащейся в них растительностью. С учетом того, что растения способны поглощать лишь определенную часть солнечного спектра, а также потерь энергии радиации вследствие отражения и других причин и низкого КПД фотосинтеза, составляющего в среднем около 1 %, в продуктах фотосинтеза ежегодно запасается лишь незначительная часть падающей на поверхность Земли солнечной энергии. Кроме создания чистой продукции, живой покров суши использует захваченную им энергию Солнца для процесса дыхания, энергетические затраты на которое составляют около 30–40 % энергии, расходуемой на создание чистой продукции. Таким образом, биосфера использует на процессы жизнедеятельности лишь небольшую часть падающего на Землю потока солнечной радиации.

Но как мы отмечали, человечество уже потребляет в виде пищи, корма для животных и топлива более 10 % первичной продукции биосферы, в то время как сохранение равновесия биосферы требует, чтобы эта величина не превышала 1 %. При этом из-за эрозии почвы в результате интенсивного земледелия, горнопромышленных разработок, расширения селитебных зон, промышленного и гидротехнического строительства площадь пахотных земель, которая достигает почти 10 % поверхности суши, постоянно сокращается. А население нашей планеты, несмотря на все меры, предпринимаемые в развивающихся странах для стабилизации населения, уже превысило 7 млрд человек и продолжает ежегодно увеличиваться на 80 миллионов. То есть площадь пашни в расчете на одного жителя Земли, а следовательно, и душевое производство продовольствия, непрерывно сокращаются. И это в условиях, когда каждый седьмой человек в мире (т. е. ~1 млрд человек) страдает от хронического голода и недоедания, и только в Африке от голода каждый день умирает свыше 15 000 человек.

Вследствие постоянной эрозии и довольно быстрого расхода такого практически невосполнимого ресурса, как почва, а также большого объема ископаемого топлива и производимых из ископаемого сырья минеральных удобрений, без которых невозможно многолетнее эффективное возделывание высокоурожайных монокультур, строго говоря, биотоплива, получаемые в результате интенсивного сельскохозяйственного производства, вообще не могут считаться возобновляемым ресурсом. Технические культуры, в т. ч. кукуруза, приводят к значительно большей эрозии почвы, чем зерновые или фуражные культуры, и резко увеличивают потребление крайне дефицитной воды на орошение. Проведенные в США в штате Огайо исследования показали, что продолжительное выращивание кукурузы как монокультуры увеличивает скорость эрозии почвы в девять раз по сравнению с последовательным чередованием посевов кукурузы и пшеницы.

Таким образом, человечество стоит на пороге острейшего продовольственного кризиса, вызванного продолжающимся ростом населения и одновременным сокращением основной базы для производства продовольствия – пахотных земель. В этих условиях вряд ли имеет смысл серьезно обсуждать глобальные перспективы использования сельскохозяйственной продукции для расширения топливной базы мировой энергетики. Только крупнейшие мировые производители продовольствия, такие как США, Бразилия и некоторые европейские страны, могут позволить себе направлять значительную долю своего избыточного производства сельскохозяйственных культур на производство топлива и другой непищевой продукции (рис. 62). Или изымать значительную долю пахотных земель для производства непродовольственных культур: только выполнение плана ЕС по переводу к 2020 году 10 % автомобильного парка на биодизель потребует выделения для этой цели 4,5 млн гектаров земли – площадь, эквивалентная размерам Дании.

Рис. 62. Потребление кукурузы на производство биоэтанола в США (Источник: USDA – Министерство сельского хозяйства США)

Если при этом и не страдает население самих стран-производителей сельхозпродукции, то этого нельзя сказать о населении остальных, особенно беднейших стран, традиционно получавших продовольственную помощь. Ведь на производство этанола в США пошла большая часть того зерна, которое ранее шло на экспорт, в том числе на продовольственную помощь другим странам. В результате уже в 2006 г., сразу после начала массового производства биоэтанола в США, мировая цена на кукурузное зерно увеличилась в три раза. Это поставило в очень тяжелое положение и без того голодающее население многих слаборазвитых стран.

Использование пищевого сырья для производства топлива стало одним из главных факторов наблюдаемого в последние годы резкого роста мировых цен на продовольствие. Этот рост цен происходит на фоне прогнозов о возможном удвоении к 2030 году мирового спроса на продукты питания. Помимо увеличения численности населения рост спроса на продукты питания связан и с повышением уровня жизни в развивающихся странах, где заметно увеличивается потребление продукции животноводства, отрасли, потребляющей большие объемы зерна.

Проводимая рядом промышленно развитых стран политика поощрения производства биотоплив путем предоставления их производителям различных субсидий на закупку сырья не только сокращает продовольственные ресурсы, но и взвинчивает цены на продукты питания. Согласно оценкам Международного энергетического агентства (МЭА), в 2009 году правительственная поддержка производителей биотоплива во всем мире составила около 20 млрд долларов, основная часть которой пришлась на США и страны ЕС. МЭА прогнозирует дальнейшее увеличение объема субсидий – до 45 млрд в год в 2010–2020 годах и до 65 млрд в год в 2021–2035 годах.

Только в США, где треть выращиваемой кукурузы используется для получения биоэтанола, объем субсидий составляет около 6 млрд долларов в год. Господдержка, выражающаяся в льготном налогообложении производителей биотоплива, составляет в настоящее время 45 центов за галлон (3,6 литра) при цене галлона бензина на уровне двух долларов. Дополнительные 10 центов помощи получают небольшие производители, а величина импортных пошлин составляет 54 цента за галлон. Сейчас в США идет бурная дискуссия о целесообразности продления льгот производителям биотоплива.

Критики развития биотопливной индустрии справедливо отмечают, что растущий спрос на биотопливо вынуждает сельхозпроизводителей сокращать посевные площади под продовольственными культурами и перераспределять их в пользу топливных. По оценкам, в результате биотопливного бума число голодающих на планете к 2025 году возрастет до 1,2 млрд человек. Ведь для производства этанола всего на одну заправку джипа (100 л) требуется около 450 фунтов кукурузы. Этого количества достаточно для питания одного человека «третьего мира» в течение почти года.

Таким образом, в случае реализации планов администрации США по расширению производства биотоплива, только для американских автомобилей потребуется объем сельхозпродуктов, достаточный для пропитания более чем миллиарда людей.

Но самое главное, производимый из зерна этанол не является экономически и энергетически эффективной альтернативой бензину. Замена только 10 % необходимого к 2020 г. США бензина этанолом потребует шестой части всех земель, занятых в стране под зерновые. Если даже в США будут задействованы все доступные ресурсы биосырья, что практически нереально, это позволит удовлетворить не более 50 % потребности американского рынка в автомобильном топливе (рис. 63).

Рис. 63. Потребность США в автомобильном топливе по сравнению с возможностями получения синтетического топлива из биомассы

Не выдерживает критики и энергетический аспект получения биотоплив. Американские оппоненты широкого внедрения возобновляемых топлив рассчитали, что на получение этанола из зерен кукурузы требуется на 29 % больше энергии, чем содержится в полученном топливе. А для того, чтобы использовать в качестве сырья для производства этанола скошенную траву (сено), потребуется уже на 50 % больше энергии ископаемого топлива, чем содержится в полученном топливе (Арутюнов, 2008). То есть для большинства видов биотоплива значение показателя EROEI балансирует около 1 (рис. 62, табл. XI), а для некоторых видов оказывается даже меньше. Иными словами, затраты энергии при получении биотоплива могут быть выше, чем содержащаяся в нем энергия.

Хотя сторонники биотоплива оспаривают эти оценки, даже по данным явно неравнодушных к этому вопросу экономистов Министерства сельского хозяйства США прибавка в энергосодержании составляет всего 34 %, да и то благодаря последним технологическим достижениям в этой области. Согласно результатам, полученным в Калифорнийском университете в Беркли, энергетический баланс биоэтанола все-таки положителен, но доля действительно возобновляемой энергии, полученной за счет энергии солнца, составляет всего от 5 до 26 %. Остальное покрывается за счет энергии ископаемых топлив. Если принять среднюю величину «зеленой» энергетической добавки к затраченному ископаемому топливу равной 16 %, то декларированная администрацией США 15 %-ная добавка биоэтанола к бензину обеспечит в нем долю возобновляемой энергии всего 2,4 %. Причем этот с таким трудом обеспеченный вклад возобновляемой энергии в топливный баланс США будет съеден всего за три года общим ростом потребления бензина.

В последнее время сторонники «зеленой» энергетики делают в своих планах и декларациях упор на биотоплива второго и третьего поколения, то есть на использование непищевых отходов сельскохозяйственного производства и промышленное выращивание водорослей. Однако непищевые сельскохозяйственные отходы дают значительно более низкую отдачу с единицы площади, требуют более высоких расходов на сбор и подготовку сырья, а главное, содержат в основном целлюлозу и лигнин, промышленная переработка которых в биотопливо, несмотря на многолетние интенсивные исследования, пока осуществляется только в экспериментальных масштабах. Поэтому экономическая и тем более энергетическая эффективность использования такого сырья представляется еще более проблематичной.

Что касается водорослей, то основными аргументами в их пользу являются более высокая эффективность фотосинтеза, на уровне 6–8 % по сравнению в среднем с 1–2 % для наземных растений, а также отсутствие необходимости в использовании сельскохозяйственных угодий. Однако, во-первых, эффективность фотосинтеза кукурузы составляет около 7 %, т. е. практически не уступает водорослям, что, тем не менее, не делает производство из нее биоэтанола экономически и энергетически эффективным. А во-вторых, использование морских и океанских акваторий для промышленного производства биомассы на основе специально выведенных штаммов водорослей должно быть полностью исключено из-за возможных глобальных катастрофических экологических последствий. И даже использование для их производства изолированных природных водоемов не может исключить серьезные экологические последствия. Кроме того, так же, как и в сельском хозяйстве, объем и рентабельность такого производства в конечном счете будут определяться объемом и стоимостью вносимых удобрений и немалыми затратами традиционного топлива на сбор, подготовку и переработку полученного сырья.

