CC BY
25
RUDN Journal of Ecology and Life Safety
Вестник РУДН. Серия: Экология и безопасность жизнедеятельности
ISSN 2313-2310 (Print); ISSN 2408-8919 (Online) 2021 Vol. 29 No. 1 55-71
http://journals.rudn.ru/ecology
DOI 10.223 63/2313-2310-2021 -29-1-55-71 УДК 621.22
Научная статья / Research article
Климатические проблемы и гидроэнергетика как эффективный способ достижения целей Парижского соглашения
В.В. Тетельмин
Российский университет дружбы народов, Российская Федерация, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6 Всероссийское общество охраны природы,
Российская Федерация, 119017, Москва, ул. Большая Ордынка, д. 29, стр. 1
И v-tetelmin@rambler.ru
Аннотация. Энергетика ископаемого топлива и обусловленный ею рост концентрации парниковых газов в атмосфере являются основными причинами глобального изменения климата. Следуя целям Парижского соглашения, мировая энергетика начинает переводить значительную часть производства топливной энергии на производство возобновляемой энергии. Цель работы заключается в том, чтобы дать количественную характеристику некоторым процессам энерготехнологического перехода. Приводится примерная расчетная доля различных энергоисточников в мировой энергетике к концу XXI в. Ввиду ограниченности возможностей биосферы современный уровень производства энергии за счет только возобновляемых источников практически недостижим. Предлагается оптимальный сценарий снижения глобальных выбросов диоксида углерода за счет снижения использования угля на 170 млн т/год, которое обеспечит соответствующее снижение выбросов на 620 млн т/год и достижение к 2050 г. вещественного баланса углерода в системе «эмиссия - сток». При оптимальном сценарии потребуется вводить в эксплуатацию альтернативные замещающие мощности около 160 ГВт/год, при этом средняя глобальная температура дополнительно поднимется по сравнению с современной на 0,6 °С. Рассматриваются возможности и преимущества развития российской гидроэнергетики в качестве экологически и экономически эффективной альтернативы «угольным проектам». В складывающейся реальности российским гидроэнергетикам рекомендуется определить свою амбициозную долю российской квоты по снижению выбросов и вводу до 2050 г. в эксплуатацию 30 ГВт замещающей гидроэнергетической мощности с дополнительной выработкой электроэнергии до 120 ТВтч/год.
Ключевые слова: Парижское соглашение, парниковый газ, изменение климата, возобновляемые источники энергии, гидроэнергетика
История статьи: поступила в редакцию 20.11.2020; принята к публикации 30.11.2020.
© TeTeiibMHH B.B., 2021
0 I This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License https://creativecomn10ns.0rg/licenses/by/4.O/
Для цитирования: Тетельмин В.В. Климатические проблемы и гидроэнергетика как эффективный способ достижения целей Парижского соглашения // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Экология и безопасность жизнедеятельности. 2021. Т. 29. № 1. С. 55-71. http://dx.doi.org/10.22363/2313-2310-2021-29-1-55-71
Climate challenges and hydraulic power industry as a powerful tool to achieve the goals of the Paris Agreement
Vladimir V. Tetelmin
Peoples' Friendship University of Russia (RUDN University), 6 Miklukho-Maklaya St, Moscow, 117198, Russian Federation All-Russian Society for Nature Conservation, 29 Bolshaya Ordynka St, bldg 1, Moscow, 119017, Russian Federation B v-tetelmin@rambler.ru
Abstract. Fossil fuel energy and increase in concentrations of greenhouse gases in the atmosphere cause global climate change. In pursuance of the goals of the Paris Agreement, the global power industry must switch a significant part of fuel energy production to renewable energy production. The expected share of various sources in the global power industry by the end of the 21st century is provided. However, the limited possibilities of the biosphere make the current level of energy production from renewable sources nearly impossible. The most preferable scenario is proposed to reduce global carbon dioxide emissions by reducing the use of coal by 170 million tons per year, which will ensure a corresponding reduction in emissions by 620 million tons per year and the achievement by 2050 of the material balance of carbon in the "emission - flow" system. Under the most preferable scenario, it will be necessary to commission alternative replacement powers of about 160 GW per year; at the same time, the average global temperature will additionally rise by 0.6 °C compared to the current one. The prospects and advantages of the development of the Russian hydraulic power industry as an environmentally and economically efficient alternative to "coal projects" are considered. In the emerging reality, Russian hydraulic power companies are advised to determine their ambitious share of the Russian quota for reducing emissions and commissioning 30 GW of replacement hydraulic power capacities by 2050 with additional electricity generation of up to 120 TWh per year.
Keywords: Paris Agreement, greenhouse gas, climate change, renewable energy sources, hydraulic power industry
Article history: received 20.11.2020; revised 30.11.2020.
For citation: Tetelmin VV. Climate challenges and hydraulic power industry as a powerful tool to achieve the goals of the Paris Agreement. RUDN Journal of Ecology and Life Safety. 2021;29(1):55-71. (In Russ.) http://dx.doi.org/10.22363/2313-2310-2021-29-1-55-71
Введение
Человек создал максимально благоприятные условия для своего развития, вооружившись в середине XIX в. энергетикой ископаемого топлива, и с тех пор энергетически обеспеченное мировое население растет по экспоненте, разрушая естественные экосистемы и ставя тем самым под угрозу
свое будущее. По этой причине вопросы энергетической и экологической безопасности человечества являются наиболее обсуждаемыми. В XX в. человечество в 10 раз увеличило энергопотребление, в 100 раз скорость передвижения и в 1000 раз мощность оружия. В настоящее время за один день в топках и моторах сжигается около 15 млн т угля и 10 млн т нефти, а эффективная энергетическая мощность современной цивилизации приближается к 20 млрд кВт.
