Михаил Стрелец
Возобновляемая энергетика сталкивается с недостатком технологий для утилизации оборудования. Фото Reuters
Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) рассматриваются как экологичная альтернатива ископаемому топливу. Их ключевое преимущество – низкий углеродный след: по данным Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК), жизненный цикл такой электроэнергии приводит к выбросам парниковых газов на порядки ниже, чем у угля и газа. Например, средние выбросы CO₂-экв. для солнечных электростанций составляют около ~48 г/кВт-ч, для ветряных – ~11 г/кВт-ч, гидроэнергетики – ~24 г/кВт-ч, тогда как у угля ~820 г/кВт-ч. Эти цифры объясняют, почему переход на ВИЭ – центральная мера для смягчения климата, ведь с их помощью можно почти полностью устранить эксплуатационные выбросы CO₂. Однако «все технологии выработки электроэнергии в определенной степени воздействуют на окружающую среду» – даже возобновляемые источники не лишены экологических издержек.
Солнце
В процессе выработки электроэнергии солнечные панели не выделяют CO₂ вовсе – углеродный след обусловлен в основном производством панелей, строительством инфраструктуры и последующей утилизацией. По оценкам МГЭИК, повышение коэффициента полезного действия (КПД) модулей, увеличение срока службы, использование менее углеродоемких материалов и тонкопленочных технологий позволяют существенно снизить будущие жизненные выбросы на единицу энергии. Таким образом, солнечная энергетика уже сейчас практически не вносит вклад в изменение климата.
Основной экологический фактор для солнечной энергетики – землепользование под крупные фотоэлектрические станции. В среднем требуется ~2 га площади на каждый 1 МВт мощности СЭС. Это ведет к преобразованию ландшафтов, что нарушает экосистему местности. Большие солнечные фермы при традиционном подходе могут снижать биоразнообразие – например, устранение растительности и планировка грунта уничтожают среду обитания мелких животных и растений. Кроме того, фрагментация ландшафта крупными массивами панелей затрудняет миграцию животных. В пустынных и степных зонах СЭС способны вытеснить редкие виды, адаптированные к этим биомам. Тем не менее современная практика предлагает решения для смягчения этих эффектов. В последних докладах отмечается развитие подхода агривольтаики – сочетания солнечных модулей с сельским хозяйством на одной территории. Другой вариант – размещение панелей на уже нарушенных землях: крышах зданий, свалках, вдоль инфраструктуры, а также установка плавающих СЭС на поверхностях водохранилищ.
Производство солнечных панелей – высокотехнологичный процесс, связанный с потреблением материалов и энергоресурсов, но запасы основных элементов (кремний, алюминий, стекло, медь) достаточны для многократного наращивания мощностей. В составе кремниевых модулей нет редкоземельных или очень дефицитных металлов; тонкопленочные панели требуют некоторых редких элементов (кадмий, теллур, индий), но их доля на рынке Положительной особенностью солнечной энергетики является возможность почти полной переработки отслуживших панелей. Современные технологии позволяют вернуть в хозяйственный оборот до 95% материалов панелей. Уже сейчас возможно извлекать и повторно использовать ~83% компонентов модулей, за исключением пластика. Ведутся разработки новых модулей из перерабатываемых материалов и улучшенных методов разборки.
В отличие от био- или гидроэнергетики солнечная генерация не использует биомассу или поток воды, поэтому влияние на почвы и воду проявляется главным образом опосредованно – через отвод земель под станции и изменение водного баланса локально. В целом экологические отчеты указывают, что влияние солнечной энергетики на почвы и гидрологию носит локальный характер и при грамотном подходе (выборе участков с низкой биоценозной ценностью, агривольтаике, контроле стока) может быть сведено к незначительному уровню.
