Гидроэнергетика подтверждает статус безуглеродной
ЭКОЛОГИЯ / #1–2_2020
Текст: Игорь ВАУЛИН / Фото: Unsplash.com
Крупные плотины и мощные ГЭС — мишени для атак экологов. Несмотря на научные факты, гидроэнергетике часто отказывают в «зеленом» статусе, признавая, хоть и скрепя сердце, ее возобновляемой. А теперь экологи ставят под сомнение безуглеродный статус ведущей технологии ВИЭ.
Строительство крупных гидроэлектростанций сильно влияет на природную среду в местах их размещения: затапливаются большие территории, наземные биоценозы сменяются водными, изменяется водный режим рек. По этой причине отношение экологических организаций к крупной гидроэнергетике всегда было скорее негативным. И в последние годы у критиков ГЭС появился новый аргумент: углеродная нейтральность гидроэнергетики поставлена под сомнение.
В середине ноября 2019 года в блоге французской Électricité de France (EDF) были опубликованы результаты исследования, проведенного по заказу энергокомпании. В нем утверждается, что водохранилища гидроэлектростанций выбрасывают в окружающую среду большие объемы углекислого газа и особенно метана (считающегося более опасным парниковым газом, чем СО2). Один из выводов исследователей: «Более 100 водохранилищ из 1500, которые мы исследовали и на которые приходится половина мировой гидроэнергетики, сегодня имеют „углеродные следы“, равные тем, которые оставляет ископаемое топливо, или даже превосходящие их. Фактически они способствуют глобальному потеплению».
В середине ноября 2019 года в блоге французской Électricité de France (EDF) были опубликованы результаты исследования, проведенного по заказу энергокомпании. В нем утверждается, что водохранилища гидроэлектростанций выбрасывают в окружающую среду большие объемы углекислого газа и особенно метана (считающегося более опасным парниковым газом, чем СО2). Один из выводов исследователей: «Более 100 водохранилищ из 1500, которые мы исследовали и на которые приходится половина мировой гидроэнергетики, сегодня имеют „углеродные следы“, равные тем, которые оставляет ископаемое топливо, или даже превосходящие их. Фактически они способствуют глобальному потеплению».
ГЭС в России
Аргументы и факты
Для начала разберемся, почему возникают выбросы парниковых газов при работе гидроэлектростанций. Любая река с геохимической точки зрения — это транзитный ландшафт: она переносит частички почвы и горных пород, а также растворенные органические и неорганические вещества, которые попадают в нее со всего водосборного бассейна в результате эрозионных процессов. Количество переносимого рекой органического вещества (а нас в контексте углеродного баланса интересует именно оно) очень сильно зависит от местных условий. А именно, от климата и свойств почв. В результате одни реки (чаще всего северные) несут кристально прозрачные воды, а другие (как правило, тропические) — очень мутные.
Какова судьба органики, которую несет река? Некоторая ее часть разлагается в реке или идет на прокорм речным обитателям, но основной объем выносится туда, куда река впадает — как правило, это море, реже — крупное озеро. После создания гидроэлектростанции это органическое вещество оказывается в водохранилище ГЭС. И здесь его судьба может быть очень разной.
Поскольку в водохранилище скорость течения воды намного ниже, чем в реке, органическое вещество, содержащееся в частичках почвы, вместе с этими частичками просто падает на дно, образуя донные отложения. Всем, кто купался в озере или в пруду, они хорошо знакомы — это то, что обычно называют илом. И вот в этом иле начинаются микробиологические процессы разложения органики. Если ил насыщен кислородом (такое чаще происходит в приповерхностных слоях ила, в холодных и чистых водохранилищах), то разложение будет аэробным — с образованием углекислого газа. Если же кислорода не хватает (например, в глубине ила), то начинаются процессы анаэробного брожения, в результате которого выделяется метан. Пузырьки метана поднимаются на поверхность и попадают в атмосферу. Наверняка многие замечали, что если потревожить донный ил (например, просто наступив в него), то на поверхность воды поднимаются пузырьки — это и есть метан.