Гипертрофированная зависимость мировой экономики от ископаемого топлива несет в себе несколько опасностей. Первая заключается в нарастающей эмиссии парниковых газов (111) и соответствующем усилении парникового эффекта. Современные годовые выбросы мировой экономики превышают 40 млрд т СО2, из которых в атмосфере ежегодно накапливается не менее 19 млрд т основного ПГ - диоксида углерода. Миллиард автомобилей и тысячи дымовых труб расшатывают климатическую систему Земли. За 150 лет промышленного сжигания угля и нефти в атмосферу выброшено около 2 трлн т СО2, а средняя температура на планете увеличилась на 1,1 оС [1]. Вторая опасность заключается в том, что запасы угля, нефти и природного газа на Земле конечны. Если человечество будет игнорировать эти опасности и следовать сегодняшней парадигме энергообеспечения, то к концу века цивилизация окажется на подогретой планете и без нефти.
Цель исследования - дать количественную характеристику процессам энерготехнологического перехода. Происходящие климатические изменения беспрецедентны как по скорости событий, так и по их глобальному охвату. Каждые 10 лет в мире происходит потепление на 0,18 оС, в России -на 0,45 оС [1]. Накопленная климатической системой Земли тепловая энергия в количестве 52-1012 Дж меняет картину океанических течений и циркуляцию воздушных потоков, повышает уровень Мирового океана, смещает границы лесов и вечной мерзлоты, повышает частоту наводнений и засух [2]. Постепенно стирается климатическая грань между Арктикой и тропиками, отчего происходят усиленные выбросы СО2 и метана из оттаивающих веч-номерзлых пород.
Неблагоприятные и опасные гидрометеорологические явления по силе воздействия на экономику выходят на первое место. Предполагается, что к 2030 г. ущерб от глобального изменения климата составит 3,2 % мирового ВВП. Уильям Нордхаус - Нобелевский лауреат в области экономики за 2018 г. предлагает выбросы ПГ считать товаром со своей стоимостью. Эта мера приведет к отказу от широкого использования ископаемого топлива, что в первую очередь коснется России, где удельные выбросы СО2 составляют 1,3 кг/долл. ВВП, что в 4 раза больше, чем, например, в Японии и Франции.
Материалы и методы
В качестве исходных материалов использовались расчетные данные предыдущих исследований автора, данные гидроэнергетического потенциала России, а также оценочных докладов Межправительственной группы экспертов по изменению климата ООН [3-7], в которых утверждается, что влияние человека является «доминирующей причиной наблюдаемого потеп-
ления». Современная наука предсказала поджидающие человечество опасности и призывает постепенно отходить от использования ископаемого топлива, интенсивность которого нарастает год от года (рис. 1). Если предположить, что выбросы ПГ удастся прекратить прямо сейчас, то глобальная температура будет расти еще около 100 лет. Парниковый эффект обладает петлей обратной связи, его легче запустить, чем остановить [1; 3]. Чтобы прекратить антропогенный рост температуры, нужно не только прекратить выбросы, но и ежегодно улавливать из атмосферы и утилизировать около 30 млрд т СО2, чтобы в текущем столетии изъять из атмосферы 1 трлн т этого накопленного антропогенного ПГ и вернуть концентрацию этого газа в атмосфере до исходного значения 280 ррт.
Рис. 1. Абсолютное увеличение содержания СО2 и темп роста его концентрации в атмосфере Земли с 1960 г. (1 ррт - миллионная объемная доля)
Figure 1. Absolute increase in the global CO2 emission, and the growth rate of its concentration in the Earth's atmosphere since 1960
Результаты
Парижское соглашение (ПС), которое Россия ратифицировала в сентябре 2019 г., направлено на ограничение роста глобальной температуры максимальным значением 2 оС сверх доиндустриального уровня. Для достижения обозначенной цели каждая страна должна внести свой вклад в сторону ужесточения природоохранных мер, в частности ограничить антропогенные выбросы ПГ, чтобы добиться «углеродной нейтральности». Понятие «климатическая углеродная нейтральность» не требует полного исключения глобальных выбросов СО2 и допускает антропогенные выбросы СО2 в количестве около 20 млрд т/год, которые способны принять и усвоить Мировой океан и биосфера в целом. По мере роста эмиссии диоксида углерода биосфера постепенно подстраивается под новую более высокую концентрацию СО2 в атмосфере и наращивает свои фотосинтетические возможности по аккумуляции данного антропогенного газа. Этот невидимый процесс происходит за счет постепенного роста фотосинтезирующей мощности глобальной фитомассы и повышенного закисления Мирового океана. Например, в 1965 г. климатическая система Земли депонировала около 9 млрд т антропогенного СО2, а в 2015 г. уже 19 млрд т. Однако при нынешнем темпе роста сжигания ископаемого топлива биосфера не справляется с удалением из атмосферы основного парникового газа. Например, в 1965 г. остались в атмосфере непоглощенными около 5 млрд т антропогенного СО2, а в 2015 г. в атмосфере дополнительно накопилось уже около 18 млрд т СО2.
