Возобновляемая энергетика: слова и их значение
Справа на КДПВ вы видите мою машину. При расходе 5 литров солярки на сто километров (на самом деле несколько меньше) и среднем для России пробеге в 16,7 тысяч километров в год она выбрасывает в атмосферу приблизительно 2.2 тонны углекислоты за год (литр солярки образует 2.66 кг углекислоты (.pdf)). Количество зарегистрированных автомобилей на планете превысило миллиард. Сжигание ископаемого топлива личным автотранспортом считается одной из основных причин антропогенной эмиссии CO2.
Слева на КДПВ вы можете видеть мою печку. Весь холодный сезон, с осени до весны я топлю ее дровами. Как говорит нам ВОЗ (.pdf), около трех миллиардов людей на планете пользуются твердым топливом для обогрева или приготовления пищи. За не самый долгий, потому как южный, отопительный сезон я сжигаю порядка пятнадцати кубометров дров, выбрасывая в атмосферу приблизительно 9 — 10 тонн углекислого газа*. Поскольку дрова относятся к возобновляемому биотопливу, отопление ими считается углерод-нейтральным и не вносящим вклада в антропогенную эмиссию CO2.
*Готовых чисел для пересчета дров в углекислоту я не нашел, и в любом случае это гораздо менее точные значения. Впрочем, исходя из массы кубометра дров и массовой доли углерода в древесине, расчет количества углекислоты не представляется особо сложной задачей.
— Знаем, знаем! — скажете вы, — Углерод древесины участвует в углеродных циклах, регулярно попадая в атмосферу без посторонней помощи, а углерод солярки из этих циклов был довольно давно выведен и захоронен глубоко под землей, пока мы его не вернули в атмосферу.
Этот прекрасный довод не учитывает всего лишь одного. Те деревья, которые я сжигаю этой зимой в печи, росли несколько десятков лет. В будущем году снова настанет зима, и мне придется купить и сжечь следующие пятнадцать кубометров дров. И через год придется. И так каждый год. Если этой весной я, желая обеспечить топливом будущие зимы, посажу саженцы, выросшие из них деревья срубят на дрова уже мои сыновья: я же к тому времени, как это ни печально, давно распрощаюсь с этим миром.
Иначе говоря, характерное время оборота той части углеродного цикла, которая включает в себя древесину, составляет как минимум многие десятки лет. Эксперты же ООН, говоря о грозящей нам опасности, оперируют скорее первыми десятками лет. Разница на полпорядка.
В критической ситуации:, а если у нас осталось всего десять лет для действий, то ситуация несомненно критическая — разница в полпорядка представляется достаточно серьезным доводом для дальнейших размышлений.
Будем знакомы: углеродный след.
Это относительно новая концепция, пытающаяся ввести единый сравнимый показатель ущерба для природной среды, исчисляемый как количество выброшенного в атмосферу углекислого газа. Как и любой единый показатель, он не чрезмерно хорош в деталях, но крайне удобен для целей оценки и управления. Он подвержен также всем типичным проблемам единых показателей (в качестве хорошего примера можно рассмотреть располагаемые финансы в качестве единого показателя полезности члена общества).
Не описывая эту концепцию во всех деталях, отметим, что в ее рамках могут существовать действия, не приводящие к дополнительным выбросам CO2 в атмосферу, или даже связывающие некоторое количество атмосферной углекислоты. Из возможности существования таких действий напрямую вытекает идея углерод-нейтрального топлива, использование которого, еще раз — либо не приводит к выбросам углекислоты в атмосферу, либо вместе с выбросами порождает процессы связывания атмосферного CO2. В рамках концепции углеродного следа использование такого топлива, понятное дело, должно всемерно поощряться.
К сожалению, заметную часть* управленческих решений, принимаемых в области углерод-нейтральной энергетики, можно и нужно относить к обширному классу, в просторечии именуемому профанациями.
*На всякий случай уточню. Под заметной частью следует понимать «заметную часть», а не «большинство» или тем более «все». Я не проводил анализа всех решений по управлению возобновляемой энергетикой, но именно те, которые я здесь критикую, хорошо заметны. В том числе по результатам: вырубки неплохо видны на космических снимках.
Нет, разумеется: национальные органы власти и наднациональные организации призывают «принять срочные, беспрецедентные и масштабные меры», а также «сократить выбросы углекислого газа почти наполовину к 2030-му году и свести их до нуля к 2050-му году».
Очередные «британские ученые» высчитывают углеродные следы даже для бутербродов, делая выводы буквально же космического масштаба.