Для начала разберемся, почему возникают выбросы парниковых газов при работе гидроэлектростанций. Любая река с геохимической точки зрения — это транзитный ландшафт: она переносит частички почвы и горных пород, а также растворенные органические и неорганические вещества, которые попадают в нее со всего водосборного бассейна в результате эрозионных процессов. Количество переносимого рекой органического вещества (а нас в контексте углеродного баланса интересует именно оно) очень сильно зависит от местных условий. А именно, от климата и свойств почв. В результате одни реки (чаще всего северные) несут кристально прозрачные воды, а другие (как правило, тропические) — очень мутные.
Какова судьба органики, которую несет река? Некоторая ее часть разлагается в реке или идет на прокорм речным обитателям, но основной объем выносится туда, куда река впадает — как правило, это море, реже — крупное озеро. После создания гидроэлектростанции это органическое вещество оказывается в водохранилище ГЭС. И здесь его судьба может быть очень разной.
Поскольку в водохранилище скорость течения воды намного ниже, чем в реке, органическое вещество, содержащееся в частичках почвы, вместе с этими частичками просто падает на дно, образуя донные отложения. Всем, кто купался в озере или в пруду, они хорошо знакомы — это то, что обычно называют илом. И вот в этом иле начинаются микробиологические процессы разложения органики. Если ил насыщен кислородом (такое чаще происходит в приповерхностных слоях ила, в холодных и чистых водохранилищах), то разложение будет аэробным — с образованием углекислого газа. Если же кислорода не хватает (например, в глубине ила), то начинаются процессы анаэробного брожения, в результате которого выделяется метан. Пузырьки метана поднимаются на поверхность и попадают в атмосферу. Наверняка многие замечали, что если потревожить донный ил (например, просто наступив в него), то на поверхность воды поднимаются пузырьки — это и есть метан.
Справка
Метан был обнаружен в ноябре 1776 года в болотах озера Лаго-Маджоре на границе Италии и Швейцарии. На изучение болотного газа итальянского физика Алессандро Вольта вдохновила статья Бенджамина Франклина о «горючем воздухе». А. Вольта собирал газ, выделяемый со дна болота, и в 1778 году выделил чистый метан. Также он продемонстрировал зажигание газа от электрической искры.
Сэр Гемфри Дэви в 1813 году изучал рудничный газ и показал, что он является смесью метана с небольшими количествами азота (N2) и углекислого газа (CO2) — то есть, что он качественно тождествен по составу болотному газу. Современное название «метан» в 1866 году газу дал немецкий химик Август Вильгельм фон Гофман, оно образовано от слова «метанол».
Сэр Гемфри Дэви в 1813 году изучал рудничный газ и показал, что он является смесью метана с небольшими количествами азота (N2) и углекислого газа (CO2) — то есть, что он качественно тождествен по составу болотному газу. Современное название «метан» в 1866 году газу дал немецкий химик Август Вильгельм фон Гофман, оно образовано от слова «метанол».
Интенсивность микробиологических процессов напрямую зависит от температуры: чем теплее, тем микроорганизмы активнее. Это очень важный фактор, определяющий, какая часть органического вещества будет переработана в метан, а какая окажется захороненной в толще донных отложений, которые со временем станут частью осадочных пород, и, таким образом, содержащийся в них углерод будет фактически изъят из атмосферы.
Растворенное в воде органическое вещество (есть и такие — например, содержащиеся в почве гумусовые кислоты) в водохранилище частично разлагается (в основном с образованием углекислого газа), частично проходит через турбины и водосбросы ГЭС вниз по течению.
Помимо всего этого, в водохранилище (как, впрочем, и в природных водоемах) происходят и другие процессы, связанные как с поглощением, так и с образованием парниковых газов. В водохранилище развивается растительность — как микроскопическая (фитопланктон), так и более крупная (различные водоросли, камыши и тому подобное). Как и другие растения, они живут за счет фотосинтеза, а значит, в процессе роста поглощают углекислый газ. Отмирая, растения попадают во все тот же донный ил, где частично разлагаются по аэробному и анаэробному путям.