В 2017 г. мировая добыча угля, нефти и газа достигла 11,5 млрд т нефтяного эквивалента (1 т н. э. = 44,76 ГДж), произведено и использовано энергии за счет возобновляемых источников энергии (ВИЭ) 945 млн т н. э., на атомных станциях (АЭС) - около 500 млн т н. э. Таким образом, человечество подошло к объему использования энергии в быту, промышленности и на транспорте в количестве 13 млрд т н. э. в год.
Из этого количества Россия использует промышленной энергии около 700 млн т н. э. в год. Кроме этой «классической» энергии человечество использует около 71012 кВтч/год «энергии жизни», заключенной в продуктах питания [2]. Примерное состояние энергетического обеспечения человеческой цивилизации схематично представлено на рис. 2.
Теоретический потенциал источников возобновляемой энергии солнечного происхождения характеризуется следующими значениями (кВтч/год): гидравлическая энергия 0,41014; энергия ветра 211014; солнечная энергия 1500 1014 [8]. Однако по экономическим и экологическим причинам реализовать этот потенциал в полной мере не представляется возможным. Для получения энергии в промышленных масштабах с использованием солнца и ветра требуются огромные территории, в то время как площадь мировых земельных ресурсов ограничена и составляет 130 млн км2 (87 % площади суши). К концу XXI в. расчетная доля различных энергоисточников в мировой энергетике будет примерно соответствовать значениям, приведенным в табл. 1 [4]. Однако ввиду ограниченности возможностей биосферы современный уровень производства энергии в объеме 160 • 1012 кВтч/год только за счет приведенных в табл. 1 долей ВИЭ труднодостижим.
Рис. 2. Энергетика Земли и цивилизации, кВт-ч/год: 1 - лучистая энергия, получаемая Землей от Солнца, и приливная - от Луны; 2 - трансформация получаемой Землей космической энергии в различные формы, доступные для использования человечеством: приливная энергия, тепловая энергия фотонов, ветровая и волновая энергия, энергия испарения воды и океанических течений, энергия синтезируемой биомассы; 3 - объем использования человечеством различных форм возобновляемой энергии; 4 - объем использования человечеством невозобновляемой энергии, полученной Землей в прошлые исторические эпохи: энергия ископаемого топлива (время образования 50-100 млн лет назад), геотермальная энергия (время образования 4,5 млрд лет назад), атомная энергия (время образования более 5 млрд лет назад)
Figure 2. Energy of the Earth and civilization, kWh per year: 1 - radiant energy received by the Earth from the Sun and tidal energy from the Moon; 2 - transformation of the cosmic energy received by the Earth into various forms available for human: tidal energy, heat energy of photons, wind and wave energy, water evaporation and ocean currents energy, biomass synthesis energy; 3 - amount of various forms of renewable energy used by human; 4 - amount of nonrenewable energy used by human received by the Earth in past historical epochs: energy of fossil fuels (formed 50-100 million years ago), geothermal energy (formed 4.5 billion years ago), atomic energy (formed more than 5 billion years ago)
Таблица 1
Примерная доля различных источников в мировой энергетике
Годы Уголь Нефть Газ Биомасса ГЭС АЭС Ветер Солнце
1900 60 3 2 33 2 - - -
2000 28 36 20 5 3 5 1 1
2100 5 5 18 18 6 6 18 18
Table 1
Approximate share of various sources in the global power industry
Years Coal Oil Gas Biomass Hydroelectric Nuclear Wind Solar
energy energy energy energy
1900 60 3 2 33 2 - - -
2000 28 36 20 5 3 5 1 1
2100 5 5 18 18 6 6 18 18
Задача современной мировой энергетики заключается в переводе большей части производства 1301012 кВтч/год топливной энергии на производство возобновляемой энергии. Для решения этой задачи целесообразно использовать площадь пустынь, неудобий и акваторию шельфа, так как сокращать площадь лесов нельзя из экологических соображений, а с сельскохозяйственных угодий - из соображений продовольственной безопасности цивилизации. Развитые страны активно переходят на низкоуглеродную экономику (табл. 2), включающую в себя снижение инвестиций в угольную отрасль и снижение субсидирования использования угля. В 2019 г. страны ЕС произвели с помощью ветра и солнца более 500 млрд кВтч электроэнергии, за счет чего снизили сжигание угля примерно на 260 млн т/год и, соответственно, снизили эмиссию СО2 примерно на 930 млн т/год. В европейских странах движущими силами успешно осуществляемых перемен в энергетике являются высокие налоги и тарифы, а также активность горожан, которые смотрят на налоги как на инвестиции в здоровую и качественную жизнь в будущем.
Таблица 2
Темп ввода установленной мировой мощности различных видов ВИЭ в период 2013-2018 гг., ГВт
Мощность 2013 2018 Прирост, %
Общая 1563 2351 50
ГЭС 1136 1293 14
ВЭС 300 564 88
СЭС 140 486 248
Биоэнергетика 85 116 37
Геотермостанции 11 13,3 24
Table 2
Rate of commissioning of the available global capacities of various types of renewable energy
sources in 2013- -018, GW
Capacity 2013 2018 Growth rate, %
Total 1563 2351 50
Hydroelectric power stations 1136 1293 14
Wind farms 300 564 88
Solar power plants 140 486 248
Bioenergy 85 116 37
Geothermal stations 11 13,3 24
В освоении ВИЭ особенно преуспел Китай, который первым в своей конституции провозгласил курс на строительство «экологической цивилизации», а к 2060 г. предполагает добиться «углеродной нейтральности». В настоящее время солнечные и ветровые электростанции Китая ежегодно про-
изводят 630 млрд кВтч, а гидравлические - 1300 млрд кВтч, что в 7 раз превосходит годовое производство всех российских ГЭС. Обоснованная оценка «незатронутого» экономического потенциала российских рек и приливных электростанций огромна - до 930 ТВтч/год. Современная Россия к широкому освоению своих гидроэнергетических ресурсов пока не приступала, уровень их использования является самым низким среди развитых стран.
