Теплоэнергетика, 2023, № 3, стр. 5-19

Энергетика и эмиссия диоксида углерода²²

Для формирования спектра возможных сценариев выбросов диоксида углерода в секторах мировой экономики, охваченных соглашениями конференции в Глазго, все страны мира были разделены на несколько групп в зависимости от уровня их экономического развития и во многом связанной с ним степени амбициозности национальных долгосрочных программ снижения антропогенного воздействия на климат (табл. 1).

В первую группу “2050” вошли страны ОЭСР (Организации экономического сотрудничества и развития) и ЕС (Европейского союза), добровольные обязательства которых предусматривают достижение углеродной нейтральности не позднее 2050 г. Во вторую (“2060”) и третью (“2070”) вошли крупнейшие развивающиеся или переходные экономики мира, национальные программы которых предполагают прекращение нетто-эмиссии парниковых газов к 2060 г. (Россия, Китай, Бразилия, Аргентина, Иран и Турция) и 2070 г. (Индия). Беднейшие страны Азии и Африки, не имеющие в настоящее время собственных планов по радикальному сокращению выбросов парниковых газов, сведены в четвертую группу “2080”, для которой ожидается, что с финансовой и технологической помощью ведущих экономик мира они смогут достичь углеродной нейтральности к 2080 г.

Выполнение Парижских договоренностей должно привести к снижению выбросов CO₂ на 5% к 2050 г., на 10% к 2070 г. и на 30% к 2100 г. по сравнению с историческим сценарием. Оценки выбросов и углеродных коэффициентов представлены на рис. 1 вместе со сценариями из работ [2, 3], написанных ранее по результатам Парижской конференции сторон РКИК ООН (2015 г.). Здесь углеродный коэффициент K_С – отношение эмиссии углекислого газа, выраженной в углеродных единицах, к коммерческому потреблению энергии, выраженному в массе условного топлива. Как было показано в работах [2, 3], такие объемы выбросов не обеспечивают удержание роста СГТ в пределах 2°С по сравнению с доиндустриальным периодом.

Рис. 1.

Эмиссия диоксида углерода V_С (а) и углеродный коэффициент K_С (б) по сценарию настоящей работы (“Глазго”) для различных групп стран и мира в целом (1–5 из табл. 1) и глобальные базовый (6) и исторический (7) сценарии из [2, 3], данные ООН/BP (8)

Существенно более радикальные ограничения на выбросы углерода, указанные в решениях конференции сторон РКИК ООН в Глазго (2021 г.), должны привести к гораздо более значительному снижению выбросов (по сравнению с историческим сценарием [2, 3]) – почти на 20% уже к 2030 г., более чем в 2 раза к 2050 г. и практически в 4 раза к 2100 г.

Еще один важнейший результат встречи в Глазго – инициатива снизить антропогенные выбросы метана к 2030 г. на 30% (рис. 2). В отличие от углекислого газа, образующегося при сжигании органического топлива, более половины метана поступает в атмосферу из сельскохозяйственных источников, в то время как на энергетику и обращение с отходами приходится лишь около 30 и 20% соответственно. Вследствие этого более половины мировых антропогенных выбросов образуется в наиболее густонаселенных Индии, Китае и беднейших странах Азии и Африки.

Рис. 2.

Мировая эмиссия метана V_м по данным Европейской комиссии [4] (1), Всемирного банка [5] (2), а также сценарии RCP 4.5 (Representative Concentration Pathway) [6] (3) и “Глазго-метан” [7] (4)

И, наконец, впервые на международном уровне на конференции в Глазго были приняты обязательства по сохранению и восстановлению лесов на планете – важнейшего управляемого резервуара стока углерода. Реализация этого решения должна привести к прекращению многовековой утраты лесного покрова Земли и последующему переходу к увеличению площадей лесов. Такой сценарий чрезвычайно близок к предложенному авторами еще в 1999 г. [8] биотическому варианту снижения антропогенного давления на углеродный баланс GEPL’97, предусматривающему восстановление лесов планеты до их доиндустриальных площадей (до 1800 г.). Альтернативой Глазго-сценарию для лесов служит вариант FAOSTAT из недавней работы [9], согласно которому сохраняются тенденции последних десятилетий в сфере мирового лесопользования (рис. 3).