Таким образом, ни энергетический, ни экономический аспекты промышленного сельскохозяйственного производства биотоплив в глобальных масштабах не выдерживают серьезной критики. Но, может быть, все окупается экологическими преимуществами «зеленой» энергетики? Однако «зеленое» на первый взгляд топливо оказывается совсем не таким уж «зеленым» при более строгом анализе. Ведь для компенсации земель, изымаемых для производства непродовольственных культур, будут нужны новые посевные площади. Это потребует сведения лесов, что приведет к уменьшению способности биосферы перерабатывать углекислый газ в кислород – таким образом, в противоположность декларируемым целям, концентрация углекислого газа в атмосфере только вырастет, а не уменьшится. В Индонезии и Малайзии для создания пальмовых плантаций для производства биодизеля была вырублена немалая часть тропических лесов. То же самое произошло на Борнео и Суматре. Поэтому, как показал ряд проведенных в последнее время исследований, с точки зрения снижения антропогенного выброса диоксида углерода, являющегося основным парниковым газом, оптимальной стратегией является максимальное снижение производства биотоплив и использование высвобождающихся площадей для посадок лесов, являющихся наиболее эффективными поглотителями СО2 из атмосферы.

Кроме того, сторонники тезиса об «экологической чистоте» биотоплив, как правило, не учитывают выбросы, образующиеся при производстве, обслуживании и последующей утилизации огромного и быстро выходящего из строя парка механизмов, необходимых для выращивания, сбора и переработки растительного сырья. Необходимо также учитывать огромный объем сжигаемого при этом традиционного топлива. То есть приводимые оценки экологических преимуществ биотоплив, мягко говоря, некорректны. Согласно имеющимся данным, при корректном расчете по всему жизненному циклу с учетом используемого для их производства оборудования и традиционных топлив, кукурузное и рапсовое топливо создает на 50–70 % больше парниковых газов, чем традиционный бензин и дизтопливо. При этом повышение эффективности использования традиционного бензина всего лишь на 3 % привело бы к экономии большего количества углеродного топлива, чем использование всего производимого в мире этанола.

Спорным остается и тезис о меньшей токсичности выхлопа автомобилей, использующих топливо с биодобавками. Безусловно, добавка к бензину кислородсодержащих соединений, таких, как этанол, увеличивает полноту сгорания топлива, снижая выбросы оксида углерода, ароматических углеводородов и частиц сажи. Но при этом в выхлопе появляются альдегиды (формальдегид и ацетальдегид) и ряд других соединений, наносящих живым организмам не меньший ущерб, чем ароматические углеводороды.

Разумеется, использование для производства энергии всевозможных бытовых и сельскохозяйственных отходов, особенно там, где они концентрируются в промышленных масштабах, или где такая концентрация экономически выгодна, необходимо и должно развиваться. Производство биотоплив, безусловно, будет продолжаться в особо благоприятных климатических условиях, например в Бразилии. Но добиваться их широкого внедрения в России, которая до сих пор импортирует до половины потребляемого продовольствия, и при этом, по самым скромным оценкам, из-за неэффективного использования бесполезно теряет до трети добываемого ископаемого топлива, вряд ли целесообразно.

Промышленное производство биотоплива в России в настоящее время в основном ограничено производством пеллет – топливных гранул, получаемых из отходов лесодобычи и деревообработки. Это самое дешевое биосырье, которое только можно себе вообразить. При этом теплотворная способность пеллет практически такая же, как у угля – ~19 МДж/кг, а сами пеллеты сравнительно дешевы. Этот бизнес в основном ориентируется на экспорт в Скандинавию, Италию и Германию. Более 100 российских заводов производят почти 1 млн тонн пеллет, из которых подавляющая часть идет на экспорт. Однако сейчас этот рынок практически полностью насыщен. Как в случае с любыми биотопливами, транспортировка на большие расстояния, выше несколько сот километров, делает производство пеллет нерентабельным. Внутренний же рынок пеллет практически не развивается. ТЭЦ, которые бы использовали пеллеты в промышленных масштабах, в стране пока нет. Поэтому даже во многих лесных регионах производство пеллет оказалось нерентабельным. Там выгоднее сжигать в котельных непосредственно первичные отходы лесопереработки. На основе отходов животноводства и растениеводства в различных регионах развивается местное производство биогаза. Видимо, эти направления и являются наиболее разумными для отечественного производства биотоплив.

Правда, в прессе и даже в научных изданиях регулярно публикуются утверждения, что «Россия обладает крупнейшими в мире возобновляемыми запасами биомассы, пригодной для использования в энергетических целях, доступные запасы которой эквивалентны 300 млрд кВтч электроэнергии». К сожалению, эти публикации никогда не сопровождаются экономическим анализом тех затрат, которые необходимы для того, чтобы собрать эту биомассу с необъятных российских просторов, транспортировать за сотни километров к пунктам переработки и превратить в биотопливо или непосредственно энергию.

Что же в итоге? Мы приходим к вполне определенному выводу, что фундаментальные характеристики известных нам возобновляемых источников энергии: их общий энергетический потенциал, характерная плотность потока энергии, отношение получаемой энергии к энергозатратам на ее получение и себестоимость получаемой энергии не позволяют в обозримой перспективе рассчитывать на глобальную роль этих источников в мировой энергетике.

Несколько веков назад человечество начинало свою промышленную революцию, целиком полагаясь на «экологически чистые» возобновляемые источники энергии – биотопливо (дрова), энергию воды и ветра. Реалии технологического развития еще два века назад убедительно показали, что интенсивное промышленное производство не может базироваться на этих источниках из-за низкой плотности потока производимой ими энергии. И тем более этот путь, уже давно показавший свою экономическую и технологическую несостоятельность, не может стать панацеей для многократно выросшего и более энерговооруженного человечества.

5.1. Тепловой баланс планеты

Одним из главных аргументов в пользу более широкого использования альтернативных источников энергии является утверждение о значительно меньшем негативном влиянии на окружающую среду и, главное, климат нашей планеты. Но прежде чем обсуждать влияние современной энергетики на климат, необходимо кратко рассмотреть факторы, определяющие его основные параметры. В наибольшей степени климат, т. е. условия на земной поверхности, определяются атмосферой и гидросферой Земли. В свою очередь, формирование атмосферы и гидросферы тесно связано с процессом дегазации земных недр, который продолжается и в настоящее время, хотя и намного менее интенсивно, чем в предыдущие геологические эпохи. Дегазация является следствием дифференциации под действием силы тяжести земного вещества и выделением гравитационной энергии в недрах планеты. Интенсивность этого процесса достигла максимума примерно 3 млрд лет назад и с тех пор непрерывно снижается. Первичная атмосфера Земли состояла в основном из паров воды, СО2, а также таких газов, как H2S, CO, H2, N2, CH4, NH3, HF, HCl, Ar, то есть была по своему химическому составу восстановительной.

После появления первичной базальтовой коры и последующего остывания поверхности ниже температуры кипения воды образовалась гидросфера планеты, а основным компонентом атмосферы стал углекислый газ. Оценки показывают, что парциальное давление углекислого газа в древнейшем геологическом периоде развития земли – архее – превышало его современное значение на четыре порядка и достигало от 4 до 4,5 атм. В результате деятельности биосферы Земли основная масса выделившегося углекислого газа была преобразована в твердые карбонатные породы и органический углерод. Сейчас в виде карбонатов в земной коре связано около 3,91 1023 г СО2. Кроме того, в коре содержится еще около 1,95 1022 г органического углерода. С этим углеродом было связано приблизительно 5,2 1022 г О2, поэтому можно полагать, что всего из мантии было дегазировано примерно 4,6 1023 г СО2. Сейчас в атмосфере содержится около 2,45 1018 г СО2, а 1,4 1020 г углекислого газа растворено в океане.

Выделяющийся из диоксида углерода в результате деятельности живых организмов свободный кислород не мог накапливаться в больших количествах в атмосфере, пока на земной поверхности имелись в огромном количестве неокисленные породы. При накоплении в коре органического углерода, первоначально входившего в состав дегазированного СО2, было выделено приблизительно 5,2 1022 г О2. На начальном этапе почти весь освобождающийся кислород связывался преимущественно с железом и серой. Сейчас в земной коре содержится примерно 6,9 1023 г Fe2О3 и 2,83 1022 г SO3. Это значит, что на окисление двухвалентного железа до трехвалентного ушло около 6,9 1022 г О2, а на окисление сульфатной серы потребовалось 1,7 1022 г О2. В современной атмосфере содержится 1,2 1021 г кислорода, поэтому общая масса О2 в земной коре и атмосфере – приблизительно 8,7 1022 г. Разница в 3,5 1022 г могла поступить за счет диссоциации воды жестким солнечным УФ излучением и других химических реакций.

В настоящее время Земля обладает атмосферой, общая масса которой равна 5,15 1021 г, т. е. составляет одну миллионную часть ее общей массы. Среднее давление атмосферы на уровне моря 1,0132 бар (760 мм рт. ст.), плотность ~1,3 10-3 г/см3, состав сухого воздуха, % об.: азот – 78,08, кислород – 20,95, Ar – 0,93 %, СО2 – 0,03 %. Находящийся в атмосфере 40Ar образовался в основном в результате радиоактивного распада 40К.

Средняя температура на поверхности, являющаяся наиболее важным климатическим параметром, определяется тепловым балансом нашей планеты, который складывается из баланса поступающей на поверхность энергии солнечного излучения и энергии, отдаваемой нагретой поверхностью Земли в космос в виде инфракрасного (теплового) излучения. Поскольку средняя температура поверхности Земли на протяжении длительного периода остается практически постоянной, это свидетельствует о тепловом балансе, при котором потоки поступающей на земную поверхность энергии и энергии, отдаваемой ею в космическое пространство, с высокой точностью одинаковы.

В свою очередь эти потоки определяются свойствами атмосферы нашей планеты. Составляющие земную атмосферу газы легко пропускают основную часть солнечного излучения, спектральная температура которого совпадает с температурой поверхности Солнца (~6000 К) и лежит в видимом диапазоне длин волн. Примерно 30 % солнечного излучения отражается обратно в космос самой атмосферой Земли, что в значительной степени определяет коэффициент отражения солнечного излучения (альбедо) нашей планеты как небесного тела, на 83 % определяемое отражением самой атмосферы и лишь на 17 % отражением поверхности Земли. Излучение, прошедшее сквозь атмосферу, частично поглощается земной поверхностью, в т. ч. зелеными растениями, и приводит к ее нагреву (рис. 64).

