Дорога к двум градусам, часть первая: возможные сценарии эмиссии, связывание углерода, и биоэнергия

Опубликовано 16 ноября 2015 года, автор Andy Skuce

В этом сообщении рассматривается возможность массового и быстрого развертывания систем связывания и хранения углерода (англ. CCS), а также возможность реализации технологии негативно-эмиссионного биоэнергетического связывания и хранения углерода (англ. BECCS), фигурирующей в большинстве сценариев МГЭИК, в которых удается избежать опасного глобального потепления. Некоторые наблюдатели сомневаются в возможности развертывания этих технологий в нужных масштабах и в требуемых временных рамках. Это первая из трех частей серии сообщений о вызове удержания глобального потепления на рубеже 2 ° C.

Сценарии выбросов, которые были использованы для получения концентрации парниковых газов, ведущей к 2 ° С, значительно различаются, но большинство из них требуют огромного по масштабам развертывания систем связывания и хранения углерода (CCS), а также суммарной отрицательной глобальной эмиссии в конце двадцать первого века. Как правило, единственным методом достижения негативной эмиссии, рассматриваемым в этих сценариях, является биоэнергетическое связывание и хранение углерода (BECCS) плюс изменения в землепользовании, в частности, высадка лесов. Для общего отрицательного итога выбросы СО2 должны быть меньше отрицательной эмиссии.

Кевин Андерсон (2015) (текст в открытом доступе) сообщает, что из 400 сценариев, которые имеют 50% или больше шанс непревышения 2 ° C, 344 предполагают масштабное применение технологии отрицательной эмиссии. В остальных 56 сценариях выбросы достигают пика в 2010 году, чего, как мы знаем, не произошло.

Fuss и др. (2014) (pdf) показывает, что из 116 сценариев, которые приводят к концентрации 430-480 частей на миллион CO2 эквивалента, 101 сценарий требует суммарной отрицательной эмиссии. В большинстве сценариев с суммарной отрицательной эмиссией BECCS обеспечивает к 2100 году 10-30% всей первичной энергии в мире.

Из Fuss и др. (2014), показана историческая эмиссия (черн.), четыре RCP (плотные цветные линии) и 1089 сценариев, отнесенных к одному из RCP (светлые цветные линии).

Авторы сценариев полагаются на BECCS, поскольку некая форма крупномасштабной технологии отрицательных выбросов должна быть экономически оптимальной, а BECCS сейчас представляется единственным правдоподобным способ достижения этой цели в необходимых масштабах. CCS в качестве технологии смягчения имеет ограничения: в удалении СО2 на электростанциях она в настоящее время эффективна только на 85-95% (Скотт и др., 2013), она неприменима для нестационарных источников СО2, таких как суда и самолеты, а также для многих видов сельскохозяйственных выбросов. Чтобы получить хотя бы нулевую суммарную эмиссию (что необходимо для ограничения потепления величиной 2 ° C), нужны технологии отрицательной эмиссии. Для компенсации чрезмерной эмиссии до 2050 года, во второй половине века требуется суммарная отрицательная эмиссия, для которой развертывание BECCS необходимо в еще больших масштабах.

Крупномасштабное применение BECCS, предусмотренное во многих сценариях, предъявляет огромные требования в области землепользования, с важными последствиями для продовольственной безопасности и биоразнообразия. В Европе использование биоэнергии, которая в настоящее время составляет половину всей возобновляемой энергии в ЕС, уже вызывает серьезные последствия для землепользования на юго-востоке США, как это показано Джоном Аптоном в отличной серии статей под названием Pulp Fiction на сайте Climate Central. Всего один регион мира, получая из биомассы ~ 6% своей первичной энергии, уже вызывает проблемы с землепользованием за его пределами.

Аптон указывает, что использование биомассы в Европе основано на предположении о её углеродной нейтральности. Как показывает доклад Департамента энергетики и изменения климата Великобритании, климатические последствия сжигания древесины в большой степени зависят от её типа. Например, имеет значение, получена ли древесина из естественных лесов, которые могли бы оставаться нетронутыми, или речь идет об отходах деревообработки, либо возможны промежуточные сценарии, лежащие между этими двумя крайними вариантами. Период времени, за который учитывается воздействие, также влияет на итоговую оценку. В общем, это сложный вопрос, но в любом случае эмиссионные последствия сжигания биомассы не равны нулю. В некоторых случаях они могут быть хуже, чем при сжигании угля.