Рис. 3.

Площадь лесов мира: суммарная S (а), умеренных и бореальных S_b (б), тропических S_t (в) – по данным инвентаризаций FAO 1995 г. [10] (1) и 2020 г. [11] (2) и результатам дистанционного зондирования Земли CCI_LC [12] (3) и LandSat [13] (4), а также сценарии FAOSTAT [9] (5) и GEPL’97 [7] (6)

Декларированные Пактом Глазго изменения являются беспрецедентными в истории, а потому возникает резонный вопрос: возможны ли теоретически и технически такие масштабные преобразования в мировой экономике за такой короткий срок? В первую очередь этот вопрос должен быть адресован к ее ключевому сектору – энергетике, ответственной за 90% выбросов углерода и вовлеченной в последние десятилетия в масштабные реформы, получившие название глобального энергоперехода [14].

Анализ многочисленных публикаций ведущих научных организаций в этой области [15–19] показывает, что технический потенциал снижения выбросов диоксида углерода (в пересчете на углерод) в мире к 2030 г. составляет более 7 Гт/год и может быть реализован с помощью широкого спектра технологических и институциональных инструментов, примерно половина из которых относится к сфере энергетики и транспорта, причем возобновляемая энергетика может обеспечить около четверти снижения выбросов (рис. 4). Как было показано в [20], в период 1990–2017 гг. кумулятивное сокращение выбросов углекислого газа (в пересчете на углерод) составило более 15 Гт, из которых 7.4 Гт связано с повышением эффективности ТЭС и заменой на них угольного и нефтяного топлива природным газом, 7.5 Гт обеспечено развитием ГЭС и АЭС и лишь 0.3 Гт – генерацией с использованием НВИЭ.

Рис. 4.

Вклад различных мероприятий, %, в сокращение эмиссии парниковых газов к 2030 г. (расчеты авторов по данным [15]). НВИЭ – нетрадиционные и возобновляемые источники энергии

Изменения атмосферы и климата

Расчеты атмосферных концентраций диоксида углерода по предложенным в настоящей работе сценариям индустриальной эмиссии углекислого газа и биотическим потокам углерода за счет изменения площади лесов выполнены на модели глобального углеродного цикла, разработанной в НИУ МЭИ [9]. Концентрации метана рассчитаны по общепринятой балансовой модели, используемой МГЭИК [6], согласно предложенному Глазго-сценарию его антропогенной эмиссии. Радиационные форсинги CO₂ и CH₄ определены по стандартным соотношениям, также рекомендованным МГЭИК [6].

Для оценки климатического эффекта каждого из рассмотренных в настоящей статье решений конференции в Глазго были сформированы четыре новых варианта антропогенного воздействия на глобальную климатическую систему, представляющих собой различные комбинации реализаций этих решений (табл. 2). В качестве базовых (не учитывающих решений Глазго) сценариев были использованы оценки глобальных индустриальных выбросов парниковых газов в атмосферу из [3] (“Париж базовый”) и консервативный вариант мирового лесопользования FAOSTAT из работы [9], предполагающий дальнейшую утрату лесов со средней скоростью примерно 1.5 млн га/год, что вполне соответствует данным FAO по инвентаризации площадей лесного покрова [10].

Расчеты СГТ по предложенным в настоящей работе сценариям антропогенного воздействия на атмосферу и климат были проведены на комбинированной климатической модели, разработанной в НИУ МЭИ [20], представляющей собой сочетание энергобалансовой и статистической моделей на базе множественной регрессии (рис. 5). В качестве входных данных использованы ряды радиационных форсингов парниковых газов, а также основных естественных климатических факторов – солнечной и вулканической активности, рассчитанные в соответствии с [6] по данным климатического архива KNMI о полном солнечном излучении и оптической плотности атмосферы. Для учета циркуляционных процессов в глобальной климатической системе [22] в качестве предиктора статистического блока климатической модели был использован индекс Атлантического мультидекадного колебания из базы данных KNMI.