Таблица 3
Объемы выбросов основных парниковых газов в России, млн т СО2-экв.
Парниковый газ 1990 2000 2010 2015
СО2 2590 1504 1663 1675
СН4 942 634 827 860
N2O 183 99 95 91
Всего 3768 2275 2603 2651
Table 3
Volumes of emissions of the main greenhouse gases in Russia, million tons of equivalent
Greenhouse gas 1990 2000 2010 2015
СО2 2590 1504 1663 1675
СН4 942 634 827 860
N2O 183 99 95 91
Total 3768 2275 2603 2651
Россия занимает четвертое место в мире по антропогенным выбросам ПГ (4,8 %), данные о которых представлены в табл. 3 [9]. Если отслеживать динамику выбросов ПГ предприятиями России с 2000 г., когда началось восстановление российской экономики, то видно, что общие выбросы увеличились. В энергетическом секторе России выбросы за этот период также увеличились с 1,84 до 2,20 млрд т СО2-экв.
В ближайшее время заработает концепция «углеродного следа», в соответствии с которой по всему миру предлагается вводить углеродный налог -плату за выбросы эквивалента диоксида углерода. Многие европейские страны давно ввели такой налог. Например, Великобритания с 2013 г. ввела налог в размере 25 долл./т СО2, после чего энергетические компании начали быстро переходить с угля на природный газ. Страны ЕС собираются взимать дополнительную трансграничную углеродную пошлину с экспортной продукции из стран, где подобная «углеродная» регуляторная мера не принята на государственном уровне. Эти меры в ближайшем десятилетии обеспечат ценовой паритет себестоимости энергии от возобновляемых и топливных источников. Россия как страна с доминирующим использованием топлива в энергетическом и экспортном балансе оказывается в группе очевидного риска, однако исторической отсрочки происходящего наступления глобального изменения климата ожидать не следует.
Парижское соглашение, по существу, предлагает перейти к новой цивилизации - цивилизации возобновляемых источников энергии. В сегодняшних кризисных условиях мировая экономика постепенно «отсоединяется» от потребления ископаемого топлива и наращивает безуглеродное про-
изводство энергии. К сожалению, в России заметных подвижек в пользу низкоуглеродных источников энергии не наблюдается: объем парниковых выбросов отечественной индустрией в течение последних 20 лет увеличился на 12 % и приблизился к 2,7 млрд т/год. Современная мощность развивающейся мировой солнечной и ветровой энергетики превышает 1200 ГВт, и Россия только к 2024 г. планирует ввести 5,5 ГВт соответствующей мощности, а ввод новых крупных ГЭС вообще не предусматривается. На фоне мировых тенденций выглядит противоречащей здравому смыслу последняя версия Энергетической стратегии РФ, предполагающая «положительную динамику объемов добычи угля». При этом Россия занимает второе место в мире по выбросам СО2 на душу населения - 11,7 т/год при среднемировом 4,8 т/год. Это означает, что Россия с ее преимущественно сырьевым экспортом размещает на своей территории наиболее загрязняющую часть глобальной производственной цепочки. Страны-импортеры получают российскую сырую нефть, алюминий и никель в чушках, необработанные алмазы и лес-кругляк, делают из них продукцию с высокой добавленной стоимостью и втридорога продают эту продукцию России.
Достижению целей ПС мешают «климатические скептики», которые утверждают, что человечеству не следует бороться с глобальным потеплением, а нужно всего лишь «адаптироваться к происходящим изменениям окружающей среды». Как писал Марк Твен, «чаще всего мы попадаем в неприятности не потому, что чего-то не знаем, а потому, что не верим в то, что знаем». Эти «активисты» должны понять, что переход к возобновляемым источникам энергии и есть истинное проявление адаптации, которая в полном ее понимании решает две задачи: во-первых, тормозит рост глобальной температуры; во-вторых, готовит человечество к скорому исчерпанию углеводородов. Если Россия с большим экологическим следом своей продукции не будет проявлять активности по декарбонизации экономики, то при введении таможенных платежей в 25 евро за тонну СО2 потери нашего экспорта по разным оценкам составят от 4 до 6 млрд евро/год. Руководством к действию для предприятий «рентного бизнеса» прозвучали слова на недавнем форуме «Россия вперед», сказанные советником президента РФ, о том, что низкоуглеродная повестка - ключевой фактор в развитии российского экспорта.