Ветер
Ветровая энергетика наряду с атомной имеет наименьший углеродный след среди всех масштабных технологий выработки электричества. В рамках жизненного цикла турбины основными источниками выбросов являются производство материалов, их транспортировка и монтаж, а также процесс демонтажа по окончании службы. При эксплуатации же ветрогенераторы не сжигают топливо и не выделяют парниковых газов или других загрязнителей. Более того, согласно обзору Bonou et al. (2016), «окупаемость» углеродного долга у всех типов турбин составляет По совокупному воздействию на природу ветроэнергетика выгодно отличается от многих других технологий. Тем не менее локальные экологические эффекты могут быть значимыми, особенно без надлежащих мер. Главная проблема – это воздействие на животный мир, прежде всего на птиц и летучих мышей. Они могут сталкиваться с лопастями, получая смертельные травмы. Сейчас в большинстве стран разработаны строгие подходы к оценке влияния ветропарков на фауну: еще на этапе проектирования орнитологи исследуют пути миграций и места гнездований, чтобы вынести турбины за пределы ключевых территорий птиц. Кроме того, применяются технологические меры, например режимы временного отключения отдельных турбин при массовом пролете птиц. Помимо птиц ветряные станции влияют на наземных животных через фактор беспокойства и изменение среды. Возведение турбин требует сооружения подъездных дорог и выравнивания площадок под фундамент, что приводит к фрагментации среды обитания наземных млекопитающих и пресмыкающихся. Однако площадь непосредственного изъятия земли под ветроустановки невелика, и вокруг них часто сохраняются естественные ландшафты или сельхозугодья. В итоге ветроэнергетику при соблюдении экологических норм можно считать относительно дружелюбной к биоразнообразию технологией.
Современная ветротурбина – это сложное инженерное сооружение, включающее башню высотой 80–150 м (стальная труба или железобетон), массивный фундамент (десятки тонн бетона и арматуры), генератор и гондолу (электромеханическое оборудование, медные обмотки, магниты) и композитные лопасти длиной 40–80 м. Производство и транспортировка этих компонентов – основная статья ресурсных затрат и источник экологических влияний.
Острая проблема – утилизация отработавших турбин, особенно композитных лопастей. В 2020–2023 годах несколько компаний (Vestas, Siemens Gamesa) заявили о создании полностью перерабатываемых лопастей и даже запустили первые пилотные проекты их возврата. Ожидается, что к началу 2030-х отраслевой стандарт будет включать обязательную переработку крупных компонентов ветроустановок. Что касается металлических частей, они относительно легко идут в металлолом и переплавляются. Таким образом, притом что ветроэнергетика требует значительных материалов на этапе строительства, ее ресурсный цикл может быть сделан замкнутым.
Наземные ветропарки занимают значительно меньшие площади сплошного отвода земель, чем солнечные или биоэнергетические объекты. Обычно на 1 МВт ветроэнергетики требуется 0,1–0,2 га непосредственно под фундамент и подъезд, притом что турбины расставлены далеко друг от друга и между ними земля может использоваться хозяйственно или оставаться в природном состоянии. Это означает относительно небольшой прямой отпечаток на почве.
Водные ресурсы ветроэнергетика затрагивает минимально. Ветровые турбины не используют воду для охлаждения или в технологическом цикле генерации, поэтому операционное водопотребление равно нулю. Это большое преимущество перед тепловыми электростанциями, где на охлаждение уходит сотни литров на 1 кВт-ч.
Вода
Гидроэнергетика традиционно относится к безуглеродным источникам: плотины и турбины сами по себе не сжигают топливо, а энергия воды возобновляема. Однако полное исключение парниковых выбросов не всегда достигается. Жизненный цикл гидроэлектростанций (ГЭС) включает значительные встроенные эмиссии: строительство плотины, бетонной плотины и оборудования, а также биогенные выбросы из водохранилища, в частности метан. В первые годы после заполнения водохранилища выбросы могут сопоставляться с небольшой угольной станцией. Решение проблемы метана – это, во-первых, избегать затопления обширных территорий с богатой биомассой (например, вместо одной громадной плотины строить несколько меньших каскадом), а во-вторых – технические меры, например, использовать дегазационные трубы, отводящие метан из придонных слоев водохранилища на турбины для окисления. Разрабатываются и биоинженерные подходы (высаживание специальных растений, поглощающих метан). В итоге углеродный след ГЭС может быть снижен еще сильнее, хотя уже сейчас при глобальном сравнении он гораздо ниже, чем у любой ископаемой генерации.
По масштабу изменений в экосистемах гидроэнергетика превосходит все другие ВИЭ. Строительство плотин и водохранилищ вызывает глубокую перестройку ландшафта и водных систем, что отражается на биоразнообразии как водных, так и наземных видов. Для частичного решения строят специальные рыбопропускные сооружения, но они эффективны не для всех видов и не компенсируют фрагментацию реки. ГЭС вызывает фрагментацию экосистем не только для водных организмов, но и для наземных.