Масштабы развития водной растительности опять же напрямую зависят от температуры, а также от содержания в воде некоторых минеральных веществ, особенно соединений фосфора. Многим хорошо известно «цветение» воды — бурное развитие водорослей и бактерий, которое происходит в хорошо прогреваемых и не очень чистых водоемах. Конечно, чем активнее развиваются водные растения, тем больше отмирающей и затем разлагающейся (в том числе и с образованием метана) биомассы они образуют.
Растворенное в воде органическое вещество (есть и такие — например, содержащиеся в почве гумусовые кислоты) в водохранилище частично разлагается (в основном с образованием углекислого газа), частично проходит через турбины и водосбросы ГЭС вниз по течению.
Помимо всего этого, в водохранилище (как, впрочем, и в природных водоемах) происходят и другие процессы, связанные как с поглощением, так и с образованием парниковых газов. В водохранилище развивается растительность — как микроскопическая (фитопланктон), так и более крупная (различные водоросли, камыши и тому подобное). Как и другие растения, они живут за счет фотосинтеза, а значит, в процессе роста поглощают углекислый газ. Отмирая, растения попадают во все тот же донный ил, где частично разлагаются по аэробному и анаэробному путям.
Масштабы развития водной растительности опять же напрямую зависят от температуры, а также от содержания в воде некоторых минеральных веществ, особенно соединений фосфора. Многим хорошо известно «цветение» воды — бурное развитие водорослей и бактерий, которое происходит в хорошо прогреваемых и не очень чистых водоемах. Конечно, чем активнее развиваются водные растения, тем больше отмирающей и затем разлагающейся (в том числе и с образованием метана) биомассы они образуют.
Вклад России
Из-за хозяйственной деятельности человечества концентрация метана в атмосфере возросла с 600 до 1 750 ррb. Это означает, что поступление метана в атмосферу на 1/3 обязано природным источникам (это 170 млн тонн в год) и на 2/3 — антропогенным источникам (330 млн тонн в год). Главный вклад вносят три источника: болота, крупный рогатый скот и рисовые поля. Российский вклад оценен в интервале 35÷40 млн тонн метана в год.
По данным Аналитического обзора «Метан в окружающей среде». Н. М. Бажин, выпуск 93, серия «Экология».
По данным Аналитического обзора «Метан в окружающей среде». Н. М. Бажин, выпуск 93, серия «Экология».
Моллюски и другие водные организмы с прочными раковинами или панцирями состоят из извести (карбоната кальция), то есть сырьем для них служит углекислый газ. В отличие от органического вещества, раковины не разлагаются, и содержащийся в них углерод надежно изымается из атмосферы.
Итак, подытожим. В водохранилищах одновременно идут два противоположных процесса: выделение углекислого газа и метана в атмосферу при разложении органического вещества и захоронение углерода (как принесенного рекой, так и поглощенного живыми организмами водохранилища) в донных отложениях. Масштабы и интенсивность этих процессов сильно зависят от местных условий — температуры и состава поступающей в водохранилище воды (ее мутности и загрязненности соединениями фосфора).
Все процессы, о которых рассказано выше, происходят и в природных озерах. Но у водохранилищ имеется специфика, связанная с первоначальным периодом их существования. Когда водохранилище заполняется, оно затапливает большие объемы органического вещества, содержащегося в почвах и растительности (в том числе в невырубленном лесе). Часть этой органики разлагается (аэробно и анаэробно), часть навсегда консервируется на дне водохранилища. Поэтому в первые годы после заполнения водохранилище всегда дает всплеск выбросов парниковых газов, интенсивность которого зависит от количества затопленной органики и, опять же, температуры. Но этот процесс носит временный характер — как правило, основные этапы переработки затопленного органического вещества завершаются в течение первых двух десятилетий существования водохранилища.