Но оставим на время землепользование и эмиссию от сжигания биомассы и обратимся к вопросу об исполнимости “S” в CCS и BECCS: к хранению СО2.

На глубине 2000 метров

Следующие графики получены из сценария, описанного в Van Vuuren и др. (2011). Некоторые взяты непосредственно из этого исследования, другие я построил самостоятельно, частично они основаны на сведениях, любезно предоставленных мне автором работы. Я сделал в моих расчетах ряд допущений, и графики и цифры, полученные мной самостоятельно, носят довольно приблизительный характер.

Показано глобальное использование первичной энергии (в эксаджоулях) для сценария RCP2.6. Из Van Vuuren и др.(2011), часть рис.2 из этой работы

С 2010 по 2100 год суммарная потребляемая энергия удваивается. За тот же период использование биоэнергии увеличивается в пять раз, а после 2020 года резко возрастает использование CCS и BECCS, они составляют примерно половину энергоснабжения. Теперь изменим этот график, чтобы посмотреть только на ископаемые виды топлива.

Использование угля и газа на протяжении столетия увеличивается (со странной впадиной на графике угля в середине века), но использование нефти достигает пика около 2020 года. Вся угольная эмиссия после 2060 связывается и хранится, но лишь около половины газовой эмиссии и почти ничего из оставшейся эмиссии нефти. При сжигании любого вида ископаемого топлива получается CO2 в количестве между 2,8 и 3,7 от массы топлива. Можно оценить массу СО2, подлежащего захоронению и сопоставить ее с массой исходных видов топлива, см. рис. (масса биотоплива исключена):

Этот график показывает огромную массу СО2 из ископаемого и био- топлива, которую при этом сценарии придется ежегодно размещать в местах захоронения к концу века: примерно четыре массы ископаемого топлива, добытого в 2000 году. Четырнадцать работающих в настоящее время хранилищ CCS поглощают в среднем по 2 млн. тонн CO2 в год, таким образом, к 2090 году потребуется 20000 таких хранилищ. (Кстати сказать, только три из этих четырнадцати действующих проектов созданы не ради повышения отдачи на нефтяных месторождениях). Это будет означать, что между 2030 и 2080 годами нужно будет вводить в строй примерно по одному двухмиллионнотонному хранилищу в день. Будущие CCS хранилища, скорее всего, будет гораздо крупнее нынешних демопроектов, но даже при средней мощность 10 млн. тонн в сутки необходимо строительство одного такого объекта каждые пять дней в течение пятидесяти лет.

Если предположить, что цена CCS составит 50$ за тонну, к концу века это повлечет за собой расходы $ 2 трлн. в год, что больше текущих глобальных военных расходов.

Оценка массы дает впечатление о том, сколько СО2 должно обрабатываться на поверхности, но не слишком много говорят нам об объемах, которые должны быть захоронены в недрах Земли. Если хранить СО2 при типичных температуре и давлении, он будет в форме сверхкритической жидкости с плотностью примерно 0,6 г/см3. Природный газ в резервуаре на глубине 2000 м будет сжат примерно в 180 раз. Величина зависит от конкретной температуры и давления, а также от химического состава газа, так что это просто приблизительная цифра для иллюстративных целей.

Следовательно, в рамках этого сценария к концу века каждый год должны подвергаться захоронению 50 миллиардов кубических метров СО2 из ископаемого топлива плюс 15 млрд. кубометров из биотоплива. Для сравнения, это примерно три объема ископаемого топлива, извлеченного из недр в 2010 году. Другими словами, это эквивалентно закачке объема озера Эри под землю каждые 7 - 8 лет. Захоронение CO2 превысит естественное поглощение его океаном где-то в середине века.

Закачка таких объемов жидкости в недра будет иметь последствия. Есть очень немного подземных пустот, ждущих, когда же их заполнят, а существующие жидкости (в основном соляные растворы) будут вытеснены со своих мест. Так или иначе, они найдут путь на поверхность. Многие потенциальные риски, связанные с захоронением CO2, уже известны, и, хотя некоторых из них можно избежать путем тщательного выбора места, мониторинга и инженерных решений, в масштабах, необходимых в большинстве сценариев 2° C, неизбежно придется выбирать для CCS далеко не самые подходящие места.

Вацлав Змил делает аналогичные замечания о массах и объемах, связанных с масштабным CCS. В этом видео он излагает трудности применения масштабной практики CCS на протяжении хотя бы нескольких десятилетий.