Рис. 64. Распределение потоков поглощаемой и излучаемой энергии в атмосфере и на поверхности Земли. Черные стрелки – поток солнечного излучения, белые – теплового излучения Земли (Горшков, 1995)

Для сохранения постоянной температуры, т. е. поддержания теплового баланса, наша планета должна излучать столько же энергии, сколько она получает в виде поглощенного солнечного излучения. Тепловое излучение Земли определяется температурой ее поверхности (~300 К) и лежит в инфракрасной области спектра. Так как энергия испускаемых фотонов пропорциональна температуре нагретой поверхности, в среднем на каждый поглощенный фотон солнечного излучения земной поверхностью испускается ≈20 тепловых фотонов, каждый из которых имеет в 20 раз меньшую энергию. Именно этот процесс деградации высокопотенциальной энергии солнечного излучения в низкопотенциальное равновесное тепловое излучение Земли является источником всех упорядоченных процессов, протекающих в биосфере. Если бы Земля получала такое же количество энергии в виде равновесного теплового излучения, жизнь на ней никогда бы не смогла возникнуть (Арутюнов, Стрекова, 2006).

Для инфракрасного излучения нагретой земной поверхности, посредством которого Земля отдает в космос избыток энергии, составляющие ее атмосферу газы значительно менее прозрачны, чем для солнечного излучения. Они поглощают заметную часть этого излучения (рис. 64), нагреваясь сами и дополнительно нагревая поверхность планеты. Благодаря присутствию в атмосфере газов, поглощающих инфракрасное излучение нагретой Земли и создающих на ее поверхности эффект парника (парниковых газов), средняя температура земной поверхности повышается на ~33°С, достигая примерно 290 К, что и создает необходимые условия для существующего на Земле многообразия жизненных форм, включая человека и созданную им цивилизацию.

5.2. Проблема парниковых газов

Критическая зависимость условий жизни на планете и мировой цивилизации от климата делает анализ причин и прогнозирование долговременных климатических изменений важнейшей цивилизационной задачей. Среди прочих естественных и антропогенных факторов, влияющих на климат, рост концентрации парниковых газов в атмосфере, прежде всего диоксида углерода и метана, рассматривается как одна из наиболее серьезных причин изменений, наблюдаемых в последние десятилетия.

Главным источником растущей обеспокоенности возможностью серьезного изменения климата в результате антропогенной деятельности являются такие бесспорно существующие и взаимно коррелирующие явления, наблюдаемые на протяжении последних 100–150 лет, как:

• увеличение антропогенной эмиссии парниковых газов, прежде всего СО2 и СН4;

• рост концентрации этих газов в атмосфере;

• повышение средней температуры земной поверхности примерно на 0,6–0,8°С за последнее столетие.

В общественном сознании достаточно прочно утвердилось представление о точно такой же последовательности в цепочке причинно-следственных связей, что побуждает общество разрабатывать меры, направленные на сокращение антропогенной эмиссии этих газов. «Эмоциональной» основой этого взгляда является уже утвердившееся в массовом сознании понимание того, что, по выражению В.И. Вернадского, человек стал «основной геологообразующей силой планеты», и антропогенная деятельность вполне способна влиять на изменение ее климата. Основным же научным аргументом в пользу такой интерпретации является именно рост атмосферной концентрации парниковых газов, в т. ч. диоксида углерода до более 360 ppm и метана до 1,7 ppm к концу XX столетия (рис. 65).

Поэтому научная общественность, несмотря на отсутствие однозначных данных о вкладе антропогенной деятельности в рост парникового эффекта и изменение климата, в целом поддерживает меры политического и экономического характера, направленные на уменьшение выброса парниковых газов.

К принятию таких мер подталкивают и объективные данные о нарастающей неустойчивости глобальных атмосферных процессов, косвенно свидетельствующие о повышении вероятности бифуркационной перестройки климата.

Рис. 65. Изменение концентрации парниковых газов и глобальной температуры за последние 160 тыс. лет (Сорохтин, Ушаков, 1991)

Однако пока нет строгих научных доказательств существования причинно-следственной связи между этими явлениями в том порядке, как они перечислены выше. Глобальные модели, на которых основаны современные прогнозы, содержат большие неточности в определении базовых параметров, прежде всего естественных истоков и стоков парниковых газов в атмосфере, которые, пока еще, как правило, значительно превышают антропогенные потоки. Эти модели также отражают наше пока еще слабое понимание сложных нелинейных геологических, химических и биологических процессов с участием парниковых газов в литосфере, почве, гидросфере и атмосфере. Поэтому разброс в прогнозах очень велик, а сами они отражают скорее тенденции, чем конкретные значения прогнозируемых параметров. Будущие объемы антропогенных выбросов газов с парниковым эффектом являются следствием процессов в очень сложных динамических системах, включающих такие определяющие факторы, как демографическое развитие, социально-экономическое развитие и технологические изменения, дальнейшее развитие которых весьма неопределенно.

В принципе, существуют вполне достаточные неантропогенные причины наблюдаемого изменения средней температуры земной поверхности, которые могут быть связаны с долговременной эволюцией или циклическими колебаниями климата, вызываемыми изменением солнечной активности, параметров земной орбиты и наклона земной оси, геологической эволюцией планеты, в т. ч. изменением скорости ее дегазации, вулканической активности, теплосодержания океанических вод и т. д., причем повышение концентрации СО2 и метана в атмосфере может быть не причиной, а прямым следствием этих явлений. Вот только некоторые возможные естественные причины наблюдаемых климатических изменений.

Основой всех климатических явлений является солнечная радиация. Ее поток, перпендикулярный к сечению Земли, составляет ~1370 Вт/м2. С учетом того, что поверхность Земли в 4 раза превышает ее сечение, а 30 % излучения отражается, средний поток солнечной энергии, перпендикулярный земной поверхности, составляет ~240 Вт/м2. Изменение этого потока даже на 0,1 % (величина, примерно соответствующая колебаниям в течение 11-летнего цикла солнечной активности) вызывает изменение потока солнечной радиации на поверхности, называемое климатическим воздействием, в ~0,24 Вт/м2, что соответствует почти 20 % от суммарного климатического воздействия диоксида углерода за последние 150 лет. Сопоставление кривых солнечной активности и среднегодовых температур за последнее столетие показывает их четкую корреляцию (Сорохтин, Ушаков, 1991). А реконструкция изменения солнечной активности и влияния этого процесса на климат показывает, что, по крайней мере, половина наблюдаемого потепления за период с 1900 года может быть объяснена этой причиной.

Положение земной оси по отношению к Солнцу также не совсем стабильно. Время от времени она довольно резко смещается назад или вперед, что оказывает соответствующее влияние на климат. Не исключено, что определенные колебания может испытывать огромный поток тепловой энергии, выделяющейся за счет продолжающейся дифференциации земного вещества, направленный от формирующегося тяжелого ядра планеты к ее поверхности (Сорохтин, Ушаков, 1991).

Решающее влияние на понимание динамики климата имеет корректная оценка изменения теплосодержания океанических вод. Это единственное место на земной поверхности, где может накапливаться энергия теплового дисбаланса. Данные показывают, что теплосодержание океана с середины 1950-х по середину 1990-х увеличилось на 2х1023 Дж. Наиболее простое объяснение этого – происходящие изменения в атмосферных процессах и их влияние на тепловой баланс.

Моделирование климатических явлений показало, что огромное влияние на климат оказывает характер океанических течений. Именно этой причиной может быть объяснен более теплый климат некоторых предшествовавших геологических эпох. Наиболее близкая аналогия возможных климатических изменений может быть получена из анализа климата эпохи Плиоцена, отстоящей от нашего времени примерно на 3 млн лет (период от 5 до 1,8 млн лет назад). Тогда средняя температура поверхности превышала современную более чем на 1°С. Именно в этот период появились прямые предки человека и начались циклические оледенения в Северном полушарии. Сравнение с климатическими условиями этой эпохи удобно также тем, что конфигурация земной поверхности практически соответствовала современной, а большинство видов растений и животных соответствовало современным видам. Хотя достоверно неизвестно, что именно явилось причиной потепления в плиоцене, ему также соответствовал высокий уровень парниковых газов, превышающий современный, по крайней мере, на 100 ppm. Однако моделирование климата плиоцена, проведенное специалистами NASA, не подтвердило гипотезу о том, что потепление было вызвано повышением концентрации СО2. Оказалось, что необходимо четырехкратное повышение концентрации диоксида углерода для объяснения произошедших климатических изменений. В то же время примерно 30 %-ное изменение в меридиональном тепловом потоке, переносимом океаническими течениями, было достаточным для того, чтобы объяснить наблюдаемую климатическую картину. Конечно, могли существовать и другие неизвестные нам факторы, влиявшие на температуру и концентрацию диоксида углерода в эту эпоху.

Наблюдаемые изменения концентраций парниковых газов в плиоцене и в современную эпоху могут являться не причиной, а прямым следствием температурных изменений, вызванных одной из перечисленных выше причин. Например, даже небольшое повышение средней температуры поверхностного слоя океана приводит к эмиссии огромного объема диоксида углерода за счет изменения его растворимости в морской воде. Одновременно возможен резкий выброс в атмосферу гигантских количеств метана за счет теплового разложения неустойчивых газовых гидратов на морском шельфе и на суше. А сильная положительная обратная связь, реализуемая через механизм парникового эффекта, может многократно усиливать даже небольшие температурные колебания, вызванные любой из возможных причин.

У специалистов пока нет уверенности в долговременности наблюдаемой тенденции повышения температуры и невозможности смены знака температурного хода в ближайшее время, тем более что современная эпоха соответствует температурному максимуму очередного межледникового периода. Высказываются доводы в пользу большой роли в плотной земной атмосфере конвективных процессов теплопереноса, что ставит под сомнение критическую роль наблюдаемого изменения концентрации парниковых газов в росте средней температуры земной поверхности (Сорохтин, Ушаков, 1991). Необходимо также учитывать, что результаты антропогенной деятельности практически в той же степени способствуют явлениям, понижающим среднюю температуру земной поверхности. Нет строго обоснованного доказательства существенного преобладания тенденции к «положительному» вкладу антропогенной деятельности.

Наконец, глобальный климат может испытывать достаточно сильные флуктуации и без всяких внешних воздействий. Оценки на основе глобальных моделей показывают, что на протяжении столетия колебание средней температуры поверхности может достигать 0,4°С даже при фиксированном уровне солнечной радиации и постоянной концентрации парниковых газов. Эти флуктуации проявляются как следствие нелинейных процессов, характеризующих поведение атмосферы планеты. Благодаря огромной тепловой инерции океана хаотические изменения в атмосфере могут вызывать последействие, сказывающееся десятилетия спустя. И для того, чтобы дополнительные воздействия на атмосферу имели вполне определенный направленный эффект, они должны, по крайней мере, заметно превышать естественный флуктуационный «шум» системы.