Гидроэнергетика требует крупнейших инфраструктурных сооружений среди всех ВИЭ – это означает и высокую ресурсоемкость строительства. Производство такого количества цемента и металла сопровождается большими выбросами CO₂ и других загрязнителей. Однако это единовременные вложения, распределяющиеся на десятилетия работы станции. В пересчете на киловатт-часы произведенной энергии материальный и углеродный след оказывается низким. Утилизация ГЭС – вопрос особый, потому что многие гидротехнические сооружения потенциально бессрочны.
Недра
Геотермальная энергетика – одна из наименее углеродоемких технологий, хотя и не абсолютно нулевая. При использовании тепла земных недр для генерации электричества прямых выбросов CO₂ почти нет, за исключением случаев, когда из глубинных флюидов выделяется растворенный углекислый газ или метан.
Геотермальные станции обычно имеют компактный «наземный след»: они занимают небольшие площадки вокруг буровых скважин и не требуют обширных территорий. Геотермальная энергетика обладает репутацией экологически дружественной к биоразнообразию. МГЭИК отмечает, что с современными технологиями она имеет «меньше неблагоприятных воздействий на окружающую среду» по сравнению с солнечной и ветровой. Основные опасения связаны с рисками аварий – например индуцированные землетрясения и возможное загрязнение вод. Но по линии чисто биологического разнообразия – эффект минимальный.
Строительство геотермальной станции включает бурение ряда скважин. Буровые работы требуют стальных обсадных труб, буровых растворов, цемента для крепления – все это приводит к затратам материалов и энергии. Однако в абсолютных величинах бурение даже глубокой скважины (скажем, 5 км) несравнимо с разработкой шахты или строительством плотины. Инфраструктура геотермальных электростанций (геоЭС) обычно включает сеть наземных трубопроводов (паропроводы) от скважин к станции, резервуары для конденсата и пруды-охладители. Эти элементы могут влиять на ландшафт (визуально и занимая землю), но ресурсно не слишком затратны. Утилизация геотермических объектов не представляет большой проблемы: поверхностное оборудование после завершения проекта демонтируется, металл идет в переработку. В итоге геотермальная энергетика сравнительно малоресурсоемкая: никаких уникальных материалов вроде редкоземельных, минимальный объем оборудования по сравнению с энергией, получаемой за годы. Ее можно развивать устойчиво, соблюдая мониторинг, и практически без отходов.
Геотермальные проекты сопряжены с пробуриванием скважин в земной коре и эксплуатацией водоносных горизонтов, поэтому их взаимодействие с недрами и гидросферой требует внимательного контроля. Главный риск – это загрязнение грунтовых и поверхностных вод геотермальными флюидами. На всех станциях предусмотрены аварийные системы глушения скважин. Статистика показывает, что крупные утечки – казуистика; геотермия скорее безопасна для грунтовых вод, если следовать нормам.
Почвы при геотермальном строительстве затрагиваются мало: вырубка растительности под дороги и площадку, уплотнение грунта под фундамент станции. Площадь небольшая, и после завершения можно рекультивировать.
В целом почвенно-водное воздействие геотермии сравнительно мало.
Биомасса
Биоэнергетика – это использование биомассы (древесины, растительного сырья, органических отходов) для выработки энергии: тепла, электричества, биотоплива. Современные исследования показывают, что углеродный след биоэнергетики сильно зависит от вида сырья, способа производства и временных рамок. Биомасса – возобновляемый ресурс, но возобновление углерода требует времени: сгоревшее дерево вернет углерод в атмосферу за часы, а новое вырастет и компенсирует – за десятки лет. Поэтому в краткосрочной перспективе сжигание древесины или торфа может даже увеличивать концентрацию CO₂ по сравнению с невмешательством.
Ключевой вывод последних лет: углеродная нейтральность биотоплива условна и достижима лишь при устойчивом управлении ресурсом. Современная биоэнергетика нередко комбинируется с улавливанием углерода (BECCS) или биоуглями: часть углерода из биомассы переводят в стабильную форму (биоуголь захоранивают или вносят в почву), а остальное сжигают. Это может дать отрицательные выбросы, то есть чистое поглощение CO₂ из атмосферы.