И в то же время Агенство охраны окружающей среды США (EPA) объявляет «a new decision on the carbon neutrality of forest biomass.» (Новое решение об углерод-нейтральности лесной биомассы)
Евросоюз издает директиву, в которой прямо призывает «In order to exploit the full potential of biomass, the Community and the Member States should promote greater mobilisation of existing timber reserves» (Для использования полного потенциала биомассы… требуется содействие максимальной мобилизации существующих запасов древесины).
Ну, а под нашими родными осинами активно дискутируется вопрос признания возобновляемым ресурсом торфа, характерное время накопления которого исчисляется тысячами лет.
К какому, говорите, году надо сократить выбросы наполовину?…
Радостные вести от правительств оказались немедленно подхвачены бизнесом. Цитирую без ссылки, по запросу «дровяное отопление углерод-нейтрально» подобной радости вы в количестве найдете и без моей помощи.
Дровяное отопление — возобновляемый источник энергии. Мы первыми на рынке каминов рассчитали углеродный след наших каминов: воздействие производства и доставки камина до клиента удается нивелировать уже за 1–2 года эксплуатации. Таким образом мы помогаем решить проблемы с отоплением домов и сохранить окружающую среду.
Действительно, если уж ваш бизнес внезапно оказался полезен природе, этот факт просто просится в рекламный ролик!
Фактически, под флагом развития возобновляемой энергетики мы видим очередную итерацию уничтожения естественных экосистем, на этот раз даже не на стройматериалы, продукты питания и прочую целлюлозу, а попросту на дрова.
Что происходит?
Дополняющей к концепции углеродного следа является идея углеродных квот. Она довольно проста: давайте введем потолок для выбросов углекислоты. Все, что выше потолка, будет облагаться штрафом — недоиспользованную же квоту можно продать, кому нужнее. На международном уровне идея вроде бы даже прижилась: если есть товар, покупатели тоже найдутся. За покупателями подтянутся биржи, фьючерсные контракты, деривативы, опционы… ну вы поняли.
Существенно важный момент: платит загрязнитель, источник эмиссии CO2. Если же эмиссия случилась не просто так, а с использованием углерод-нейтральных технологий, то ее как бы и не случилось. И платить, получается, вроде бы и не за что. Вот он, приводной ремень лесозаготовок на дрова, модно называемых теперь «энергией из биомассы», а также настойчивых попыток пропихнуть сюда же сжигание торфа.
Так ли это хорошо, как кажется?
Давайте посмотрим, что происходит в окружающей действительности.
Естественные экосистемы с точки зрения углеродного баланса представляют собой хранилища углерода, огромный углеродный буфер, находящийся в динамическом равновесии со средой. Именно благодаря динамическому равновесию, присущему многим химическим системам, состав атмосферы поддерживается постоянным с очень хорошей точностью. За последние несколько сотен лет объем этого буфера существенно уменьшен природопреобразующей деятельностью человека, и продолжает уменьшаться с возрастающей скоростью.
Несколько упрощая, для оценки ситуации весь углерод на планете мы можем разделить на находящийся в атмосфере (на самом деле еще и растворенный в океане, но его можно рассматривать, как пропорциональную часть от атмосферного), депонированный и захороненный.
Захороненный — это нефть и уголь, и карбонатные пласты морских отложений. Без специально прилагаемых внешних усилий вернуться в биологические круговороты он не может никак. Находящийся в атмосфере тоже более-менее понятен.
Депонированный же — это углерод, связанный в настоящее время в органическом веществе биосферы. В круговоротах он участвовать не перестал, и в атмосферу он, несомненно, вернется: один вопрос, когда именно. Длительность пребывания в депонированном виде сильно вариабельна. Так, свежесвязанная фотосинтезом в конце апреля углекислота может вернуться в атмосферу после травяного пала уже в начале мая. С другой стороны, в нерубленом и не горевшем лесу или в степном черноземе (там, где еще остались степи: таких мест на планете уже совсем немного) связанный углерод может существовать не одно тысячелетие, переходя по трофическим цепям между разными организмами. Ну, а для извлечения углерода из торфяной залежи требуется уже вполне себе геологический катаклизм, хотя бы локальный.
Если 78% азота, как считается, унаследованы Землей от абиогенной эпохи, то за содержание кислорода и углекислоты полностью ответственна биосфера. На протяжении времени, сильно превышающего время существования человека, как вида, она контролирует состав атмосферы с большой точностью.Строго говоря, составом атмосферы ее обязанности не ограничиваются, особенно в наземных экосистемах, где растительный покров обеспечивает наличие и чистоту пресной воды, ограничивает эрозию, формирует почвы и так далее. Ни один вид животных или растений сам по себе такими свойствами не обладает. Для этого нужна, извиняюсь за аллюзию, стройная система сдержек и противовесов, отрицательных обратных связей и буферных элементов.
Экосистема.