К основным парниковым газам, производимым в значительных количествах современной цивилизацией, относят CO2, CH4, N2O, SF6 и фреоны. Эти газы сильно различаются не только по своей концентрации в атмосфере, но и по коэффициентам поглощения ИК излучения. Для оценки относительного влияния различных парниковых факторов на климат обычно используют величину «климатическое воздействие» (climate forcing), определяемую как усредненное изменение достигающего поверхности теплового потока (Вт/см2) за счет изменения концентрации данного парникового фактора в атмосфере. Основным среди парниковых газов и с точки зрения его влияния на изменение климата (более 60 %), и с точки зрения естественных и антропогенных потоков, и по содержанию в атмосфере, является диоксид углерода. С начала индустриальной революции его концентрация в атмосфере возросла примерно на 30 % (рис. 65) и достигла в 1997 году уровня 364 ppm. Время жизни диоксида углерода в атмосфере определяется скоростью обмена с поверхностью океана и оценивается в 10 лет, но при учете перемешивания океанских вод и поглощения диоксида углерода осадочными породами реальное время релаксации его концентрационных изменений может достигать многих десятков и даже сотен лет.

5.3. Эмиссия диоксида углерода как один из факторов выбора путей развития энергетики

Энергетика является не только важнейшей отраслью мировой экономики, определяющей ее состояние и перспективы развития, но и тем видом человеческой деятельности, который, наряду с сельскохозяйственным производством, оказывает наибольшее влияние на локальное и глобальное изменение окружающей нас среды, на состояние всей биосферы. Ежегодно при добыче ископаемых энергоресурсов человечество извлекает на поверхность и перемещает десятки миллиардов тонн породы, а в процессе получения энергии выбрасывает в атмосферу десятки миллиардов тонн диоксида углерода и огромное количество других химических соединений, оказывая тем самым серьезное влияние на природные условия и климат нашей планеты. Экологические проблемы, связанные с использованием ископаемых топлив, стали одной из наиболее серьезных глобальных проблем, что в немалой степени способствовало росту интереса к альтернативным источникам энергии. Однако если большинство экологически проблемных выбросов, связанных с энергетикой, имеют скорее локальный характер, то есть влияют в основном на состояние близкорасположенных территорий, то неизбежное при использовании углеродных топлив образование диоксида углерода и других парниковых газов рассматривается сейчас как одна из глобальных экологических проблем.

Диоксид углерода является важнейшим парниковым газом, содержание которого в атмосфере наряду с метаном, парами воды и другими менее важными в этом отношении компонентами определяет среднюю температуру земной поверхности. Поскольку последствия глобальных климатических изменений могут иметь катастрофические последствия вплоть до полной гибели цивилизации, а в качестве одной из основных версий о причинах наблюдаемых изменений рассматривается антропогенная эмиссия диоксида углерода, метана и ряда других газов, этой проблеме сейчас уделяется очень большое внимание. Серьезность проблемы изменения климата побудила правительства подавляющего большинства стран мира подписать в 1997 г. Киотский протокол об ограничении и частичном снижении эмиссии парниковых газов. Основной упор был сделан на сокращение эмиссии диоксида углерода, подавляющая часть которого производится мировой энергетикой при сжигании ископаемого углеродного топлива.

С тех пор было проведено и продолжает проводиться огромное количество научных исследований и технологических разработок, посвященных проблемам сокращения выбросов СО2 или их утилизации при производстве энергии. Однако простые оценки показывают практическую нереальность сбора и утилизации заметной части громадного объема диоксида углерода, эмитируемого энергетикой в атмосферу. Современная энергетика потребляет ежегодно уже более 10 млрд т (в нефтяном эквиваленте) углеродного топлива, то есть почти 10 млрд т углерода. Это приводит к ежегодному выбросу в атмосферу более 30 млрд т, или 30 трлн м3 углекислого газа. Если учесть, что подавляющая часть СО2 выбрасывается в атмосферу в составе дымовых газов тепловых электростанций, где его концентрация менее 12 %, становится ясно, что существенное воздействие на уровень его эмиссии требует ежегодной переработки значительной части громадного потока в 250 трлн м3 дымовых газов.

Это экономически нереальная задача, т. к. при современном уровне технологии стоимость извлечения и удаления тонны диоксида углерода из разбавленных дымовых газов составляет от 100 до 300 долларов, что примерно в три раза превышает стоимость топлива, сжигаемого при образовании такого количества диоксида углерода. Объем необходимых для этого затрат сопоставим с ВВП, производимым всей мировой экономикой. А для энергетического обеспечения самого процесса извлечения СО2 потребуется дополнительное количество энергетических ресурсов, вполне сопоставимое с их текущим потреблением. То есть практическая реализация технологий улавливания СО2 на самом деле приведет к значительному росту его производства и заметному увеличению скорости истощения и без того дефицитных энергоресурсов. Поэтому единственно реальным и наиболее рациональным путем смягчения антропогенного влияния на климатические изменения является снижение удельной энергоемкости мировой экономики (рис. 9) и более рациональное использование природных энергетических ресурсов.

В настоящее время только в процессах нефте– и газодобычи ежегодно в мире на нескольких тысячах месторождений выбрасывается в атмосферу или сжигается в факелах 150–170 млрд м3 углеводородных газов, что составляет примерно 4–5 % объема их мировой добычи. Причем объем факельного сжигания попутных газов не снижается, несмотря на все предпринимаемые усилия. А подавляющая часть мирового производства электроэнергии до сих пор осуществляется на установках с КПД 30–40 %, в то время как уже разработаны энергоустановки на основе парогазового цикла, позволяющие поднять этот показатель до уровня выше 60 %, переход на которые позволил бы почти вдвое сократить расход топлива.

В качестве важнейшей меры снижения эмиссии диоксида углерода в последние годы, особенно после начала масштабной добычи сланцевого газа в США, рассматривается замена угольных электростанций на газовые ТЭЦ. С экологической точки зрения природный газ является наименее проблемным из всех ископаемых источников энергии. Он не содержит тяжелых металлов и перед подачей в магистральные трубопроводы подвергается очистке от серосодержащих соединений. Но самое главное, из-за более высокой доли в молекуле метана водорода, который при сгорании превращается в воду, при выработке такого же количества энергии из природного газа в атмосферу выбрасывается в три раза меньше диоксида углерода, чем при сжигании угля (рис. 66).

Рис. 66. Удельная эмиссия диоксида углерода при получении энергии из различных источников

Однако более низкий объем загрязнений, особенно диоксида углерода, производимый альтернативными источниками энергии (рис. 66), делает их особенно привлекательными в глазах не только экологов, но и населения, особенно промышленно развитых урбанизированных стран. К сожалению, по причинам, рассмотренным нами выше, мы не можем серьезно рассчитывать на значительный вклад атомной энергетики или возобновляемых источников в мировое производство энергии, а следовательно, на снижение выбросов СО2 за счет их более широкого использования. Однако и сами вопросы о том, является ли именно энергетика и вообще антропогенная деятельность основной причиной наблюдаемых климатических процессов, и можно ли в принципе остановить эти процессы за счет экологического регулирования и перехода на альтернативные источники получения энергии, остаются открытыми. В следующей главе мы рассмотрим их более подробно.

6.1. Природа и Цивилизация

В последнее время в обществе наметилось активное противопоставление, если не противостояние двух противоположных взглядов на пути и цели развития нашей цивилизации. На одном полюсе находятся промышленники и энергетики, ратующие за дальнейшее развитие нашей, безусловно, техногенной цивилизации и неизбежно связанный с этим рост потребления всех видов природного сырья и энергии. На другом – все более активно заявляющие свою позицию сторонники различных экологических и «зеленых» движений, требующие введения ограничений и даже запрета на использование «грязных» технологий, переход к «экологически чистым» источникам энергии и принятия неотложных мер для «сохранения планеты для будущих поколений». Образованное население промышленно развитых стран, живущее в комфортных условиях развитого общества и считающее сохранение и улучшение этих условий своим неотъемлемым правом, склонно поддерживать эти требования, не очень задумываясь над тем, на чем основаны эти условия, какой ценой и за счет чего они обеспечиваются. В связи с этим стоит еще раз обсудить, что же является основой нашего сегодняшнего благополучия и какой ценой оно получено, что же все-таки такое постоянно упоминаемая в подобных дискуссиях «экология» и как это понятие соотносится с нашей техногенной цивилизацией.

Слово «экология» в конце двадцатого века стало одним из наиболее популярных в лексиконе населения развитых стран. Напомним, что согласно энциклопедическому словарю предложенный в 1866 г. немецким биологом Эрнстом Геккелем термин «экология» означает «науку об отношениях растительных и животных организмов и образуемых ими сообществ между собой и с окружающей их средой» (Советский энциклопедический словарь, 1989). К сожалению, подавляющее большинство людей, этот термин употребляющих, плохо представляет себе его значение. Поэтому неудивительно, что даже в центральных СМИ сплошь и рядом встречаются выражения типа «плохая экология». Хотя трудно понять, чем и для кого может быть плохой наука «об отношениях организмов с окружающей их средой». Более наукообразное искажение смысла сугубо биологического понятия «экология» укоренилось в терминах типа «инженерная экология». При этом обычно имеют в виду чисто инженерные вопросы разработки и применения различных технологий и методов очистки техногенных выбросов, а отнюдь не изучение влияния этих выбросов на биологические сообщества, игнорируя тем самым саму суть понятия «экология» как одного из разделов биологии.

Таким образом, на административно-бытовом уровне термин «экология» достаточно далеко отошел от своего первоначального смысла, выродившись в довольно расплывчатое понятие, охватывающее широкий комплекс вопросов, связанных с нарушением естественных биоценозов в результате антропогенной деятельности, антропогенным загрязнением окружающей среды и методам борьбы с ним. Именно в этом значении термин прижился и породил массу адептов и борцов за «хорошую экологию», начиная от реально окружающей людей среды и кончая масштабами всей планеты. Наряду с просто обеспокоенными условиями своей жизни гражданами появились и профессиональные «идейные» борцы за «экологическую чистоту», объединенные в движения глобального масштаба («зеленые») и даже соответствующие политические партии. Однако для любых глобальных, а тем более политических движений (если только это не откровенный популизм), желательно иметь ясно сформулированные и реально достижимые цели. И хорошо бы по возможности представлять, какую цену придется заплатить за реализацию этих целей, где кончается реальность и начинается утопия. Ведь за попытки реализации глобальных утопий мир в целом и наша страна в особенности уже и так заплатили достаточно большую цену.