Пока же мало что делается, чтобы снять Россию с «иглы сырьевого экспорта» и тем самым вывести страну из состояния стагнирующей экономики. Россия отстает в темпах экономического развития: за последние 30 лет российский ВВП вырос всего на 20 %, в то время как объем мирового ВВП за эти годы увеличился в 2,2 раза. В то же время Комитет по климату Российского союза промышленников и предпринимателей (РСПП) выступает против инициативы ЕС по введению трансграничного углеродного регулирования (ТУР), называя ее «дискриминацией предприятий-экспортеров». В данном случае РСПП не ставит амбициозных задач по достижению Россией углеродной нейтральности к 2050 г., как того требует Парижское соглашение и как это успешно осуществляют ведущие страны мира. Попытки крупного российского бизнеса оттянуть энерготехнологический переход только
углубляют экологический и социально-экономический кризисы, делая их в ближайшие годы драматичными для российского бюджета.
Глобальный переход к низкоуглеродной энергетике целесообразно начинать со снижения сжигания угля как наименее энергоемкого и в то же время наиболее загрязняющего вида топлива, которого в мире добывается более 8 млрд т/год и которое находится на первом месте по глобальным выбросам СО2 - не менее 24 млрд т/год. При сокращении выбросов СО2 на 1 т за счет снижения использования нефти необходимо производить с помощью замещающей возобновляемой энергетики 3660 кВтч, а для замещения «угольной тонны» выбросов СО2 требуется выработать всего 1530 кВтч замещающей зеленой энергии. Таким образом, уголь в энергетике замещать легче и менее затратно по сравнению с выводом из обращения и замещением энергетической нефти. Именно по этой причине мировая энергетика в первую очередь начинает активно избавляться от угля. Естественно, что при переживаемом человеческой цивилизацией энерготехнологическом переходе нельзя допустить снижения достигнутого уровня энергообеспечения, а также снижения уровня жизни семей миллионов шахтеров.
Таблица 4
Сценарии снижения глобальных выбросов СО2 за счет снижения использования угля при фиксированном уровне стока диоксида углерода 22 млрд т/год
Снижение сжигания угля, млн т/год Снижение выбросов, млн т/год Год выхода на баланс по углероду Рост СО2 в атмосфере, ppm Итоговая концентрация СО2 в атмосфере, ppm Рост температуры,° Темп ввода замещающей мощности, ГВт/год
170 620 2050 38 458 0,6 160
255 930 2040 25 445 0,5 240
340 1240 2035 19 439 0,4 320
425 1550 2032 15 435 0,3 400
Table 4
Scenarios to reduce global CO2 emissions by reducing the use of coal at a fixed level of carbon dioxide flow of 22 billion tons per year
Reduction in coal burning, mln tons/year Reduction of emissions, mln tons/year Year of achieving carbon balance Increase in atmospheric CO2, ppm Final atmospheric CO2 concentration, ppm Temperature increase, ° Replacement capacity input rate, GW/year
170 620 2050 38 458 0,6 160
255 930 2040 25 445 0,5 240
340 1240 2035 19 439 0,4 320
425 1550 2032 15 435 0,3 400
В дальнейших расчетах можно принять, что из современных 41 млрд т/год глобальных антропогенных выбросов СО2 для достижения глобальной углеродной нейтральности достаточно снизить выбросы на 19 млрд т/год, так как остальные 22 млрд т/год диоксида углерода поглощаются Мировым океаном и мировой растительностью. В расчетах также примем, что достижение углеродной нейтральности мировым сообществом будет осуществляться исключительно за счет снижения использования энергетического угля, при сжигании 1 т которого выбрасывается 3,6 т СО2. Примем также следующие условия: при выработке 1 кВтч электроэнергии на угольной ТЭС расходуется
0,45 кг угля с удельным теплосодержанием 20 МДж/кг; КПД-нетто 32 %; коэффициент использования установленной мощности [10] солнечными электростанциями (СЭС) равен 15 %, ветровыми (ВЭС) - 25 %, гидравлическими (ГЭС) - 40 %.
Годы
1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050
Рис. 3. Сценарии темпов глобального снижения использования энергии угля, млн т/год: 1 - выбросы СО2 общие; 2 - выбросы СО2 от сжигания ископаемого топлива; 3 - поглощение выбросов СО2 растительностью суши и Мировым океаном; 4 - момент начала снижения сжигания ископаемого топлива и выбросов; 5, 6, 7, 8 - темпы снижения сжигания угля 170, 255, 340, 425 млн т/год соответственно
1970 19S0 1990 2000 2010 2020 2030 2040 20S0
Figure 3. Scenarios of the rates of global decline in the use of coal energy, million tons per year: 1 - total CO2 emissions; 2 - CO2 emissions from burning of fossil fuels; 3 - absorption of CO2 emissions by ground vegetation and the World Ocean; 4 - moment of the start of the decline in fossil fuel burning and emissions;
5, 6, 7, 8 - rate of decline in coal combustion 170, 255, 340, 425 million tons per year respectively
Для решения климатической проблемы человечество может в сфере энергетики реализовать несколько сценариев, отличающихся по темпу снижения выбросов диоксида углерода в атмосферу (табл. 4). Наиболее осуществимым их них является следующий: начиная с 2021 г. человечество ежегодно снижает использование угля на 170 млн т, что обеспечит снижение выбросов СО2 примерно на 620 млн т/год (рис. 3). При таком сценарии вещественный баланс углерода «эмиссия - сток» будет достигнут примерно к 2050 г. при накопленной к тому времени концентрации СО2 в атмосфере около 460 ppm (рис. 4). Темп снижения сжигаемой массы угля на 170 млн т/год с общей теплотворной способностью 944 млрд кВтч/год подтверждается возможностью обеспечения замещения выводимой из эксплуатации мощности тепловой энергетики альтернативными источниками энергии. Реальность по-
добного замещения подтверждается введенной в мире в 2017 г. мощностью 140 ГВт альтернативной (солнечной, ветровой, гидравлической и атомной) генерации.
