Декарбонизация национального и глобального энергоснабжения – постепенный сдвиг в сторону сжигания топлива с более низким содержанием углерода и выработки первичного электричества – может рассматриваться как наиболее благоприятная с экологической точки зрения форма дематериализации, поскольку она снижает удельные выбросы CO2 , наиболее важного парникового газа, а также выработку подкисляющих оксидов серы и азота и твердых частиц. Этот процесс – естественный результат постепенного перехода от переработки твердого ископаемого топлива к жидкому и газообразному и увеличения доли первичной электроэнергии (гидроэлектроэнергии, энергии Солнца и ветра, ядерной и геотермальной энергии) в общем объеме энергоснабжения. Эти переходы в свою очередь были вызваны потребностью в более высокой удельной мощности окончательного использования электроэнергии: поддержки урбанизации, индустриализации, повышения интенсивности перевозок и уровня жизни. Древесина (и древесный уголь) были основным источником тепловой энергии в доиндустриальной деревне, и в умеренном климате Европы мощность их сжигания составляла всего 10 Вт/м2 жилой площади в небольшом одноэтажном доме. Сжигание угля в четырехэтажном жилом доме требует более 200 Вт/м2 , современные высотные здания (с подогревом в северных широтах, кондиционером в субтропиках и тропиках) потребляют более 1000 Вт/м2 . Даже если учитывать площадь улиц и парков, густонаселенные современные города требуют 50-100 В/м2 постоянного энергоснабжения. Поэтому Джессе Аусубель (Ausubel, 2003, стр. 2) пришел к выводу, что «наиболее предпочтительной конфигурацией энергетической системы с компактным распределением потребителей является сеть, в которой есть возможность постоянной подачи и отбора энергоносителя с различной скоростью». Очевидно, что природный газ, который безопасно и надежно доставлять по трубопроводам, сжигать в современных высокоэффективных печах, с температурой, легко контролируемой путем сброса или перепрограммирования термостата, и при сжигании которого выделяется только H2 O и CO2 , лучше, чем жидкое топливо, которое необходимо хранить в цистернах и развозить конечным потребителям грузовиками, и несопоставимо лучше, чем уголь – маломощный, громоздкий и грязный источник тепловой энергии, который, сгорая, выделяет твердые частицы и SO2. Связь очевидна: энергоемкие современные общества основываются на использовании источников с высокой плотностью энергии, что стало возможным благодаря комбинации высокой энергоемкости лучшего топлива с относительно высокой эффективностью его использования. Удельная энергоемкость видов топлива различается примерно в 3 раза: сухая древесина имеет энергоемкость 18-20 ГДж/т, большинство видов энергетического угля – 22-26 ГДж/т, продукты нефтепереработки находятся в узком диапазоне от 40 до 44 ГДж/т, а тонна природного газа дает 53,6 ГДж энергии. Это распределение объясняется большим содержанием водорода в более энергоемких топливах. При сжигании чистого углерода выделяется 32,8 ГДж/т, чистого водорода – 142 ГДж/т: виды топлива с более высоким содержанием водорода будут иметь более высокую энергоемкость. Декарбонизацию можно рассматривать либо как снижение содержания углерода, либо как повышение содержания водорода, а выражать как отношение атомов углерода к атомам водорода в конкретных видах топлива и в совокупном национальном или глобальном энергопотреблении. Древесина состоит в основном из целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина и содержит обычно около 50% углерода и лишь около 6% водорода. Обычный каменный уголь по массе содержит 65% углерода и 5% водорода, топливо, получаемое путем переработки сырой нефти, (бензин и керосин) содержит 86% углерода и 13% водорода, а метан (CH4 ), очевидно, состоит из 75% углерода и 25% водорода по массе. Если принять среднюю энергоемкость абсолютно сухой древесины за 19 ГДж/т, то при полном окислении такого топлива высвободится 30 кг углерода/ГДж. Сжигание качественного битуминозного каменного угля будет высвобождать примерно 25 кг углерода/ГДж (что означает, что при замене древесины на уголь высвободится на 10-15% меньше углерода на единицу энергии); типичный для очищенного жидкого топлива коэффициент выбросов составляет около 20 кг углерода/ГДж (то есть на 20-25% ниже, чем для угля); при полном сгорании метана высвобождается всего 15,3 кг углерода/ГДж, почти на 20% меньше, чем при сжигании бензина, на 40% – каменного угля и на 50% – древесины. В случае, когда используются усредненные значения массовых долей углерода и водорода, равные 50% и 6% соответственно, древесина имеет атомное отношение водорода