Рис. 5.

Изменение СГТ (в сравнении со средними значениями за 1850–1900 гг.) по предложенным в настоящей работе вариантам антропогенного воздействия на атмосферу (1–5) из табл. 2 и историческим данным CRU, усредненным за пятилетия (6)

Представленная на рис. 5 информация свидетельствует о том, что в настоящее время в развитии глобального потепления наступила продолжительная пауза, начавшаяся в 2015 г. и обусловленная сдерживающим влиянием естественных факторов климата, в первую очередь снижающейся солнечной активностью и изменением циркуляционных процессов в океане. Этот эффект был предсказан авторами ранее [22] и теперь реализуется в течение последних восьми лет, когда отклонения СГТ фактически стабилизировались на уровне 1.2°С. Эта пауза продлится до конца текущего десятилетия, после чего СГТ во всех сценариях, кроме 5 (см. табл. 2), возобновит свой рост, причем в базовом сценарии 1 (см. табл. 2) она достигнет рубежа 1.5°С уже в начале 2040-х годов, 2°С – в конце 2060-х годов и, наконец, 2.3°С к концу столетия, и лишь тогда наметится слабая тенденция к ее стабилизации.

Полное осуществление всех мероприятий Пакта Глазго позволяет снизить потепление относительно базового сценария к 2100 г. на 0.9°С, из которых 0.45°С приходится на программы энергоперехода и декарбонизации мировой экономики, 0.25°С – на сокращение эмиссии метана и около 0.2°С – на программы восстановления лесов. Сценарий 5 (см. табл. 2), предполагающий полную имплементацию всех намеченных мероприятий, является единственным, для которого повышение СГТ проходит через максимум на уровне 1.5°С в 2070-е годы с последующим снижением.

В ближайшей перспективе снижение эмиссии метана оказывается наиболее радикальным инструментом, позволяющим остановить рост СГТ на два десятилетия, а в случае присоединения к Глобальным обязательствам по метану остающихся крупнейших эмитентов – и на более продолжительный срок. Такой довольно неожиданный результат обусловлен тем, что атмосферное время жизни метана (около 12 лет) гораздо короче времени жизни углекислого газа (более столетия) [6]. Это означает, что снижение эмиссии метана приводит к значительно более быстрому сокращению его концентрации, а с ней и его радиационного форсинга. Однако при всей очевидной привлекательности задача снижения эмиссии метана может оказаться трудноразрешимой, поскольку затрагивает такие чувствительные для мирового сообщества сферы, как производство продуктов питания и неизбежное в условиях декарбонизации энергетики расширенное использование природного газа. Не стоит забывать также, что основной источник поступления метана в атмосферу – это беднейшие страны мира (см. табл. 1), доля которых в глобальной эмиссии будет быстро увеличиваться в ближайшие десятилетия в связи с ростом их населения и, таким образом, нивелировать усилия развитых стран по сдерживанию.

Представленные на рис. 3 данные не внушают особого оптимизма по поводу ближайшей судьбы лесов планеты. Очевидно, что скорость вырубки тропических лесов если и снижается, то темпами, явно недостаточными для того, чтобы быть остановленной даже к середине столетия. Программы лесовосстановления в нетропической зоне, будучи весьма успешными во многих странах (Китай, США, Европа), тем не менее не компенсируют все еще значительную утрату лесов в развивающихся странах тропической зоны. При сохранении современных тенденций площадь лесов планеты может начать восстанавливаться не ранее 2060–2070 гг. Кроме того, даже наращивание их площади не означает восстановления прежних объемов фиксации углерода в лесном резервуаре, поскольку лесные плантации состоят из молодых и малопродуктивных деревьев и не замещают выбытие спелых лесов, подвергающихся вырубке. Наконец, не вполне ясно, на какие именно области могут быть распространены будущие лесные плантации. Ведь недостающая ныне площадь 10–12 млн км², которая была покрыта лесами к началу индустриальной революции, сейчас несвободна и занята сельскохозяйственными землями, городской, индустриальной и транспортной инфраструктурами и пр. Таким образом, осуществление лесной части Пакта Глазго с самого начала связано с серьезными затруднениями.