Поскольку экологические вопросы, в устоявшемся бытовом понимании этого термина, как и политические, затрагивают абсолютно всех, о них охотно берутся судить все более или менее регулярно просматривающие прессу, игнорируя огромную сложность и часто недостаточную разработанность тех проблем, которые составляют предмет современной экологии. Желание иметь чистую среду обитания, дышать чистым воздухом, пить чистую воду и есть не содержащие вредных компонентов продукты естественно и законно. Но всегда ли оно выполнимо? И если выполнимо, то в какой степени и какой ценой? Без ответа на эти вопросы призывы к борьбе за «экологически чистую окружающую среду» (хорошо бы еще знать, что это такое?), требования «широкой экологической пропаганды среди населения», введения «экологического образования в школах» и другие подобные призывы, плохо вяжущиеся не только с определением понятия «экология», но и элементарным здравым смыслом, напоминают скорее религиозные призывы. В интерпретации некоторых ее адептов, утверждающих абсолютный приоритет экологических вопросов, «экология» начинает вырождаться в некий абсолют, символ веры, своеобразную «экорелигию». И, как всякий фанатизм, может обернуться прямой противоположностью первоначальным целям и стремлениям.

Давайте посмотрим на вещи реально. Существование на Земле 7 млрд человек (а в ближайшем будущем – 12–13 млрд), что в 105 раз превышает биологически обоснованную численность человеческой популяции, существовавшей на Земле в «доцивилизационный» период примерно 15–20 тысяч лет назад (Капица, 1999), уже само по себе является грандиозной экологической катастрофой для существующей земной биосферы. Подавляющая часть борцов за экологические приоритеты глубоко убеждена, что все дело только в том, что в погоне за прибылью промышленники постоянно нарушают экологическое законодательство. И стоит только заставить их строго соблюдать предписанные нормы, как все экологические проблемы будут разрешены.

Но корень современных экологических проблем Цивилизации гораздо глубже. Они носят принципиальный, системный характер. 4 млрд лет эволюционного развития земной биосферы есть не что иное, как последовательность грандиозных экологических катастроф, заканчивавшихся массовой гибелью большинства возникших на предыдущем этапе видов живых организмов. Эти экологические катастрофы являлись неизбежным следствием эволюционного развития и предпосылкой очередных качественных изменений в уровне организации биосферы. Одним из примеров такой грандиозной экологической катастрофы было появление около 2 млрд лет назад кислородной атмосферы, что привело к гибели многих существовавших до того видов и коренной перестройке биосферы. И точно так же наблюдаемые сейчас признаки надвигающейся новой экологической катастрофы – неизбежное следствие развития самой Природы, породившей в том числе и нашу Цивилизацию. И преддверие нового витка ее эволюции, в котором человечество в значительной мере является орудием природного эволюционного процесса.

Наш великий соотечественник В.И. Вернадский еще в первой половине прошлого века утверждал, что человек «составляет неизбежное проявление большого природного процесса», и «цивилизация <…> есть большое природное явление, отвечающее исторически, вернее, геологически сложившейся организованности биосферы» (Вернадский, 2002). Но существующая биосфера и развивающаяся внутри ее и на ее основе Цивилизация по своей сути являются антагонистами. Цивилизация стремится использовать накопленный биосферой потенциал как ресурс своего развития. А с точки зрения уже сложившейся системы природных регуляторов деятельность Цивилизации является возмущающим воздействием, которое для возвращения системы к равновесию необходимо подавить. Именно в этом главная и принципиальная проблема взаимоотношений Цивилизации и Природы, а не в «корыстных устремлениях» промышленников и их «нежелании» внедрять современные «экологически чистые» технологические процессы.

6.2. Экологическое регулирование – стратегическая цель или тактический тайм-аут?

Здесь мы подошли к принципиальному вопросу об экологической стратегии как таковой. Апологеты «зеленых» движений, далекие от технологии, экономики, а иногда и здравого смысла, часто не отдают себе отчета в том, что абсолютно все природоохранные мероприятия для своей реализации требуют немалого расхода ресурсов и энергии, и как любой вид производственной деятельности, сами неизбежно вызывают соответствующие экологические последствия. Иногда место выделения связанных с ними загрязнений находится достаточно далеко от «сохраняемой» территории и поэтому не травмирует взгляда благополучного обывателя, но с точки зрения глобальной экологии «абсолютно безвредной» производственной деятельности не бывает. Мы уже обсуждали то, что та же «альтернативная» энергетика, при полном учете всех выбросов в окружающую среду в процессе производства, эксплуатации и утилизации на протяжении полного жизненного цикла необходимого сырья и оборудования, например, солнечных панелей, сельскохозяйственных машин и необходимого для их использования углеводородного топлива, удобрений, а также воды и других расходных материалов и ресурсов, наносит окружающей среде не меньший вред, чем угольная энергетика.

В хозяйственной деятельности человека нет «экологически безвредных» путей. Любая хозяйственная деятельность наносит ущерб окружающей среде. Не бывает «экологически чистых» производственных процессов. Любой производственный процесс, как и любой вид деятельности вообще, потребляет определенные природные ресурсы и выбрасывает отходы в окружающую среду. Вопрос только в их количестве и «качестве» с точки зрения воздействия на окружающую среду. Причем, как ни покажется это удивительным многим активистам «зеленых» движений, ратующим за «возобновляемую зеленую энергетику», «воспроизводимые» энерго– и прочие ресурсы, именно современное высокопродуктивное сельское хозяйство является основным разрушителем естественных биоценозов, и, следовательно, несет основную угрозу биосфере. Как писал один из наиболее авторитетных отечественных специалистов в этой области В.Г. Горшков, «до сих пор в представлении большинства людей негативные экологические последствия хозяйственной деятельности ассоциируются с дымящимися заводскими трубами или мертвой поверхностью заброшенных карьеров и промышленных свалок. Действительно, вклад в отравление окружающей среды таких отраслей промышленности, как металлургия, химическая промышленность, энергетика велик. Но не меньшую опасность для биосферы представляют идиллические сельскохозяйственные угодья, ухоженные лесопарки и городские газоны. Разомкнутость локального круговорота в результате хозяйственной деятельности человека означает, что существование искусственно поддерживаемого в стационарном состоянии участка сопровождается ухудшением состояния окружающей среды в остальной части биосферы. Цветущий сад, озеро или река, поддерживаемые в стационарном состоянии на базе разомкнутого кругооборота веществ с доведенной до максимума продуктивностью, гораздо опаснее для биосферы в целом, чем заброшенная, превращенная в пустыню земля» (Горшков, 1995).

Для сохранения существующего видового разнообразия биосферы, что является одним из условий ее долговременной устойчивости, необходимо наличие обширных по площади природных экосистем, абсолютно не затронутых хозяйственной деятельностью человека.

Как показывают оценки, многие дикие виды могут выжить только при условии изъятия из хозяйственной деятельности не менее 30 % обитаемой поверхности суши (Горшков, 1995). Для сохранения биосферы – окружающей среды и регулирующей ее биоты – необходимо поддерживать ниже соответствующего порогового уровня совокупную активность цивилизации в целом, то есть всех видов ее активности. По оценкам (Горшков, 1995), для сохранения стабильности существующей биосферы цивилизация не должна потреблять свыше 1 % чистой первичной продукции глобальной биоты. Современное же прямое потребление цивилизацией биосферной продукции суши уже на порядок выше допустимого порогового значения. А доля освоенной и преобразованной цивилизацией части суши превышает 60 % и продолжает быстро увеличиваться.

В условиях, когда в мире происходит неуклонное снижение производства продуктов питания на душу населения, какое-либо снижение этих показателей вряд ли может стать реальностью. Особенно с учетом того, что уже от 500 млн до 1 млрд жителей Земли хронически голодают, и еще около 1 млрд человек постоянно потребляет меньше пищи, чем требуется для нормальной жизнедеятельности. Продолжающийся рост населения и уменьшение площади обрабатываемых земель вследствие эрозии почв, засоления, опустынивания, урбанизации (Арутюнов, Стрекова, 2006) оставляют мало надежд на сохранение достаточно обширных естественных экосистем.

Поэтому неудивительно, что в своем подходе к экологическим проблемам население Земли разделилось на два противоположных и неравных по численности лагеря. В то время как стремящееся сохранить уже достигнутый высокий уровень своего благосостояния население промышленно развитых стран, составляющих так называемый «золотой миллиард», в подавляющем большинстве склонно считать сохранение «экологического комфорта» на своей территории наиболее приоритетной задачей, остальная, то есть преобладающая часть населения мира, гораздо более озабочена повышением своего жизненного уровня. Явный перелом в отношении к глобальным экологическим проблемам продемонстрировал Всемирный саммит ООН по устойчивому развитию 2002 г. в Йоханнесбурге. На нем под давлением бедных и развивающихся стран впервые было однозначно заявлено, что борьба с нищетой и голодом является более важной задачей для мирового сообщества, чем проблема роста концентрации парниковых газов в атмосфере и возможного в связи с этим будущего изменения климата. Решения саммита обязали лидеров государств мира принять безотлагательные меры для того, чтобы к 2015 (!) году обеспечить миллиарды бедняков безопасной питьевой водой, которой на планете с каждым годом становится все меньше, санитарным обслуживанием, наполовину сократить численность бедного населения, улучшить к 2020 году системы здравоохранения в развивающихся странах и приблизить их к приемлемому уровню по сравнению с системами в других странах. Уже ясно, что эти решения не только не будут реально выполнены к указанным срокам, но в обозримом будущем, скорее всего, проблемы только обострятся. Но приоритеты подавляющей части мирового сообщества очевидны, и это отнюдь не «зеленая энергетика» и парниковые газы.

Провал политики развитых стран навязать остальному миру идеологию «экологических приоритетов» был предопределен тем, что конфликт человека с Природой отнюдь не является следствием нашей «экологической нечистоплотности», а носит принципиальный характер. Его суть в нарушении цивилизацией биосферного равновесия (Арутюнов, Стрекова, 2006), и с этой точки зрения и пасторально-патриархальное сельское хозяйство, и мечта «зеленых» – «возобновляемая» энергетика несут ничуть не меньшую угрозу, чем громко проклинаемая индустриализация. Уже первобытные охотники и неолитические земледельцы обладали достаточной «индустриальной» мощью, чтобы разрушать природные экосистемы и коренным образом преобразовывать ландшафт на огромных территориях. Именно они превратили в пустыню зеленые пастбища северной Африки, оголили холмы Греции, уничтожили тундровую фауну Сибири.