I960 1980 2000 2020 2040 2050
Рис. 4. Реальный рост концентрации в атмосфере антропогенного СО2 (1) и его прогнозируемая стабилизация (2) при снижении глобальных выбросов на 620 млн т/год
I960 1980 2000 2020 2040 2050
Figure 4. Real increase in the concentration of anthropogenic CO2 in the atmosphere (1) and its predicted stabilization (2) with a decrease in global emissions by 620 million tons per year
Для выполнения Россией обязательств по достижению углеродной нейтральности к 2050 г. достаточно в энергетическом секторе снижать сжигание угля на 8 млн т/год (4,8 % доли России от мирового уровня) и одновременно с этим обеспечивать рост совокупной выработки 14 млрд кВтч/год электроэнергии всеми видами ВИЭ. Чтобы обеспечить названный ежегодный рост выработки замещающей альтернативной электроэнергии потребуется ежегодно вводить в эксплуатацию или 10,6 млн кВт/год мощности СЭС, или 6,4 млн кВт/год мощности ВЭС, или 4,0 млн кВт/год мощности ГЭС. При примерно одинаковой стоимости капитальных затрат на единицу вводимой мощности использование зеленой гидравлической энергии в качестве замещающей угольную энергетику является наименее затратной и более эффективной.
Сегодняшняя ситуация в России во многом напоминает эпоху вековой давности - начала реализации в 1920 г. Плана ГОЭЛРО по реконструкции всех отраслей экономики с опережающим развитием энергетики: та же подсеченная пандемией экономика, тот же доминирующий сырьевой экспорт, тяжелый экологический кризис, та же политическая и санкционная блокада со стороны коллективного Запада. Можно сказать, что реализация и отзвук того грандиозного плана в значительной степени определяют современную отечественную экономику и энергетику. Необходимость и масштаб создания обновленной энергетической отрасли России, а также необходимость и значимость отхода от сырьевого экспорта ископаемого топлива таковы, что могут стать базисом разработки нового современного плана ГОЭЛРО-2.
Мы видим, что «невидимая рука рынка» много лет не может вывести Россию на путь устойчивого развития. Здесь без жесткого государственного регулирования не обойтись. Представляется, что сегодня самое подходящее время обратиться к успешному опыту молодой Советской Республики и подготовить соответствующий «дерзновенный проект», предусматривающий достижение целей Парижского соглашения, переход к электрификации страны на основе проверенной гидравлической и других видов возобновляемой энергии, а также сокращение экспорта ископаемого топлива за счет развития современных высокотехнологичных угле- и нефтехимических производств. В складывающейся реальности российским гидроэнергетикам следует определить свою амбициозную долю российской квоты по вводу до 2050 г. замещающей мощности ВИЭ. Масштаб и значимость доли новой гидроэнергетики в ВИЭ могут стать базисом современного плана ГОЭЛРО-2.
В настоящее время установленная мощность мировых ГЭС составляет 1,3 млрд кВт, которые вырабатывают около 4,2 1012 кВтч/год, то есть менее половины от теоретически возможного уровня. Особенно преуспел в освоении гидроэнергоресурсов Китай, который в последние годы ежегодно вводил в эксплуатацию более 20 млн кВт мощности ГЭС, а к 2050 г. планирует удвоить мощность гидроэнергетики. В Бразилии три крупнейшие ГЭС -Итайпу, Бело Монте и Тукуруи - вырабатывают 169 млрд кВтч/год - ровно столько вырабатывают все ГЭС России. В развитых странах, где ресурсы углеводородов близки к исчерпанию, освоено от 60 до 90 % гидроэнергопо-тенциала.
К сожалению, в России уровень использования гидроэнергоресурсов остается самым низким среди развитых стран мира - не более 20 % гидропотенциала. Обоснованная оценка неиспользованного гидроэнергетического потенциала рек России составляет 660 ТВтч/год [5]. При соответствующих инвестициях российские гидростроители, используя советский опыт, могут вводить в эксплуатацию в период 2025-2050 гг. в среднем по 1 ГВт в год гидроэнергетических мощностей с обеспечением общей дополнительной выработки до 120 ТВтч/год (табл. 5).
Нельзя исключать из сферы внимания гидроэнергетиков возможности приливных станций (ПЭС). Природные условия России позволяют построить ПЭС с суммарной мощностью 120 тыс. МВт и годовой выработкой «лунных киловаттов» 270 ТВтч. С 1966 г. во Франции успешно работает ПЭС «Ля Ранс»
мощностью 240 кВт с амплитудой приливов до 8 м. За время работы станция давно себя окупила и производит 640 млн кВтч/год себестоимостью всего 1,8 цента за кВтч. В 2011 г. в Южной Корее введена в строй ПЭС мощностью 254 МВт с годовой выработкой 553 ГВтч. Сегодня там в стадии строительства находятся две более мощные станции на 520 МВт и 1,3 ГВт. Еще во времена СССР были спроектированы более мощные проекты Тугурской ПЭС на Охотском море мощностью до 8 ГВт и Мезенской ПЭС на Белом море мощностью до 24 ГВт и годовой выработкой 40 млрд кВтч. Таким образом, в современном мире с его экологическими кризисами и скачками цен на нефть, газ и уголь гидравлическая энергия современных и будущих ГЭС России выглядит надежной и чистой.