к углероду, равное 1:4. Но это не соотношение тех атомов, при сгорании которых выделяется тепловая энергия: большая часть водорода в древесине не окисляется, потому что гидроксильные радикалы (OH∙), содержащиеся в целлюлозе и гемицеллюлозе, выделяются в воздух на ранних стадиях горения (Shafi zadeh, 1981). Фактическое соотношение водорода и углерода в древесине варьируется, но не превышает 0,5 по сравнению с 1,0 для угля, 1,8 для топлива, полученного в результате обработки сырой нефти (бензина и керосина) и 4,0 для метана (фактическое соотношение природного газа незначительно ниже из-за наличия более высоких гомологов: C2 H6 и C3 H8 кроме CH4 ). Для сравнения, в то время, когда американский ученый Джесс Аусубель (2003) наметил исторический сдвиг в сторону декарбонизации, он работал со следующим средним соотношением H:C: 0,1 для дерева (на наш взгляд, слишком низко), 1 для угля, 2 для сырой нефти и, естественно, 4 для метана. Декарбонизация современного энергоснабжения началась в США (уже во второй половине XIX века), но этот процесс широко распространился и ускорился только после Второй мировой войны. Если сделать сравнения, основанные на видах топлива по энергоемкости, а не по массе, то высокоуглеродистые виды топлива (древесина и уголь) в 1900 году составляли 94% общемировой выработки энергии, а в 1950 году – 73%, но к 2000 году их доля снизилась примерно до 38%. Декарбонизации также способствовал рост первичной электроэнергии (гидроэлектричества и ядерной энергии): ее доля в общемировом показателе первичной энергии возросла со всего лишь 2% в 1950 году до примерно 10% спустя полвека. Однако интеграция отдельных компонентов топлива показывает, что в XX веке уголь обеспечивал значительно больше энергии, чем сырая нефть – примерно 5,3 иоттаджоулей, тогда как нефть – 4 (Smil, 2010). Благодаря быстрому росту добычи угля в Китае после 1990 года, доля угля в мировом показателе глобальной первичной энергии в 2010 году оказалась немного выше, чем в 1990 году. Природный газ, содержание углерода в котором минимально среди всех видов топлива, в 2000 году по-прежнему обеспечивал не более 25% всей энергии топлива, а в 2010 году – немногим более 27%, несмотря на то, что во всем мире его добыча выросла более чем в два раза в период с 1980 по 2010 год: от примерно 1,4 до почти 3,2 триллиона м3 (BP, 2013). В результате общая углеродоемкость ископаемого топлива во всем мире за весь XX век снизилась совсем немного: в 1900 году она составила примерно 25 кг углерода/ГДж ископаемого топлива, к 1950 году – 22,5 кг углерода/ГДж, и почти не изменилась к 2000 году (22,3 кг углерода/ГДж) – всего на 10% за столетие. После этого рост добычи природного газа нейтрализовал последствия роста добычи угля в странах Азии, и мировой показатель углеродоемкости упал примерно на 6% за 10 лет и в 2010 году составил 20,9 кг углерода/ГДж. Декарбонизация выглядит более выраженной, если рассчитать показатели по отношению к общемировым запасам первичной энергии, в том числе биотоплива и безуглеродного первичного электричества (гидроэлектричества, ядерного, ветряного и солнечного электричества): знаменатель (запасы первичной энергии) становится больше, но и делитель растет в силу выбросов CO2 от сжигания дерева и пожнивных остатков (в 1900 году при их сжигании высвобождалось больше CO2 , чем при сжигании угля, и к 2000 году их доля по-прежнему составляла около 17% от общего числа). Если включить все виды энергии, то тенденция к декарбонизации после 1900 года становится более явной: мировые показатели снижаются с примерно 27,5 кг углерода/ГДж в 1900 году до 21,2 кг углерода/ГДж в 2010 году – на 23% за 100 лет. Глобальная тенденция к обессериванию кажется еще более выраженной: сероемкость общих запасов первичной энергии за 110 лет снизилась примерно на 60%. Показатель мировой декарбонизации, выраженный в атомном отношении водорода к углероду в ископаемых топливах (кроме древесины), вырос с 1 в 1900 году (когда 95% всей энергии ископаемого топлива обеспечивал уголь) до примерно 1,6 к 1950 году и 1,8 к 1980, но в следующие 20 лет выровнялся на уровне 1,9, а к 2010 году снизился до 1,83. Это плато, за которым последовало некоторое снижение, было вызвано невероятно быстрым ростом добычи угля в Китае – примерно с 600 Мт в 1980 году до 3,25 Гт в 2010 году; в результате атомное отношение углерода к водороду в ископаемых топливах в Китае оставалось на уровне 1,15 в период с 1980 по 2000 год, а после этого, несмотря на большой рост расхода углеводородов (за десять лет сжигание сырой нефти выросло почти в два раза, а природного газа – более чем в четыре