Как мы уже отметили, для сохранения биосферы – окружающей среды и регулирующей ее биоты – необходимо поддерживать ниже соответствующего порогового уровня совокупную активность цивилизации в целом, всех ее видов. Но готовы ли проповедники «зеленой идеологии» ради сохранения биосферного равновесия ограничить свои личные потребности уровнем идеально вписавшихся в окружающую среду эскимосов или амазонских аборигенов? И понимают ли они, что альтернативный вариант сохранения глобального равновесия при одновременном сохранении достигнутого в развитых странах уровня жизни потребует сокращения населения планеты до 500 млн человек, т. е. более чем в десять раз по сравнению с современным уровнем? Отдают ли они себе отчет в том, что сотрясающие нашу Цивилизацию политические катаклизмы являются прямым и гораздо более опасным следствием глобального развития, чем потенциальные климатические проблемы, и что без решения проблемы социального неравенства в масштабах всей планеты никакая «биосферная» стабилизация нереальна? А решение глобальных социальных проблем невозможно без многократного увеличения производства энергии (напомним, что душевой уровень энергопотребления в развитых и отсталых странах сейчас отличается почти в 100 раз).

Что касается пресловутой «экологической чистоты» альтернативных источников, например, солнечной энергетики, то, как и для сельского хозяйства, корректными расчетами показано, что по полной сумме экологически опасных выбросов в течение всего жизненного цикла солнечной панели, т. е. при изготовлении, эксплуатации и полной утилизации отслуживших компонентов, солнечная энергетика не менее опасна, чем тепловая. Поэтому когда благополучный западный обыватель, устанавливая на крыше своего дома солнечные панели, убежден, что он вносит этим личный вклад в «дело защиты окружающей среды и сохранения глобального климата», он глубоко ошибается. Да, возможно вблизи его местообитания среда станет немного чище. Но для планеты в целом гораздо предпочтительнее, чтобы он подключился к ближайшей угольной ТЭЦ.

Другим примером необоснованных экологических ожиданий и связанных с этим спекуляций может служить постоянный ажиотаж вокруг так называемой «водородной энергетики». При этом поклонники «экологически чистой водородной энергетики» часто забывают, что водород вообще не является первичным энергоресурсом, а лишь одним из возможных вторичных энергоносителей. Получение водорода электролизом воды при современном технологическом уровне этого процесса абсолютно нерентабельно и в промышленных масштабах практически не применяется. Промышленное производство водорода на 80 % осуществляется за счет конверсии природного газа, а остальные 20 % приходятся на долю конверсии угля, поскольку стоимость его получения из этих источников в разы ниже стоимости его получения с применением «чистых» технологий или «возобновляемых» источников. И тогда оказывается, что, например, при применении водорода на автотранспорте его полная энергетическая эффективность значительно ниже других источников энергии, например, дизтоплива, а полная эмиссия вредных веществ в атмосферу с учетом процессов его получения – значительно выше. То есть применение водорода может дать определенные выгоды с точки зрения локального снижения эмиссии вредных выбросов, например, в крупных городских агломерациях, но с точки зрения глобальной экологии представление об экологической чистоте этого источника при современных технологиях его получения – не более чем миф.

Контроль за любыми «экологически проблемными» выбросами требует значительных затрат и накладывает тяжелое бремя не только на производителя, но и, прежде всего, на потребителя. Например, власти Австралии с 1 июля 2012 года установили налог на выбросы углерода в размере примерно 25 долларов США за тонну, который будут платить примерно 500 предприятий, наиболее сильно загрязняющие атмосферу. Это приведет к повышению стоимости отпускаемой электроэнергии примерно на 1,5 цента/кВтч, а следовательно, соответствующим дополнительным затратам для потребителя. Типичная стоимость удаления основных вредных компонентов из дымовых газов электростанций (цент/кВтч):

CO2 (такса за выбросы) 1,5–3,0

SОx, 1,5–3,5

NOx, 0,5–2,0

Твердые частицы 0,5–2,8

Поэтому хотя их извлечение технически возможно, практически оно применяется лишь в редких случаях и далеко не в отношении всех компонент, чтобы стоимость поставляемой энергии не стала неподъемной для потребителя.

Прямые затраты и косвенное сдерживающее влияние экологического регулирования уже оказывает сильное влияние на экономику развитых стран. По некоторым оценкам, в отсутствие экологического регулирования ВВП США мог быть, вероятно, на 20 % выше, чем реально достигнутый. К каждому доллару прямых затрат на сокращение выбросов необходимо добавить еще 3–4 долл., потерянных за счет снижения эффективности и объема производства. На самом деле чрезмерный прессинг экологического контроля на промышленность – далеко не безобидное явление и не может основываться на философии превентивных мер. Любые дополнительные затраты энергии и ресурсов на решение экологических проблем в определенной мере всегда усугубляют те же экологические проблемы, неизбежно приводя к дополнительному расходу энергии и, следовательно, дополнительной эмиссии антропогенных загрязнений в окружающую среду. Поэтому оптимальное экологическое регулирование требует серьезного обоснования как достаточности, так и необходимости принимаемых мер. В промышленных кругах, наряду с пониманием важности экологических вопросов, одновременно зреет и сопротивление огульному экологическому экстремизму, вытесняющему промышленное производство на периферию «цивилизованного» мира, что подрывает экономику собственных стран.

Наиболее яркий пример крушения «экологических идеалов» при столкновении с реальной экономикой – ситуация с реализацией наиболее крупного в истории Человечества глобального экологического проекта – Киотского протокола по сокращению эмиссии парниковых газов. Не касаясь проблем с научным обоснованием и последствиями полной реализации предусмотренных Киотским протоколом мер (см. Арутюнов, 2001; Арутюнов, 2007), отметим, что ни одна из крупных стран, ратовавших за его реализацию, по экономическим соображениям оказалась не в состоянии выполнить взятые на себя обязательства. В 15 странах старого состава Европейского сообщества уровень эмиссии СО2 в 2004 г. не только не сократился по сравнению с уровнем 1990 г., а возрос на 4,4 %, а в Канаде за тот же период уровень эмиссии вырос на 35 %, и в итоге Канада заявила о выходе из этого соглашения. О своем отказе участвовать в выполнении обязательств в рамках второго периода соглашения Киото-2, который начался в 2013 году, заявили Россия, Япония и Новая Зеландия. Амбициозные планы авторов протокола разбились об экономические реалии.

Поэтому стратегические усилия мирового сообщества должны быть направлены, прежде всего, на более рациональное использование имеющихся в нашем распоряжении энергетических ресурсов, снижение удельной энергоемкости производства и удельного расхода энергии на поддержание достойного жизненного уровня населения. Только благодаря предпринимаемым промышленностью США усилиям там на протяжении последних лет при быстром росте ВВП удается удерживать практически стабильный уровень эмиссии парниковых газов на душу населения, что следует расценивать как наиболее весомый вклад в сдерживание темпов антропогенного воздействия на атмосферу. Выброс СО2 на 1 млн долл. произведенного ВВП сократился в США с 330 т в 1980 году до менее чем 240 т в 1998 году. Другие ведущие промышленные страны также заметно сократили или, по крайней мере, ограничили удельный выброс парниковых газов.

Рост понимания ограниченности природных ресурсов и нарастание экологических проблем заставляет мировую экономику искать пути преодоления экологических барьеров, прежде всего за счет снижения потребления первичных ресурсов. Потребности экономики стран-членов ОЭСР в природных ресурсах, рассчитываемые на 100 долл. произведенного национального дохода, должны снизиться с 2000 по 2030 г. почти в 10 раз – с 300 до 31 кг. Крупные промышленные компании все чаще отказываются от использования редких или связанных с масштабным вмешательством в природу материалов и технологий. Создание в свое время корпорацией «Кодак» метода фотографирования без серебра резко сократило рынок этого металла. То же самое произошло, когда компания «Форд» объявила о создании катализаторов для нейтрализации автомобильных выхлопов на основе заменителя платины, а производители микросхем отказались от использования золотых контактов и проводников. Мировые компании-переработчики нефти, члены API (International Petroleum Industry Environmental Conservation Association), взяли на себя обязательство на 10 % повысить в 2002–2012 годах энергетическую эффективность. Компания ExxonMobil согласилась выделить более 100 млн долл. глобальному проекту по климату и энергетике Стэнфордского университета, где исследователи работают над ускорением развития энергетических технологий, которые помогут уменьшить выбросы парниковых газов.

Развитые страны вполне естественным образом, без всяких международных соглашений и конвенций, руководствуясь, прежде всего, экономическими соображениями, ограничивают неэффективное использование природных ресурсов, тем самым снижая нагрузку на окружающую среду. Но помимо экономических соображений немалую роль в этом играет и набирающее силу общественное мнение по экологическим вопросам. При рассмотрении ситуации в таком контексте нельзя не признать, что промышленные круги развитых стран не антагонисты природоохранительного процесса, а единственная сила, способная вывести его из области демагогии в сферу конкретных мер по защите окружающей среды. Но улучшение ситуации в области охраны окружающей среды возможно только в случае, если таковое будет рассматриваться как экономическая проблема. Поэтому необходимо создавать систему экономических преференций и санкций, применяемых к компаниям и странам, стремящимся к выполнению экологических программ или им препятствующим. Предпочесть же глобальные экологические цели существенным экономическим интересам пока еще не способно население ни одной страны мира. Неудача Киотского протокола – поворотный момент, показывающий, что соответствовавшая реалиям ХХ века экологическая парадигма уходит вместе с минувшим столетием (Иноземцев, 2002).

Неизбежность экологического ущерба, наносимого самими природоохранительными мероприятиями, и неприменимость к экологическим проблемам стратегии превентивных мер делают необходимым научно обоснованный количественный расчет оптимального баланса между желаемым технологическим результатом и затратами на снижение ущерба для окружающей среды. И если стоимость предотвращения эмиссии тонны диоксида углерода доходит до 300 долларов при стоимости углеводородного сырья, дающего при сжигании эту тонну менее 100 долларов (напомним, что 1 т углеводорода дает 3 т СО2), то это значит, что мы неизбежно значительно увеличиваем наши общие энергозатраты, стоимость получаемой энергии и скорость истощения и без того дефицитных углеводородных ресурсов. Кроме того, поскольку даже в США на 1 млн долл. произведенного ВВП выбрасывается 240 т СО2 (а в других странах значительно больше, в России – в 5 раз!), причем большая часть ВВП приходится на непроизводственные, т. е. не эмитирующие СО2 отрасли, даже по минимальной оценке затрата 300 долл. на утилизацию 1 т СО2 приведет к дополнительной эмиссии нескольких сотен кг того же СО2. Таким образом, мы рискуем запустить гигантскую машину, вхолостую сжигающую наши и без того ограниченные энергетические ресурсы.