Таблица 5
Пример возможной выработки электроэнергии на новых ГЭС России к 2050 г.
Бассейн Экономически обоснованный гидропотенциал, ТВт-ч/год Дополнительная выработка, ТВт-ч/год
Каспийский 65 5
Баренцево-Беломорский 34 5
Енисейский 283 60
Ленский 235 30
Обский 73 10
Амурский 32 5
Северо-Восточные моря - 5
Table 5
Example of potential electric energy generation at new hydro-electric power stations in Russia by 2050
Basin Economically justified hydro potential, TeraWatt-hour/year Additional generation, TeraWatt-hour/year
Caspian 65 5
Barents-White Sea 34 5
Yenisei 283 60
Lena 235 30
Ob 73 10
Amur 32 5
Northeast Seas - 5
В России экологически и экономически эффективной альтернативой «угольным проектам» является развитие гидроэнергетики, которая является наиболее чистым способом получения финальной энергии. В состав плана ГОЭЛРО-2 может естественно вписаться федеральная целевая программа развития гидроэнергетики с четким обозначением показателей по срокам и поэтапному вводу порядка 30 ГВт гидроэнергетической мощности. Гидроэнергетика как основной источник зеленой энергии и как наиболее прибыльный способ получения финальной энергии всегда рентабельна: себестоимость киловатт-часа составляет не более 5 центов. В мире на 1 кВтч электроэнергии производится до 1 долл. продукции и услуг в составе ВВП -это означает, что эффект от инвестиций в эту отрасль многократный. Нужно вернуться к рассмотрению вариантов строительства таких крупных сибирских ГЭС, как Братская и Саяно-Шушенская, общая выработка которых превышает совокупную выработку всех станций Волжско-Камского каскада.
Освоение российской Арктики и портов Северного морского пути потребует мощной энергетической инфраструктуры, основу которой могут составить ГЭС в бассейнах таких рек, как Нижняя Тунгуска, Подкаменная Тунгуска, Индигирка, Лена, Колыма, Анадырь, а также мощные приливные станции в бухтах Белого, Баренцева и Охотского морей с обеспечением суммарной выработки до 120 ТВтч/год.
Естественной составной частью ГОЭЛРО-2 может стать Стратегия долгосрочного развития РФ с низким уровнем выбросов ПГ до 2050 г. Хорошим подспорьем плану станет разрабатываемый проект федерального закона «О госрегулировании выбросов парниковых газов», закладывающий меры по снижению выбросов: сборы за превышение уровня выбросов, углеродный налог, квотирование, углеродная отчетность. План ГОЭЛРО-2 перенаправит миллионы тонн угля от сжигания в котлах на развитие в шахтерских городах углехимии с крупнотоннажным производством метанола, водорода, синтез-газа и сотен других полезных продуктов. В соответствии с планом ГОЭЛРО-2 российские добывающие компании перенаправят большую часть экспортного потока из миллионов тонн угля и сырой нефти в сторону экспорта продукции отечественной угле- и нефтехимии с высокой добавленной стоимостью. Собственное развернутое производство синтетических продуктов из угля и нефти гарантированно наполнит российский бюджет и создаст сотни тысяч новых высокооплачиваемых рабочих мест. План должен предусматривать ускоренную газификацию не «чуждой нам Европы», а собственных населенных пунктов, чтобы над городами нашей Родины было голубое, а не черное небо.
Заключение
Человечество находится в начале долгого пути по развитию альтернативных способов получения энергии. Подключение России к Парижскому соглашению Рамочной конвенции ООН по изменению климата является политически и экономически оправданным шагом. Активное участие России в Парижском соглашении во многом решит вопросы стабилизации климата и развития отечественной экономики и, что важно, не позволит России отстать от технологической революции.
Следуя целям Парижского соглашения, мировая энергетика должна перевести значительную часть производства топливной энергии на производство возобновляемой энергии. К концу XXI в. доли различных источников в структуре мировой энергетики видятся следующими: тепловая - 28 % с доминированием газового топлива; солнечная, ветровая и биоэнергетика -по 18 %; гидроэнергетика - 6 %. Ввиду ограниченности ассимиляционных возможностей биосферы современный уровень производства промышленной энергии 160 1012 кВтч/год только за счет возобновляемых источников практически невозможен.
Наименее напряженным и затратным сценарием достижения углеродной нейтральности к 2050 г. является снижение глобальных выбросов диоксида углерода за счет снижения использования угля на 170 млн т/год, которое обеспечит соответствующее снижение глобальных выбросов на 620 млн т/год и достижение вещественного баланса углерода в системе «эмиссия - сток».
При реализации данного сценарии необходимо вводить в эксплуатацию около 1б0 ГВт/год альтернативных замещающих мощностей, в результате чего к 2050 г. концентрация диоксида углерода в атмосфере увеличится до 4б0 ppm, а глобальная температура повысится до 1,7 оС по сравнению с доиндустри-альным уровнем.
Доля России в процессе глобального снижения использования угля до 2050 г. составляет S млн т/год с обеспечением роста выработки на 14 млрд кВтч/год замещающей электроэнергии с помощью ВИЭ. Подобное увеличение выработки электрической энергии может быть обеспечено, например, за счет ежегодного ввода 10,б млн кВт мощностей солнечных станций или 4,0 млн кВт мощностей гидравлических станций.