Итак, подытожим. В водохранилищах одновременно идут два противоположных процесса: выделение углекислого газа и метана в атмосферу при разложении органического вещества и захоронение углерода (как принесенного рекой, так и поглощенного живыми организмами водохранилища) в донных отложениях. Масштабы и интенсивность этих процессов сильно зависят от местных условий — температуры и состава поступающей в водохранилище воды (ее мутности и загрязненности соединениями фосфора).
Все процессы, о которых рассказано выше, происходят и в природных озерах. Но у водохранилищ имеется специфика, связанная с первоначальным периодом их существования. Когда водохранилище заполняется, оно затапливает большие объемы органического вещества, содержащегося в почвах и растительности (в том числе в невырубленном лесе). Часть этой органики разлагается (аэробно и анаэробно), часть навсегда консервируется на дне водохранилища. Поэтому в первые годы после заполнения водохранилище всегда дает всплеск выбросов парниковых газов, интенсивность которого зависит от количества затопленной органики и, опять же, температуры. Но этот процесс носит временный характер — как правило, основные этапы переработки затопленного органического вещества завершаются в течение первых двух десятилетий существования водохранилища.
Цитата
“
«Вклад гидроэнергетических водохранилищ России в национальную антропогенную эмиссию метана составляет всего 0,4%».
Сколько вешать в граммах
Во многих исследованиях, посвященных выбросу парниковых газов с поверхности водохранилищ, описывается только один процесс — собственно выделение углекислого газа и метана — и игнорируются процессы, приводящие к поглощению и захоронению углерода. Отчасти это связано с простотой методологии: выделение парниковых газов достаточно просто измерить, а вот количественная оценка процессов поглощения углерода требует существенно более сложных и дорогостоящих работ. Но такие односторонние исследования трудно назвать корректными. Также для полной корректности исследований хорошо бы проследить конечную судьбу органического вещества, которое переносится рекой в естественных условиях. Что с ним происходит, какая его часть в конечном итоге в природе разрушается и превращается в углекислый газ и метан? Эти объемы логично не учитывать при подсчете выбросов с поверхности водохранилищ, поскольку они в любом случае окажутся в атмосфере — есть ли водохранилище или его нет.
Одно из исследований, поставившее перед собой цель корректно оценить потоки парниковых газов в водохранилищах, — работа профессора, заведующего кафедрой общей биологии МГУ Дмитрия Замолодчикова, выполненная в 2018 году. Ученый изучил баланс парниковых газов в водохранилищах России и получил следующие результаты: в переводе на эквивалент углекислого газа водохранилища гидроэлектростанций нашей страны ежегодно выбрасывают 4,65 млн тонн парниковых газов, в том числе 3,52 млн тонн метана и 1,13 млн тонн СО2. При этом в донных отложениях ежегодно захоранивается 5,21 млн тонн парниковых газов. Таким образом, водохранилища ГЭС России не только не выбрасывают парниковые газы, но даже поглощают их в объеме 0,56 млн тонн в год.
Причина таких результатов очевидна — большинство водохранилищ России находятся в относительно холодных природных зонах, в результате в них поступает и образуется не так много органического вещества, а микробиологические процессы замедленны. Большинство российских водохранилищ были заполнены более 20 лет назад, и процессы разложения затопленной органики в них в основном завершились.
Но это не означает, что водохранилища не могут генерировать значительных выбросов парниковых газов. Такое вполне возможно в подходящих условиях, что отмечают и эксперты, проводившие исследования EDF. Это тропический климат, высокая загрязненность воды, большие объемы затапливаемого при создании водохранилища органического вещества.