Поэтому цели глобального экологического регулирования, глобальной экологической политики должны быть коренным образом пересмотрены. Целью экологического регулирования должно быть не сдерживание неизбежных глобальных природных и антропогенных процессов, отдаленные последствия которых нам неизвестны и в настоящий момент практически непрогнозируемы, а их оптимизация с целью минимизации скорости происходящих изменений. Вопреки представлениям многих искренних приверженцев экологических идей, которые нашли свое отражение в широко пропагандировавшейся «Концепции устойчивого развития», экологическое регулирование с целью сохранения существующей биосферы не может быть стратегией развития Цивилизации. Нам уже никогда не удастся снова «вписаться» в Природу, продолжая паразитировать на огромном и отлаженном за миллиарды лет стабилизирующем потенциале биосферы. Надо ясно отдавать себе отчет, что это потребовало бы сокращения объема хозяйственной деятельности человечества, включая его численность, минимум на порядок! Готовы ли мы к этому, и как мы это реально собираемся осуществить? Да и похоже, что мы уже прошли «точку невозврата» на этом пути. Безусловно, Природу необходимо беречь, чтобы она как можно дольше демпфировала наше падение в неизвестность, но видимо, пути «естественного развития» Природы и Цивилизации уже разошлись, и это было неизбежным естественным (т. е. тоже природным!) процессом. Поэтому главная задача экологического регулирования – при минимальном дополнительном использовании природных ресурсов на природоохранную деятельность позволить Цивилизации выиграть время и технологически подготовиться к последствиям неизбежных перемен, дать ей для этого тактический тайм-аут.

6.3. Естественные климатические тенденции и эволюционный фактор в глобальном изменении температуры

А каковы естественные климатические и атмосферные тенденции и как они соотносятся с потенциальной угрозой глобального потепления в результате антропогенной деятельности? Этот очень интересный и важный вопрос сторонники экстренных и радикальных мер по сохранению климата и спасению биосферы, по вполне понятным причинам, не очень любят обсуждать. Однако мы позволим себе привести здесь мнение на этот счет известных отечественных специалистов в этой области (Яншин и др., 2003):

«Изучение изменений химического состава атмосферы в геологическом прошлом показало, что на протяжении миллионов лет преобладала тенденция к убыванию количества углекислого газа в атмосфере. <…> Уменьшение количества углекислого газа оказывало глубокое влияние на биосферу. Этот процесс приводил к понижению средней температуры нижнего слоя воздуха из-за ослабления парникового эффекта в атмосфере, что, в свою очередь, сопровождалось развитием оледенений сначала на высоких, а затем в средних широтах, а также аридизацией обширных территорий в более низких широтах.

Наряду с этим при пониженном количестве углекислого газа снижалась интенсивность фотосинтеза, что, по-видимому, уменьшало общую биомассу на нашей планете. Особенно резко указанные процессы проявлялись в ледниковые эпохи плейстоцена, когда количество углекислого газа в атмосфере неоднократно приближалось к 200 млн-1. Эта концентрация ненамного превосходит критические значения концентрации, из которых одно соответствует оледенению всей планеты, а другое – понижению фотосинтеза до пределов, делающих невозможным существование автотрофных растений. <…> Не касаясь деталей отдаленной возможности гибели биосферы в результате ее естественного развития [т. е. оледенения!], отметим, что вероятность такой гибели представляется значительной» (Яншин и др., 2003).

То есть если человечеству и грозит в будущем климатическая катастрофа, то отнюдь не в результате чрезмерного повышения, а наоборот, чрезмерного понижения температуры! Напомним, что согласно современным геологическим представлениям, мы живем как раз в пике межледниковой эпохи, и в самое ближайшее время ожидается начало очередного ледникового периода.

Таким образом, согласно выводам наших известных специалистов: «Сжигая все возрастающее количество угля, нефти и других видов углеродного топлива, человек встал на путь восстановления химического состава атмосферы теплых эпох геологического прошлого. <…> Человек непреднамеренно прекратил опасный для живой природы процесс истощения углекислого газа – главного ресурса в создании органического вещества автотрофными растениями, и сделал возможным повышение первичной продуктивности, которая является основой для существования всех гетеротрофных организмов, включая человека» (Яншин и др., 2003). Эти выводы диаметрально расходятся с тем, чем пугают нас апологеты «глобального потепления», а главное, гораздо более убедительны и научно обоснованы.

Не менее веские аргументы, сводящие на нет саму идею необходимости глобальной борьбы с потенциальным потеплением за счет ограничения использования ископаемых углеводородов, заключаются в следующем.

Во-первых, согласно алармистским сценариям борцов с «грязной углеродной энергетикой», основным источником угрожающей нам опасности являются углеводородные энергоресурсы: нефть, уголь и газ. Но даже при их самом экономном расходовании этих ресурсов человечеству хватит примерно на столетие, когда только и начнут сказываться прогнозируемые последствия антропогенного вклада в парниковый эффект. Учитывая естественную тенденцию снижения концентрации СО2 в атмосфере и ожидаемое начало нового ледникового периода, видимо можно только сожалеть о кратковременности «углеводородной эпохи» в истории мировой энергетики.

Главный же и вполне очевидный аргумент заключается в том, что в долгосрочной перспективе даже успешные меры по ограничению выброса парниковых газов все равно не смогут сдержать повышение температуры поверхности планеты в результате антропогенной деятельности – процесса, являющегося неизбежным следствием развития цивилизации. Парадокс цивилизационного развития заключается в том, что даже полный переход на источники энергии, не связанные с выделением парниковых газов, например, термоядерную энергетику, не остановит роста потока энергии, рассеиваемой цивилизацией в окружающую среду.

Уже сейчас поток энергии, потребляемый человечеством и, следовательно, рассеиваемый им в окружающую среду, превышает 0,01 % общего потока солнечной энергии на поверхность планеты. Если мы будем исходить из сценария демократического развития общества, исключающего насильственное подавление одной части населения планеты другой, то относительная стабилизация энергопотребления возможна только после достижения практически всем населением планеты уровня энергопотребления, достигнутого развитыми странами (~10 кВт/чел.). Поэтому только в ближайшей перспективе потребуется примерно 100-кратное увеличение производства энергии по сравнению с уже достигнутым уровнем. То есть независимо от вида используемых источников человечество должно будет производить и рассеивать в окружающую среду энергию, превышающую 1 % потока падающей на Землю солнечной радиации. Но для сохранения теплового баланса планеты за счет ее инфракрасного излучения в космическое пространство это потребует повышения средней температуры земной поверхности (~290 К) на ~3°C, т. е. на величину, превышающую максимально прогнозируемое повышение температуры в результате сжигания углеводородного топлива в течение текущего столетия.

Таким образом, независимо от используемых источников энергии повышение температуры поверхности нашей планеты является неизбежным следствием протекающих на ней цивилизационных процессов. Попытки же искусственно ограничить повышение интенсивности потоков преобразования энергии человечеством, видимо, равносильны попыткам остановить ход прогресса, и, скорее всего, приведут лишь к деградации общества. Настала пора признать, что экологическая стабилизация на Земле принципиально невозможна без снижения антропогенной нагрузки на биосферу, т. е. населения планеты, минимум на порядок, а также искусственного замедления темпов развития Цивилизации. Вряд ли это можно рассматривать как приемлемые для человечества варианты. Поиск путей достойного решения этой задачи – величайший вызов нашей Цивилизации за всю историю ее существования.

6.4. Перспективы развития взаимоотношений Цивилизации и Природы

Таким образом, мы видим, что проблема взаимоотношений Природы и Цивилизации, включая энергетические аспекты человеческой деятельности, гораздо глубже столь широко обсуждаемых экологических проблем, включая проблему парниковых газов и вклад энергетики в климатические процессы. Даже гипотетический полный отказ от углеродной энергетики лишь несколько отодвинул бы неизбежное в более далекой перспективе глобальное потепление в результате антропогенной деятельности. Ведь с момента зарождения нашей планеты суть происходящей на ней эволюции материи, в которой цивилизация – всего лишь один из ее закономерных этапов, состоит в создании механизмов для ускорения процессов трансформации вещества и энергии. Только ускорение процессов трансформации вещества и энергии способно поддерживать стабильное развитие таких сложных неравновесных систем, как Биосфера или Цивилизация. На протяжении всего периода существования нашей планеты и всей человеческой истории происходило непрерывное ускорение процессов возникновения новых, все более сложных биологических, а затем исторических и технологических форм организации материи. Это основной принцип эволюции, который нельзя отменить или обойти. В этом эволюционное предназначение возникновения Цивилизации, как в свое время в этом же состояло эволюционное предназначение возникновения жизни. Соответственно, наша цивилизация или остановится в своем развитии и погибнет (и тогда на ее месте неизбежно возникнет что-то иное, но подобное по сути), или будет эволюционировать, перерабатывая все большие объемы вещества и рассеивая в окружающее пространство все большее количество энергии независимо от источников ее происхождения. Поэтому попытка «вписаться» в Природу – это стратегически тупиковый путь, который рано или поздно все равно приведет к прекращению развития, а затем деградации и гибели, что наглядно демонстрируют «отсталые» народы современности. Эскимосы и аборигены тропических лесов отнюдь не «первобытные люди», они прошли большой и сложный путь, в результате которого идеально «вписались» в окружающую их природу, но заплатили за это остановкой своего развития. Такой путь можно рассматривать лишь в качестве тактического тайм-аута в преддверии качественного изменения характера развития цивилизации.