Любая экосистема так или иначе взаимодействует с окружающей средой, обмениваясь с ней потоками вещества и потребляя энергию. По мере заселения изначально безжизненной территории (этот процесс называется сукцессией и насчитывает довольно длинный ряд стадий) она накапливает запас органики, складывающийся из так называемых биомассы и мортмассы. Это довольно простые понятия: биомасса — все, что входит в состав живых организмов; мортмасса, соответственно, это неживая биогенная органика. Гумус, лесная подстилка, сухие стволы и прочий торф. Соотношение биомассы и мортмассы может довольно сильно различаться: например, в экваториальных лесах ее относительно немного, уж больно там биота активная, любую дохлую органику подъедает практически мгновенно. А на каком-нибудь торфяном болоте соотношение будет обратным. Но в обеих случаях мы имеем дело с накопленным запасом органических веществ, тем самым депонированным углеродом.
Процесс накопления органического вещества экосистемы называется продуцированием, а само это вещество — продукцией.
Извлечением углерода из атмосферы занимаются в основном зеленые растения, использующие для этого солнечную энергию. Все остальные члены экосистемы используют для жизни энергию химических связей из накопленной растениями органики. Сами растения, впрочем, тоже расходуют часть накопленной органики для поддержания жизнедеятельности. Результатом этого процесса становится выброс в атмосферу углекислого газа. Этот процесс называется дыханием.
Очень грубо процесс становления экосистемы можно разделить на два этапа. На первом экосистема активно накапливает запасы органического вещества, карбоновое депо: на втором же входит со средой, в том числе и с атмосферным углеродом, в динамическое равновесие. Второй этап именуют зрелыми экосистемами, климаксными сообществами и еще всякоразно; вокруг содержания этих терминов и их смысла в ботанике сломано копий поболе, чем было в Мамаевой рати, но экологическая суть от этого не меняется. А состоит она в равенстве продукции с дыханием. Связывания углерода и возвращения его в атмосферу.
Здесь, на Хабре, время от времени озвучивается аргумент про мертвое дерево, которое после разложения возвращает в атмосферу весь связанный углерод. Для одиночного дерева это (с изрядной натяжкой: даже одиночное дерево будет поедено дереворазрушающими грибами и насекомыми, а также внесет свою долю органики в почву) будет верно. Но для леса, в котором на всякую бесхозную органику очень быстро находятся свои охотники; более того, эти охотники специализируются на добыче конкретных форм бесхозной органики — в общем случае для леса этот аргумент неверен. Только для достижения климакса в сообществе естественным путем должно смениться как минимум несколько поколений деревьев. Но и с его достижением все еще далеко не закончилось.
Климаксное сообщество, как и любая химическая система, находящаяся в динамическом равновесии, взаимодействует с окружающей средой в полном согласии с известным нам из химии принципом Ле Шателье: при внешних изменениях равновесие смещается в сторону компенсации этих изменений. Иначе говоря, при повышении концентрации CO2 оно начнет активнее синтезировать органику, депонируя дополнительный углерод в био- и мортмассу. Оценок подобного дополнительного объема я не нашел, но исходя из личных наблюдений и общих соображений +10% можно смело брать за довольно консервативное значение.
Насколько эффективна может оказаться такая компенсация?
Только на лесопокрытой площади Земли, а это приблизительно треть площади суши, количество депонированной органики исчисляется в пересчете на углекислоту несколькими триллионами тонн. Казалось бы, антропогенная эмиссия с ее жалкими тридцатью миллиардами на этом фоне бледнеет и теряется, доли процента, дробина слону. Если бы не тот печальный факт, что старых, достаточно близких к равновесию сообществ на планете осталось не так много, и площадь, ими занимаемая, продолжает сокращаться. А более ранние стадии развития или восстановления (вообще-то это не одно и то же) характеризуются значительно, как минимум на порядок меньшим объемом карбонового депо, причем для восстановления прежнего объема даже при отсутствии следующих нарушений, что в общем случае неочевидно, потребуются не первые сотни лет. Те самые несколько поколений деревьев.
Причем при добыче древесины, в том числе для «углерод-нейтрального» отопления, в первую очередь вырубаются леса, уже прошедшие заметную часть этого неблизкого пути.
Собственно с углеродным следом на этом месте тоже наблюдается некоторое лукавство. В реальности после вырубки естественного или близкого к таковому леса, того самого зрелого сообщества: даже если вывезти и использовать все порубочные остатки, на территории вырубки остается очень много органики, которая в качестве органики без существующего лесного полога существовать не согласна и не будет. Это специфические лесные травянистые растения, теневыносливые и влаголюбивые, это мхи и прочие печеночники, наконец, это лесная почва, лишенная напочвенного покрова, содранного трелевкой, и стремительно окисляющаяся при прямом контакте с атмосферой.