Недавно, компания Shell начала проект CCS в Альберте, названный Quest. Она планирует извлекать 1 млн. тонн CO2 в год из выхлопных газов установки для переработки нефти, а затем закачивать СО2 в базисный слой кембрийского песчаника. Это перспективный проект, хотя стоит заметить, что эмиссия нефтегазовой промышленности Альберты в 2013 году составила 73 миллиона тонн CO2-эквивалента, то есть необходимо примерно 70 таких предприятий, чтобы сделать нефтепереработку углеродно-нейтральной. Проект получает щедрые государственные субсидии, ориентировочная стоимость составит $ 72 за тонну. Будем надеяться на успех, и что подобные проекты могут быть повторены безопасным образом и притом дешевле.

Великая несообразность CCS

Автор изображения matros_

Уже сейчас в густо населенных частях мира не так просто найти достаточно места, чтобы избавиться от бытовых отходов. А ведь масса СО2, который мы выбрасываем, в сорок раз больше. Даже если мы найдем на это средства, и широкая общественность признает необходимость CCS, найти безопасные места захоронения и заручиться поддержкой местных сообществ окажется монументальной задачей. Вероятно, будет такое ​​же сопротивления, какое мы видим сейчас в отношении технологии гидроразрыва нефтеносного пласта или утилизации ядерных отходов, только в большем масштабе. Сытая по горло подобными сюжетами и подозрительная общественность, вероятно, не так уж легко примет успокоительные рассуждения экспертов о безопасности CCS. Ждите новый акроним: NUMBY (англ. не под моим задним двором). (Кстати, если уж зашла об этом речь, прессованный мусор имеет примерно ту же плотность, что и сверхкритический CO2, поэтому соотношение масс сорок к одному применимо и к объемам тоже).

Автор изображения John Garrett.

Правительства предприняли некие символические усилия для поддержки пилотных проектов CCS, тем не менее, многие инициативы провалились. Бизнес на ископаемом топливе от расширения практики CCS выигрывает вдвойне: это дает дополнительную жизнь их месторождениям, и, поскольку они имеют опыт обращения с жидкостью в недрах, они и получат большую часть инвестиций, необходимых для утилизации CO2. Тем не менее, усилия частного бизнеса являются в лучшем случае половинчатыми, и в основном ограничивается проектами повышения нефтеотдачи. Есть привкус абсурда в том, что процессы, которые призваны избавить нас от CO2, на деле только помогают получать больше ископаемого топлива.

Из сказанного выше не следует вывод, будто бы CCS или технология BECCS не будут играть никакой роли, просто уповать на них как на средство избавиться от десятков миллиардов кубометров СО2 во второй половине века представляется не слишком-то благоразумным. Путь к 2 градусам не сводится к применению CCS в непомерных масштабах, и мы, безусловно, должны всеми силами продвигать сокращение спроса на энергию и развивать солнечную, ветровую и ядерную энергетику, если мы хотим избежать опасного изменения климата.

Даже если сценарий из van Vuuren и др. реализуется так, как представляли себе его авторы, сюжет не завершится в 2100 году. Пока мы не заменим наши источники энергии подлинно устойчивыми, мы обречены крутиться в беличьем колесе выкапывания углерода и запихивания его обратно. Этот порочный круг неизбежно будет прерван: либо когда сжигать больше будет нечего, либо когда СО2 станет некуда девать. Так что в долгосрочной перспективе это никакое не решение, а всего лишь его отсрочка.

Есть гигантский разрыв между тем, что мы должны делать по мнению авторов прогнозов и тем, что мы действительно делаем. Нельзя решить проблему, не признав для начала, насколько огромным вызовом она является.

Ссылки

Anderson, K. (2015). Duality in climate science. Nature Geoscience. (open access text)

Fuss, S., Canadell, J. G., Peters, G. P., Tavoni, M., Andrew, R. M., Ciais, P., ... & Yamagata, Y. (2014). Betting on negative emissions. Nature Climate Change, 4(10), 850-853. pdf

Scott, V., Gilfillan, S., Markusson, N., Chalmers, H., & Haszeldine, R. S. (2013). Last chance for carbon capture and storage. Nature Climate Change, 3(2), 105-111.

Van Vuuren, D. P., Stehfest, E., den Elzen, M. G., Kram, T., van Vliet, J., Deetman, S., ... & van Ruijven, B. (2011). RCP2. 6: exploring the possibility to keep global mean temperature increase below 2 C. Climatic Change, 109(1-2), 95-116. pdf

Translation by matros_. View original English version.