Гидроэнергетику следует уверенно позиционировать как источник возобновляемой зеленой энергии, являющийся естественным продолжением солнечной энергетики, развитие которой экологически и экономически целесообразно в качестве альтернативы «угольным проектам». В складывающейся реальности российским гидроэнергетикам следует определить свою амбициозную долю российской квоты по вводу до 2050 г. замещающей альтернативной энергетики.
Одним из прогрессивных решений по достижению Россией целей Парижского соглашения является широкое строительство ГЭС в Сибири и на Дальнем Востоке, а также приливных станций на шельфе и маневровых гид-роаккумулирующих станций в европейской части России. Необходимо в обсуждаемом правительственном проекте документа «Стратегия долгосрочного развития РФ с низким уровнем выбросов парниковых газов до 2050 г.» предусмотреть разработку федеральной целевой программы ускоренного развития гидроэнергетики с четким обозначением показателей по срокам и поэтапному вводу к 2050 г. в эксплуатацию до 30 ГВт общей гидроэнергетической мощности с дополнительной выработкой электроэнергии до 120 ТВт-ч/год.
Список литературы
[1] Юлкин М.А. Низкоуглеродное развитие: от теории к практике. М.: АНО «Центр экоинвестиций», 201S. S0 с.
[2] Тетельмин В.В., Пимашков П.И. Биосфера и человек. Глобальное потепление. М.: ЛЕНАНД, 2020. 330 с.
[3] Тетельмин В.В. Физика и проблемы антропогенного изменения климата // Вестник РАЕН. 2019. № 4. С. 29-35.
[4] Tetelmin V.V., Grachev V.A. Limits to the growth of the world alternative energy // American Scientific Journal. 2019. Vol. 1. No. 2б. Pp. 4б-52.
[5] Асарин А.Е., Данилов-Данилян В.И. Гидроэнергетический потенциал России // Энергетика России: труды Научной сессии РАН. М.: Наука, 200б. С. 315-32б.
[6] IPCC AR5, 2013. Climate ^ange 2013. The physical science basis. Cambridge: Cambridge University Press, 2013. 1535 p.
[7] IPCC. 2014 b. Climate ^ange 2014. Impacts, adaptation and vulnerability. Part A. Global and sectoral aspects. Contribution of Working Group II to the Intergovernmental Panel on Climate Change / ed. by C.B. Field, V.R. Barros, D.J. Dokken. Cambridge: Cambridge University Press, 2014. 1132 p.
[S] Лю Ч. Глобальное энергетическое объединение. М.: Изд. дом МЭИ, 201б. 512 с.
[9] Соловьянов А.А. Климат, российская энергетика и Парижское соглашение // Сборник трудов Всероссийского НИИ охраны окружающей среды. М.: ВНИИ Экология, 2019. С.96-106.
[10] Фортов В.Е., Поппель О.С. Энергетика в современном мире. М.: Интеллект, 2011. 168 с.
References
[1] Julkin M. Low-carbon development: from theory to practice. Moscow: ANO Publ.; 2018. (In Russ.)
[2] Tetelmin VV, Pimashkov PI. Biosphere and human. Global warming. Moscow: LENAND Publ.; 2020. (In Russ.)
[3] Tetelmin VV. Physics and problems of global climate change. Bulletin of the Russian Academy of Natural Sciences. 2019;(4):29-35. (In Russ.)
[4] Tetelmin VV, Grachev VA. Limits to the growth of the world alternative energy. American Scientific Journal. 2019;1(26):46-52.
[5] Asarin AE, Danilov-Danilyan VI. Hydropower potential of Russia. Energy of Russia: Proceedings of the Scientific Session of the Russian Academy of Sciences. Moscow: Nauka Publ.; 2006. p. 315-326. (In Russ.)
[6] IPCC AR5, 2013. Climate ohange 2013. The physical science basis. Cambridge: Cambridge University Press; 2013.
[7] Field CB, Barros VR, Dokken DJ. (eds.) IPCC. 2014 b. Climate ohange 2014. Impacts, adaptation and vulnerability. Part A. Global and sectoral aspects. Contribution of Working Group II to the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge: Cambridge University Press; 2014.
[8] Lu C. Global Energy Consolidation. Moscow: MEI Publ.; 2016. (In Russ.)
[9] Soloviyanov AA. Climate, Russian energy and the Paris Agreement. Trudy VNII Okhrani OS. Moscow: VNII Ecologiya Publ.; 2019. p. 96-106. (In Russ.)
[10] Fortov VE, Poppel OS. Energy in the modern world. Moscow: Intellekt Publ.; 2011. (In Russ.)
Сведения об авторе:
Тетельмин Владимир Владимирович, доктор технических наук, академик РАЕН, председатель Научно-технического совета, Всероссийское общество охраны природы, профессор Института экологии, Российский университет дружбы народов. E-mail: v-tetelmin@ rambler.ru
Bio note:
Vladimir V. Tetelmin, Doctor of Technical Sciences, Academician of the Russian Academy of Natural Sciences, Chairman of the Scientific and Technical Council, All-Russian Society for Nature Conservation, Professor of the Institute of Ecology, Peoples' Friendship University of Russia (RUDN University). E-mail: v-tetelmin@rambler.ru