раза), поднялось лишь до 1,17 к 2010 году. Когда Чезаре Марчетти (Marchetti, 1985) нарисовал график изменения атомного отношения водорода к углероду в ископаемых топливах, он обнаружил, что долгосрочные тенденции указывают на достижение мирового показателя 3 к 2010 году, тогда как реальный показатель составил всего 1,83. Он предвидел переход глобальной экономики к метану (отношение водорода к углероду – 4) вскоре после 2030 года и преимущественное использование водорода (на основе массовой генерации H2 без ископаемых видов топлива) в последние десятилетия двадцать первого и начале двадцать второго века. Еще через два десятилетия Джессе Аусубель, основываясь на исторических данных о тенденции к декарбонизации, ожидал, что «метан, возможно, будет обеспечивать 70% первичной энергии вскоре после 2030 года» и что «крупномасштабное производство безуглеродного водорода должно начаться к 2020 году» (Ausubel, 2003). В действительности процесс декарбонизации с 1990 года замедлился, в динамике глобального показателя отношения водорода к углероду наблюдается стагнация, использование природного газа выросло с 26% мирового потребления ископаемого топлива до 29% к 2000 году, а к 2010 – снизилось до 28%. Прирост составил 8% за два десятилетия, а чтобы поднять газ до 70% мирового потребления ископаемого топлива к 2030 году, потребуется 250%, что очень сомнительно. Аусубель был прав, предвидев для природного газа куда более важную роль, чем казалось возможным в 1980-х, но его прогнозы относительно роста потребления качественного водородного топлива сбываются очень медленно. В любом случае, все утверждения, верные для относительной и абсолютной дематериализации глобального материального потребления, верны и для удельной и абсолютной декарбонизации глобального энергоснабжения: в обоих случаях очевидно значительное относительное снижение показателей, которое будет продолжаться, но как не было никакого абсолютного снижения мировых показателей материального потребления, так не было и сокращения в выработке углерода и выбросах CO2 в мировом масштабе. Верно как раз обратное: выбросы углерода от сгорания ископаемого топлива в мировом масштабе возросли с менее чем 550 миллионов тонн углерода в 1900 году до около 1,6 миллиарда тонн в 1950 году и почти 6,8 миллиарда тонн в 2000 году, и после увеличения на 35% за десять лет установился новый рекорд – 9,13 миллиарда тонн углерода (или 33,5 миллиарда тонн CO2 ) в 2010 году (CDIAC, 2013). Такая же ситуация наблюдается во всех крупнейших странах мира: в двадцатом веке США стали выделять в атмосферу в 8,6 раз больше углерода, Япония в 62,8 раз, а Китай – в 35 700 раз (и это чистая правда!). Во всех западных странах в последнее время наблюдается четкое замедление роста выбросов CO2 : за 25 лет с 1985 по 2010 год выбросы углерода в США выросли на 22% (или на 24%, если учитывать выбросы, произведенные за границей при производстве импортных товаров, тогда как за 25 лет с 1960 по 1985 год прирост этого показателя составил 63%), в Японии количество выбросов выросло на 18%, а в Германии – снизилось на 27%, в основном в силу упадка экономии Западной Германии после воссоединения. В то же время выбросы CO2 в Китае возросли в четыре раза, а в Индии – почти на 430% (CDIAC, 2013). Вывод ясен: хотя процесс удельной декарбонизации запасов топлива в мире, затянувшийся на многие поколения, значительно замедлился во второй половине XX века, он продолжится в ближайшие десятилетия, в первую очередь благодаря большим успехам в добыче природного газа; что касается общих запасов первичной энергии в целом, их росту должны поспособствовать достижения в выработке гидроэлектроэнергии, ветряного и солнечного электричества. Несмотря на это, никаких значимых спадов в выбросах CO2 в абсолютном выражении не предвидится – и, разумеется, атмосферные процессы и уровень поглощения исходящей радиации в будущем определяются абсолютным содержанием газа в атмосфере, а не сокращением их удельного содержания на единицу продукта или услуги. За исключением некоторых природных газов, которые представляют собой почти чистый метан, смесей CH4 и более высоких гомологов серии алканов с прямой цепью (в основном C2 H6 и C3 H8 ), все виды ископаемого топлива содержат некоторое количество серы: от менее чем 0,5% в наиболее легкой (с наименьшим содержанием серы) сырой нефти до более 4% в низкокачественном буром угле: в каменном угле и сырой нефти, реализуемой по всему миру, чаще всего содержится 1,5–2% серы (Smil, 2008). Более 90% производимой человеком серы высвобождается в результате сжигания ископаемого топлива, а остальное – при плавлении