И все же основным инструментом в решении главной задачи Парижского соглашения является сокращение эмиссии углекислого газа, вызванной сжиганием ископаемого топлива. Однако, как выяснилось в последние 10 лет, с момента принятия Варшавской декларации (2013 г.), впервые призвавшей страны мира к “максимально быстрому” сокращению эмиссии СО₂, мировому сообществу ни на шаг не удалось приблизиться к необходимой скорости декарбонизации мировой энергетики (см. рис. 1, б). Более того, дистанция между достигнутыми и необходимыми скоростями декарбонизации возрастает с каждым годом. На взгляд авторов, этот результат – проявление консервативности мировой энергетической системы, жесткая конструкция которой препятствует ее неоправданно быстрому реформированию [3, 23]. Отсюда следует, что обозначенная Пактом Глазго программа декарбонизации не может быть выполнена в срок и вожделенная цель 1.5°С не может быть достигнута, по крайней мере, в течение нынешнего столетия.

Демография

Именно так сегодня выглядит демографическая картина мира в представлении Отдела народонаселения ООН (рис. 6), согласно которой численность населения мира стабилизируется в конце столетия на уровне 9–11 млрд чел., т.е. примерно на четверть выше современного. Соответственно, и влияние на окружающую среду (без применения дополнительных ограничительных мер) также обречено на возрастание в ближайшие десятилетия. Совершенно очевидно, что масштаб этого влияния критическим образом зависит от того, какому именно из представленных на рис. 6 сценариев суждено осуществиться. Случилось так, что представления ООН в последние 50 лет играют доминирующую роль в области демографического прогнозирования. В самом деле, почти во всех известных прогнозах развития энергетики, промышленности, сельского и лесного хозяйства, транспорта используется только один долгосрочный демографический прогноз – медианный прогноз ООН, который выпускается на регулярной основе каждые два года начиная с 1980-х годов, а нерегулярно – с 1951 г. Едва ли не единственным исключением является предпоследний доклад Межправительственной группы экспертов по изменениям климата [23], в котором был использован альтернативный демографический прогноз Института прикладного системного анализа [24, 26].

Рис. 6.

Эволюция “средних” сценариев численности мирового населения ООН Р по оценкам 1995–2022 гг. и данные демографической статистики. 1 – данные ООН [25]; сценарии ООН WPP (World Population Projections) Medium разных годов: 2 – 1995; 3 – 1998; 4 – 2000; 5 – 2004; 6 – 2008; 7 – 2010; 8 – 2012; 9 – 2015; 10 – 2019; 11 – 2022

Такая беспредельная вера в единственный источник прогноза не встречается ни в одной другой области современного знания и вызвана в немалой степени тем, что ООН до сих пор, по-видимому, хорошо справляется с возложенной на нее миссией. Например, численность народонаселения мира, составившая 7.79 млрд чел. в 2020 г., практически точно совпадает с прогнозом 1980 г. [27], но, правда, сильно отличается от прогноза 1973 г. (8.42 млрд чел.) и даже прогноза 1990 г. (8.09 млрд чел.) [27]. Таким образом, все, что известно сейчас, – это способность ООН продуцировать удовлетворительные прогнозы с точностью до 5% на горизонтах до 40 лет [28], но про качество более далеких прогнозов сегодня сказать ничего нельзя, поскольку горизонты дальностью более 50 лет вошли в обращение лишь в 1994 г., а свыше 80 лет – только в 2010 г. Однако теперь в свете событий последних десятилетий уже не кажется невероятным резкое снижение фертильности [здесь фертильность – ключевой демографический фактор, определяемый как количество рождений, приходящееся на одну женщину репродуктивного возраста (15–49 лет)] во многих странах мира до уровня гораздо ниже простого воспроизводства населения, и поэтому стоит присмотреться к тем демографическим прогнозам, авторы которых достаточно тщательно и подробно изучают такую возможность.