По климатическому вкладу биоэнергетику следует разделять на разные категории:
– традиционная биомасса (дрова, уголь, использующиеся неэффективно в домохозяйствах) – имеет высокий удельный выброс на полезную энергию и приводит к обезлесению;
– современная биоэнергетика (теплоэлектроцентрали на биотопливе, биогазовые установки) – может иметь низкий или умеренный углеродный след при условии устойчивого снабжения сырьем. Например, сжигание древесных отходов лесопилок практически безуглеродное, так как древесина не сжигалась бы иначе;
– биотопливо для транспорта (этанол, биодизель) – их климатическая эффективность зависит от цикла выращивания. Этанол из сахарного тростника в Бразилии дает ~90% сокращения эмиссий сравнительно с бензином, а из кукурузы в США – лишь ~20–30% или даже ноль в плохих условиях;
– отходы и навоз – это наиболее оправданные с климатической точки зрения источники, так как их использование предотвращает выбросы метана на свалках и лагунах. Анаэробное брожение навоза с захватом биогаза и решает проблему CH₄, и дает энергию.
Экологические последствия биоэнергетики для живой природы являются, пожалуй, наиболее острыми среди всех ВИЭ, если учитывать полный цикл «с поля до энергии». Выращивание энергетических культур подразумевает отвод больших земельных площадей под монокультуры интенсивного сельского хозяйства. Это сопровождается всеми проблемами агросектора: вытеснением естественных экосистем, потерей биоразнообразия, применением пестицидов и удобрений. Вырубка лесов ради древесной биомассы также ведет к существенным потерям биоразнообразия. Интенсивное земледелие для биоэнергетики включает использование удобрений и пестицидов, что влияет на экосистемы за пределами полей. Еще одно измерение – заготовка древесины на топливо. В бедных странах традиционная биоэнергия (дрова, уголь) – главный фактор опустынивания.
Биоэнергетика из отходов – напротив, может быть благом для биоразнообразия. Например, сбор свалочного газа уменьшает неприятные эффекты полигонов, а производство биогаза из навоза снижает попадание органики в водоемы (что иначе вызывало бы цветение). Сжигание соломы после уборки (как делают для очистки полей) очень вредно – лучше пустить солому в биоэнергетику, а золу вернуть в поле.
Биоэнергетика крайне требовательна к земельным ресурсам. Согласно оценкам, для замещения существенной доли ископаемого топлива биотопливом потребовались бы сотни миллионов гектаров плантаций, что фактически невозможно без вытеснения продовольственного сектора или лесов.
Интенсивное земледелие под энергетические культуры способно ухудшать плодородие почв, снижать содержание гумуса и вызывать эрозию.
Водопотребление: многие энергетические культуры влаголюбивы (сахарный тростник, пальма, кукуруза). Значит, они требуют орошения, особенно в засушливых регионах. Орошение – это забор воды из рек/подземных вод, что снижает их доступность для природных экосистем.
Почва и вода – самый уязвимый компонент при неустойчивом развитии биоэнергетики. Международные соглашения требуют, чтобы проекты биоэнергии мониторили показатели плодородия почв и качества воды и не ухудшали их.
Заключение
Экологический след возобновляемой энергетики не равен нулю, но он существенно меньше и управляемее, чем у традиционных источников. Международные организации подчеркивают, что при планировании зеленого энергоперехода важно с самого начала учитывать меры по охране природы.
Стоит подчеркнуть, что климатическая выгода ВИЭ несомненна: даже учитывая все жизненные циклы, их переход поможет предотвратить куда более масштабные экологические бедствия, связанные с изменением климата и загрязнением от ископаемого топлива. Более того, переход на ВИЭ часто несет и сопутствующие экологические плюсы: снижение загрязнения воздуха, сохранение пресной воды, уменьшение добычного прессинга на земли. МГЭИК в своем последнем докладе отмечает, что «потенциал синергий между низкоуглеродной энергетикой и целями устойчивого развития значительно превышает масштабы возможных компромиссов». Тем не менее среди тех компромиссов названы и потери биоразнообразия от добычи минерального сырья для ВИЭ – этот фактор нельзя игнорировать.
Таким образом, задача научного сообщества, бизнеса и государств – обеспечить, чтобы развитие возобновляемой энергетики шло по пути наименьшего экологического ущерба и по возможности сопровождалось восстановлением уже нарушенной природы. В противном случае существует риск, что некоторые решения вызовут общественное неприятие и новые экологические проблемы. В конечном счете цель – выйти на энергетическую систему, которая сочетает низкий углеродный след с сохранением биосферы. Как образно отметил один из докладов IRENA, «масштаб и скорость энергоперехода требуют, чтобы развитие ВИЭ шло рука об руку с мерами по сохранению биоразнообразия и экосистем».