меди, цинка и свинца. Выбросы SO2 окисляются до сульфатов и выпадают в виде кислотных осадков (а также сухих кислотных осадков), которые влияют на почвы, растения, водные и наземные экосистемы, а также повреждают металл, известняк и мрамор. Эти последствия особенно заметны во всей Западной и Центральной Европе, восточной части Северной Америки и в Китае. Рост сжигания ископаемых видов топлива сопровождался увеличением выбросов SO2 приблизительно с 20 миллионов тонн в 1900 году до чуть более 58 миллионов тонн в 1950 году; пик – примерно 150 миллионов тонн – был достигнут в 1979- 80 гг. (Smith и соавт., 2010). Но, в отличие от углерода, этот абсолютный прирост выбросов серы сопровождался выраженным удельным обессериванием: согласно нашим подсчетам, сероемкость снизилась с 465 г серы/ГДж в 1900 году до примерно 400 г серы/ГДж в 1950 году и 270 г к 1980 году. В среднем у углеводородов, занимающих главенствующее положение в глобальном энергоснабжении, содержание серы гораздо меньше, чем в угле, а сырая нефть с высоким содержанием серы и природный газ, богатый H2 S, обычно обессериваются перед сжиганием. После 1980 года тенденция к обессериванию усилилась благодаря практике обессеривания дымовых газов на крупных угольных электростанциях. Обессеривание дымовых газов устраняет SO2 благодаря реакциям с основными соединениями (главным образом, известью или молотым известняком); основной продукт – CaSO4 – либо закапывается, либо используется в производстве древесноволокнистых плит. Этот процесс был выведен в коммерческий оборот в 1970-х, и к 2000 году около 40% мировых заводов по производству угля уже проводили обессеривание дымовых газов в том или ином объеме (Smil, 2008). Уровень снижения выбросов был впечатляющим: в США они сократились почти вдвое в период с 1970 (первый год, когда Агентство по охране окружающей среды США начало вести подсчеты) по 2000 год (USEPA, 2013); во всем мире относительные выбросы SO2 сократились примерно до 175 г серы/ГДж к 2005 году, а абсолютные выбросы – до 107 тонн (Smith и соавт., 2010). По мере того, как в Европе и Северной Америке выбросы сокращались, в Индии и Китае они быстро росли: в период с 1990 по 2005 год выбросы SO2 в Китае и Индии выросли в два раза, до более 32 миллионов тонн в год и около 10 миллионов тонн в год соответственно; сочетание сильного сокращения выбросов на Западе и их значительного увеличения на Востоке привело к небольшому снижению выбросов SO2 в мировом масштабе: со 121 миллиона тонн в 1990 году до 112 миллионов тонн в 2005 году. Однако рост выбросов в Азии внес большую неопределенность в общемировые оценки. Например, сравнение шести оценок выбросов SO2 в Китае (лидирующая в мире страна-источник загрязнений) показывает, что разница между наименьшим и наибольшим значением за 2000 год составляет 38%, а за 2005 год – 35%, причем самые низкие итоговые значения предлагает Министерство электроснабжения Китая (Lu и соавт., 2010). Каким бы ни было общее число, кажется, что даже китайские выбросы наконец начали снижаться с 2007 года, когда обессеривание дымовых газов стало применяться во многих новых (и некоторых старых) угольных электростанциях Китая – это сокращение подтвердил инструмент измерения общего уровня озона, установленный на борту спутника НАСА Aura (Li и соавт., 2010). Еще одно событие после 2007 года, которое помогло сократить мировые выбросы SO2 – это сильнейший после Второй мировой войны экономический кризис: за 2010 год всего 103 миллиона тонн, почти на треть меньше общемирового рекорда в 1980 году – а это значит, что удельное значение выбросов серы составило всего 118 г серы/ГДж, на треть меньше показателя 2000 года (Klimont и соавт., 2013) . Несмотря на неопределенность в расчетах, вывод остается неизменным: в отличие от выбросов CO2 , дематериализация серных выбросов в мировом масштабе была не только удельной, но и абсолютной, и она произошла, несмотря на растущие темпы сжигания угля благодаря эффективному техническому решению (обессериванию дымных газов). К сожалению, декарбонизация дымовых газов представляет собой технически гораздо более трудную задачу, чем их обессеривание, а в последние годы было слишком много пустых обещаний ее скорого внедрения и нереалистичных прогнозов (Metz и соавт., 2005; Muradov и Veziroglu, 2012). В течение следующих двух десятилетий должно стать понятно, возможна ли эффективная (и недорогая) декарбонизация крупных стационарных источников электроэнергии или лучшим способом декарбонизации остается изменение состава общих первичной запасов энергии.
Источник: Создание современного мира. Материалы и дематериализация. Глава 5.