На недостатки прогнозов ООН настойчиво обращает внимание ряд современных исследователей [29–33]. Главный недостаток этих прогнозов видится в весьма произвольном предположении о финальной конвергенции фертильности к единому значению 1.75 для всех стран мира, преодолевших в своем развитии критический порог фертильности 2.10, соответствующий простому воспроизводству населения. Однако в последнюю четверть столетия появились десятки стран, в которых фертильность упала гораздо ниже 1.75 и остается на этом чрезвычайно низком уровне десятилетиями (Греция, Италия, Польша, Таиланд, Тайвань, Южная Корея и др.). Оказывается также, что финальные значения фертильности прекрасно коррелируют с двумя ключевыми социальными факторами – продолжительностью обучения и доступностью средств регулирования рождаемости для женщин репродуктивного возраста. Учет этих новых обстоятельств позволяет выстроить более обоснованные демографические модели, которые предсказывают достижение пика численности населения мира уже через несколько десятилетий, т.е. в течение жизни одного-двух поколений с заметной последующей депопуляцией до конца столетия.

Анализ публикаций последних лет показывает, что численность населения планеты в конце текущего столетия, скорее, может находиться в пределах 6–9 млрд чел. (рис. 7), что, несомненно, должно сказаться на воздействии земной цивилизации на окружающую среду. В этой системе воззрений медианный прогноз ООН является вовсе не золотой серединой, как многие склонны полагать, а верхней огибающей целого семейства альтернативных сценариев (см. рис. 7). В настоящей работе используются два таких сценария [31] вместе с традиционным медианным сценарием ООН [25].

Рис. 7.

Альтернативные сценарии численности населения мира с депопуляцией: Акаев, Давыдова (2020) [24] низкий (1) и высокий (2); IIASA (2014) [29, 30] SSP1-Rapid Development (3) и SSP2-Medium (4); Vollset et al. (2020) [31] SDG pace (5) и Reference (6); ООН (2022) [25] WPP 2022 Low (7) и Medium (8), а также исторические данные ООН (2022) [25] (9)

Энергетика и выбросы диоксида углерода

В первую очередь вышеупомянутые демографические процессы повлияют на мировое энергопотребление. Как было показано ранее [34], в результате постиндустриального развития удельное душевое энергопотребление стабилизируется на уровне, в основном определяемом природно-географическими условиями, и в среднем по миру составит около 3 т у.т/(чел. · год), что почти не отличается от современного. Это означает, что динамика будущего энергопотребления практически полностью определяется демографическим фактором.

Для настоящих расчетов авторы использовали два демографических сценария из работы [31], а именно – высокий “базовый (reference)” и более низкий “устойчивый (Sustainable Development Goal – SDG)” как наиболее аргументированные с медицинской точки зрения и находящиеся в верхней и нижней частях диапазона депопуляционных сценариев (см. рис. 7).

В этом случае снижение численности населения приводит к уменьшению потребления энергии в мире (рис. 8), которое к концу столетия может достигнуть 20–40% базового варианта (примерно 30 млрд т у.т. к 2100 г.). Более того, в радикальном сценарии SDG валовое энергопотребление уже к середине столетия прекращает свой рост, а к концу века и вовсе оказывается ниже современного.

Рис. 8.

Валовое Е (1–3) и удельное е (4) коммерческое энергопотребление по демографическим сценариям ООН [25] WPP 2022 Medium (1) и Vollset et al. (2020) [31] Reference (2) и SDG pace [30] (3) вместе с историческими данными ООН/BP (4)

Уменьшение потребления энергии неминуемо приводит к снижению эмиссии основного парникового газа – диоксида углерода. В настоящей работе рассматриваются две основные траектории развития мировой энергетики в текущем столетии (табл. 3):

“const CC rate” – сохранение темпов снижения углеродной интенсивности энергопотребления, предусмотренных Парижским соглашением (примерно 0.8%/год) [2, 3];

“const nonCO₂ rate” – сохранение темпов развития безуглеродных источников энергии, необходимых для выполнения условий Парижского соглашения, при которых ежегодное производство энергии с их помощью к 2100 г. достигнет примерно 20 млрд т у.т. [2, 3].