Второй потенциально возможный путь – это взять на себя все функции управления природными процессами, заменив биосферный механизм поддержания глобального природного равновесия (гомеостаза) искусственным, т. е. заменить биосферу техносферой. По сути, именно на этот путь, возможно, до конца не осознавая это, толкают нас сторонники регулирования климатических процессов. Но объем информации, циркулирующий в техносфере, еще на многие порядки уступает тому, что циркулирует в биосфере, поэтому надежность такой техносферной регуляции пока слишком низка, чтобы гарантировать человечество от гибели при даже незначительных сбоях в управляющей системе. Начав с искусственного регулирования «гибнущего» озонового слоя Земли, мы уже вынуждены анализировать негативные последствия возможности нового озонового кризиса, на этот раз из-за избытка атмосферного озона по сравнению с его уровнем, имевшим место на протяжении последних 400 млн лет. Поэтому попытка регулирования концентрации парниковых газов в атмосфере – это только начало бесконечного и безнадежного пути замены естественных биосферных регуляторов искусственными, т. е. техносферой.

Третий и, видимо, пока наиболее реальный путь – это коэволюция (Моисеев, 1997) двух природных объектов: Природы и Цивилизации. Не сохранение, а именно коэволюция, т. е. их совместная взаимная адаптивная трансформация. К чему? Этого мы не знаем и принципиально не можем предсказать. Хотя бы потому, что мы не можем предсказать результаты технологического развития даже на ближайшие 20–30 лет. Но можно предположить, что неизбежное изменение климата и других природных условий на поверхности Земли является началом движения к новому глобальному равновесию (точнее, квазиравновесию, т. к. эволюция этого «равновесия» – это тоже непрерывный процесс), новому глобальному единству Природы и Цивилизации.

Невозможность долговременного технологического и социального прогноза делает нереальными все рассчитанные на столетний период программы и рецепты алармистов по спасению Природы и Цивилизации (или Природы от Цивилизации?). Все прогнозы векового масштаба, на которых базируются их рецепты, основаны на двух заведомо нереальных предположениях. В них молчаливо предполагается линейная экстраполяция существующих технологических тенденций, т. е. отсутствие радикальных инноваций, которые принципиально не прогнозируемы (иначе это не инновации, а инжиниринг), и постулат о неизменности человека как биологического объекта и созданных им общественных отношений. Но и то, и другое нереально.

Вторая половина прошлого века убедительно опровергла подавляющую часть футуристических прогнозов. Кто в 60-х годах прошлого века предполагал появление персональных компьютеров и Интернета? И кто сомневался в скором покорении Марса и других планет? Но еще более неопределенны перспективы социального и особенно антропогенного развития. Действительно, на протяжении тысячелетий социальная эволюция практически исключала действие естественного отбора у человека. Но уровень мутационного процесса у человека остается достаточно высоким: по оценкам, в каждом поколении возникает от 1 до 10 новых генных мутаций на 1 зародышевую клетку. В соответствии с законами популяционной генетики, сохранение естественного мутагенеза приводит к накоплению патологических мутаций в популяции. По данным ООН, у современного европейского населения частота генетических нарушений с экстраполяцией на весь период жизни в 1974 г. составляла 10 %, а к 2001 г. достигла 73,8 % (т. е. какая-нибудь наследственная болезнь в течение жизни обязательно проявится почти у ¾ населения). Современная популяция человека на 90 % вакцинозависима, т. е. фактически не может существовать без постоянной медицинской поддержки. Как биологический вид мы уже оторвались от природы и можем существовать только в созданной нами искусственной среде.

Наиболее вероятно, что и далее человечество пойдет своим путем, активно используя свои достижения для трансформации самого себя. Фактически этот процесс идет уже давно и весьма активно. Мы постоянно расширяем возможности нашего организма, используя не только внешние приспособления, такие как одежда, очки, телефон, автомобиль или экран монитора, который уже стал частью физиологической структуры мозга современного человека. Мы активно корректируем недостатки организма с помощью хирургических операций, все шире используем имплантаты и искусственные органы, в том числе такие жизненно важные, как сердце. Сегодня трудно найти взрослого человека, организм которого не содержал бы таких инородных тел, как металлические штифты, мосты, коронки. Широко распространены искусственные дополнения нашего организма: кардиостимуляторы, искусственные суставы, грудные имплантаты, хирургические винты и скобы. В последние годы в мире наблюдается настоящий бум тканевой и клеточной терапии. В мире имеются уже тысячи банков тканей и клеток человека. Развивается концепция «донорства для себя», когда уже при рождении человека создаются запасы его собственного жизнеспособного материала, его стволовых клеток, способных заменить в будущем утраченные или поврежденные органы.

Наконец, генетика открывает принципиальные возможности использования человеческим организмом достижений, накопленных биосферой за весь период ее эволюции. Мы подошли к такой точке развития, когда высокоорганизованная материя в лице человека уже действительно может изменять сама себя. Если бы удалось аккумулировать в одном организме хотя бы часть экстремальных возможностей биосферы в области приспособления к условиям окружающей среды и питания, человек приобрел бы невероятные возможности. Пока это еще звучит как фантастика, но прогресс в области генной инженерии стремителен. Уже синтезирована точная копия одного из простейших бактериофагов. Ведутся работы по искусственному созданию простейшего живого организма, обладающего минимально необходимым для функционирования набором генов. А это уже открывает возможности конструирования новых форм жизни. При этом ставятся хотя и амбициозные, но вполне практические цели: создание микроорганизмов, способных эффективно продуцировать необходимый энергетике водород или поглощать атмосферный углекислый газ, т. е. решать с помощью искусственных организмов глобальные проблемы человечества.

Доступная нам сегодня информация и имеющиеся в нашем распоряжении методы генной инженерии позволяют не только влиять на естественный отбор и создавать новые организмы, но и влиять на биологическую природу самого человека, его организма и, святая святых, устройство и функционирование самого совершенного биологического органа – человеческого мозга. Мы стоим на пороге грандиозного события космического масштаба, когда созданный природой объект – человек – сам сможет изменять свою природу, свой генетический код и структуру своего мозга, т. е. носителя человеческой индивидуальности и интеллекта. Фактически это будет концом биологической эволюции и началом эволюции небиологической, когда вопрос о происхождении и структуре физического носителя интеллекта отойдет на второй план по сравнению с вопросами его эффективности и познавательных возможностей.

Уже делаются попытки вживления электронных чипов непосредственно в человеческий организм, и не кажется фантастикой расширение возможностей человеческого мышления путем вживления искусственных элементов памяти. Питание таких элементов в принципе можно обеспечить путем отвлечения части энергии из клеток человека. Следует ожидать, что в ближайшее время начнут появляться первые нейрокомпьютеры, работающие по тому же принципу, что и мозг человека. Нейронные операции – это не логические операции, которые реализуются логическими схемами, где память всегда локализована, а адресация определяется жесткой программой. Вместо этого в них используется самоорганизация системы, состоящей из большого количества элементов – нейронов – путем адаптивной настройки коэффициентов взаимодействия между ними, при этом проявляется способность нейросистемы к решению задач путем ее обучения на частных примерах, накоплению «опыта» с последующим его обобщением.

Веским доводом в пользу возможности создания искусственного интеллекта или комбинированных биотехнологических устройств служит прогресс в области нанотехнологий и электроники. Уже следующее поколение микропроцессоров будет иметь 1,7 млрд транзисторов в одном чипе, что практически равно возможностям мозга. Ведь из 14 млрд нейронов коры больших полушарий, как правило, плодотворно работают около 700 млн – всего 5 %. Комбинируя достижения генной инженерии, нанотехнологии и электроники, человечество может постепенно достигнуть такого уровня, когда уже трудно будет отличить, где кончается биология и начинается электроника.

Таким образом, «судя по признакам, обозначившимся к началу века, на него придется эпоха завершения собственно человеческой истории – той фазы эволюции, на которой ведущую роль играл вид Homo Sapiens. Основной вопрос в том, завершится вместе с ней эволюционный цикл на Земле или следствием бифуркации станет перерастание в новую, «послечеловеческую» фазу эволюции» (Назаретян, 2001). Вряд ли стоит опасаться такой перспективы или рассматривать ее как что-то не соответствующее естественным природным процессам. Вспомним, что создателями и носителями культуры на протяжении сотен тысяч лет были не люди нашего типа, а существа иных зоологических видов, например, неандертальцы или их предшественники. Для многих «печальная констатация того, что теперь и нынешний носитель культуры исчерпал свои возможности, не перекрывается даже надеждой на мягкие, компромиссные формы передачи эстафеты. Она вызывает протест и стремление найти альтернативу в духе «эгоцентрической футурологии», когда будущее – улучшенная копия настоящего, а наши потомки подозрительно похожи на нас. <…> Утешением для нас могло бы служить то, что человеческая эпопея способна положить начало следующей, более высокой фазе эволюции интеллекта. А вдохновляющим мотивом – то, что дальнейшее развитие цивилизации, даже с жертвой «человеческого качества», обеспечивает косвенную форму бессмертия личности, ее уникального творческого вклада (Назаретян, 2001).

Эти тенденции полностью созвучны представлениям выдающегося российского ученого В.И. Вернадского, который еще в первой половине прошлого века, ясно осознавая масштаб стоящих перед человечеством проблем, полагал, что «эволюция живого вещества идет в определенном направлении». Он был глубоко убежден, что «цивилизация «культурного человечества» – поскольку она является формой организации новой геологической силы, создавшейся в биосфере, – не может прерваться и уничтожиться, так как это есть большое природное явление, отвечающее исторически, вернее геологически, сложившейся организованности биосферы. <…> Все страхи и рассуждения обывателей, а также некоторых представителей гуманитарных и философских дисциплин о возможности гибели цивилизации, связаны с недооценкой силы и глубины геологических процессов, каким является происходящий ныне, нами переживаемый переход биосферы в ноосферу» (Вернадский, 2002). Ясно ощущая это, он утверждал, что человек «составляет неизбежное проявление большого природного процесса», в котором, по выражению В.И. Вернадского, человек стал «основной геологообразующей силой планеты».

Поэтому на фоне бурных социальных и экономических процессов, происходящих в современном мире, на фоне реальных проблем, стоящих перед человечеством, на пороге кардинального изменения характера цивилизации и ее взаимоотношений с Природой попытка «регулировать климат» путем исключения или ограничения использования углеродных источников энергии, скорее всего, рассыплется естественным образом. Это произойдет, как только дело дойдет до реальной необходимости колоссальных и не очень оправданных затрат. На примере озоновой истории мир уже имеет сомнительный опыт реализации попыток решения «глобальных проблем». И вряд ли захочет повторить подобную попытку. Так что можно не сомневаться, что до конца столетия углеводородные источники энергии, и, прежде всего, огромные ресурсы природного газа, будут продолжать верно служить мировой энергетике и экономике.