Вернемся к началу. Что такое мое сезонное отопление, пятнадцать кубометров дров? Это примерно 0,1 гектара среднего леса в Нечерноземной полосе России, и примерно шесть тонн сухой древесины. А всего на одной десятой гектара такого леса у нас будет тонн тридцать биомассы, и от десяти до тридцати мортмассы. Итого сорок-шестьдесят тонн органического вещества. Вот оно, карбоновое депо, про которое я говорю.
Куда делась разница? Так как естественные циклы переиспользования органики на этой территории разрушены, а продолжать существование большая часть лесной биоты без леса не в состоянии, то большая часть в экстренном порядке отправилась пополнять антропогенную эмиссию углекислого газа. Или находится в процессе такой отправки. Еще некоторая часть будет использована в процессе послерубочного восстановления леса: экосистемы, конечно же, имеют механизмы восстановления. Но эта часть, смею вас уверить, не окажется чрезмерно велика.
К слову сказать, подобное окисление почвенной органики характерно для любого обнаженного грунта, например, для распаханного поля. Знаменитые черноземы сгорают за первые десятки лет. Мне довелось побывать на одном из тех мест, где за век до меня В.В. Докучаев описывал двухметровой мощности слой чернозема. Кусочки известняка, суглинок, сантиметров десять слегка гумусированного слоя. Всего-то и потребовалось, что распахать после войны, да поперевыполнять план по сдаче зерна государству. А два метра чернозема — это несколько тысяч лет почвообразования, и минимум пара центнеров углекислоты с каждого квадратного метра.
Если верить, к примеру, вот этому учебнику основ экономики природопользования, изданному в 2005-м году, тропические леса вырубаются со скоростью 13 миллионов гектаров в год. В статье Википедии про обезлесивание приводится более осторожная оценка в 6 миллионов гектаров в год, но делается оговорка, что эта оценка учитывает только официальные данные государственных органов по управлению лесами. Примерно представляя себе масштабы самовольных рубок в третьем мире, лично я готов счесть тринадцать миллионов достаточно взвешенной оценкой.
Пересчитывая биомассу вырубаемых лесов на углекислоту, мы можем предположить, что только в тропических лесах ежегодно из карбонового депо изымается количество углерода, с лихвой перекрывающее годовую разницу между антропогенной эмиссией и текущей утилизацией углекислоты. Грубая (а точной, увы, не получится) оценка разницы между облесенностью планеты сейчас и где-нибудь в начале голоцена дает нам дельту в несколько триллионов тонн потенциально депонированного углерода.
В таком положении дел, пожалуй, даже наличествует свой извращенный плюс. В сугубо фантастическом варианте моратория на лесозаготовки и прочие средоразрушающие работы ближайшие несколько столетий нам не нужно будет беспокоиться о продуктах сгорания ископаемого топлива. Карбоновые депо планетарных сообществ сейчас, как никогда ранее в истории, далеки от заполненности. Их последовательным уменьшением занимались много веков.
Разумеется, не я один такой умный. Когда я подбирал материалы к этой статье, по запросу «wood burning carbon neutral» встречается в основном отнюдь не реклама каминов, а жесткая критика подобного подхода: раз, два, три и так далее. К сожалению, на русском языке таких материалов намного меньше, и они далеки от занятия первых страниц выдачи поисковых машин.
В сухом остатке у нас остается простой вывод. Если вы поощряете дровяное отопление, если вы поощряете переход на «экологически чистую» бумажную упаковку: вообще если вы считаете изъятие долговременно накопленной в экосистемах органики углерод-нейтральным — поздравляю, вы действующий агент рептилоидов, для которых нынешний климат Земли, как известно, несколько холодноват. Таким образом с антропогенной эмиссией CO2 не борются, таким образом ее можно только увеличить.
А существует это самое потепление в реальности, или нет, что делать и кто виноват — это уже, как говорится, совсем другая история, и рассказывать ее, строго говоря, надо вовсе не мне.
P.S. Эту статью я писал слишком долго. Строго говоря, первый, несколько недоработанный вариант появился год назад. Окружающая действительность не стала ждать: в конце декабря на сайте Европейской Комиссии появилось свежепринятое дополнение, критерии устойчивости, принятые, если я верно понимаю, на декабрьской же конференции по энергетике и устойчивому развитию.
— Biofuels cannot be grown in areas converted from land with previously high carbon stock such as wetlands or forests.
— Biofuels cannot be produced from raw materials obtained from land with high biodiversity such as primary forests or highly biodiverse grasslands.
Это уже похоже на попытку привести административное управление в минимальное соответствие с реальностью. Хорошая новость.
Посмотрим на дальнейшее развитие событий.