В итоге мировая индустриальная эмиссия диоксида углерода после 2030 г. существенно снизится – на 15–40% по сравнению с базовым Парижским сценарием из [2, 3], а в наиболее радикальном варианте – даже в 10 раз к концу столетия (рис. 9).

Рис. 9.

Индустриальная эмиссия СO₂. 1–4 – расчеты настоящей работы (для вариантов демографических сценариев 1–4 из табл. 3); 5 – базовый Парижский сценарий [2, 3]; 6 – сценарий Глазго-энергопереход [7]; 7 – исторические данные CDIAC/UN/BP

Концентрации CO₂ и средняя глобальная температура

Результаты расчетов изменения средней глобальной концентрации диоксида углерода для двух вариантов развития мировой энергетики по демографическим сценариям [31] “reference” и SDG представлены на рис. 10. При снижении индустриальной эмиссии углекислого газа вследствие демографически обусловленного уменьшения энергопотребления будут существенно меняться тенденции изменения содержания этого основного парникового газа в атмосфере Земли и сформируется максимум концентрации СО₂ во второй половине столетия на уровне 500–520 ppm, за которым последует ее дальнейшее снижение.

Рис. 10.

Изменение средней глобальной концентрации диоксида углерода С. 1–4 – модельные оценки настоящей работы (для вариантов демографических сценариев 1–4 из табл. 3); 5 – исторические данные МГЭИК и NOAA

Изменения выбросов прочих парниковых газов (метан, закись азота, хлорфторуглеводороды и пр.), а также оксидов серы и соответствующий радиационный форсинг (изменения теплового радиационного баланса атмосферы) принимались пропорциональными снижению численности населения для каждого из демографических сценариев по сравнению с базовым (Парижским) сценарием.

Выполненные на комбинированной климатической модели НИУ МЭИ расчеты изменения средней глобальной температуры по используемым демографическим сценариям представлены на рис. 11 вместе с оценками из работы [7] для сценария имплементации инициатив по трансформации мировой энергетики Конференции сторон РКИК ООН в Глазго (2021 г.).

Рис. 11.

Изменение СГТ в сравнении со средними значениями за 1850–1900 гг. 1–4 – модельные оценки настоящей работы (для вариантов демографических сценариев 1–4, см. табл. 3); 5 – базовый сценарий “Париж” [2, 3]; 6, 7 – сценарии “Глазго-энергопереход” и “Глазго-полный” [7]; 8 – данные наблюдений CRU

Следует отметить, что рассмотренные здесь альтернативные демографические сценарии [31] не предполагают осуществление жестких насильственных мер по ограничению рождаемости. Напротив, даже наиболее радикальный сценарий SDG непосредственно вытекает из целей устойчивого развития, провозглашенных Генеральной Ассамблеей ООН в 2015 г., предусматривающих распространение современных образовательных, медицинских и гигиенических стандартов на развивающиеся страны. Тем более поразительно, что по сути глобальная гуманитарная акция оказывает на динамику климата эффект в перспективе даже больший, чем осуществление Великого энергетического перехода (см. рис. 11). Демографический переход позволяет достичь главной цели Парижского соглашения путем использования преимущественно гуманитарных средств без болезненной и чрезвычайно затратной ломки мировой энергетической системы и отказа от исторически сложившихся стандартов потребления, неизбежно связанных с глобальным энергопереходом. Сходные результаты получены и другими исследователями, например [35], которые указывают на важную роль демографической политики (планирование семьи, контроль рождаемости и пр.) в снижении антропогенного воздействия на климатическую систему.