Значит, эмиссию парниковых газов с поверхности водохранилища нужно учитывать при проектировании новых гидроэлектростанций, особенно возводимых в тропиках. Уменьшить масштабы этого явления можно и нужно предотвращением загрязнения воды стоками (особенно содержащими фосфор), а также максимально возможной очисткой ложа водохранилища перед затоплением от растительности, в первую очередь от леса. Стоит отдавать предпочтение гидроэлектростанциям с компактными водохранилищами (как правило, расположенными в горах). Проблема выбросов парниковых газов не актуальна для гидроэлектростанций, построенных по деривационной схеме: там напор на турбинах создается не плотиной, а при помощи тоннелей или каналов. Именно эти проектные решения (минимизация площадей затопления, широкое использование деривационной схемы) — очевидные тренды современной гидроэнергетики.
Во многих исследованиях, посвященных выбросу парниковых газов с поверхности водохранилищ, описывается только один процесс — собственно выделение углекислого газа и метана — и игнорируются процессы, приводящие к поглощению и захоронению углерода. Отчасти это связано с простотой методологии: выделение парниковых газов достаточно просто измерить, а вот количественная оценка процессов поглощения углерода требует существенно более сложных и дорогостоящих работ. Но такие односторонние исследования трудно назвать корректными. Также для полной корректности исследований хорошо бы проследить конечную судьбу органического вещества, которое переносится рекой в естественных условиях. Что с ним происходит, какая его часть в конечном итоге в природе разрушается и превращается в углекислый газ и метан? Эти объемы логично не учитывать при подсчете выбросов с поверхности водохранилищ, поскольку они в любом случае окажутся в атмосфере — есть ли водохранилище или его нет.
Одно из исследований, поставившее перед собой цель корректно оценить потоки парниковых газов в водохранилищах, — работа профессора, заведующего кафедрой общей биологии МГУ Дмитрия Замолодчикова, выполненная в 2018 году. Ученый изучил баланс парниковых газов в водохранилищах России и получил следующие результаты: в переводе на эквивалент углекислого газа водохранилища гидроэлектростанций нашей страны ежегодно выбрасывают 4,65 млн тонн парниковых газов, в том числе 3,52 млн тонн метана и 1,13 млн тонн СО2. При этом в донных отложениях ежегодно захоранивается 5,21 млн тонн парниковых газов. Таким образом, водохранилища ГЭС России не только не выбрасывают парниковые газы, но даже поглощают их в объеме 0,56 млн тонн в год.
Причина таких результатов очевидна — большинство водохранилищ России находятся в относительно холодных природных зонах, в результате в них поступает и образуется не так много органического вещества, а микробиологические процессы замедленны. Большинство российских водохранилищ были заполнены более 20 лет назад, и процессы разложения затопленной органики в них в основном завершились.
Но это не означает, что водохранилища не могут генерировать значительных выбросов парниковых газов. Такое вполне возможно в подходящих условиях, что отмечают и эксперты, проводившие исследования EDF. Это тропический климат, высокая загрязненность воды, большие объемы затапливаемого при создании водохранилища органического вещества.
Значит, эмиссию парниковых газов с поверхности водохранилища нужно учитывать при проектировании новых гидроэлектростанций, особенно возводимых в тропиках. Уменьшить масштабы этого явления можно и нужно предотвращением загрязнения воды стоками (особенно содержащими фосфор), а также максимально возможной очисткой ложа водохранилища перед затоплением от растительности, в первую очередь от леса. Стоит отдавать предпочтение гидроэлектростанциям с компактными водохранилищами (как правило, расположенными в горах). Проблема выбросов парниковых газов не актуальна для гидроэлектростанций, построенных по деривационной схеме: там напор на турбинах создается не плотиной, а при помощи тоннелей или каналов. Именно эти проектные решения (минимизация площадей затопления, широкое использование деривационной схемы) — очевидные тренды современной гидроэнергетики.
Мощности источников метана
Поток метана от различных особей
Ключ от индустриального общества
Проблема выбросов парниковых газов с поверхности водохранилищ действительно существует, но ее масштабы часто преувеличиваются — а нужно обязательно оценивать захоронения углерода в донных отложениях. В каждом случае необходим индивидуальный подход, учитывающий особенности конкретного водохранилища. В целом нет оснований для лишения гидроэнергетики статуса безуглеродной генерации, хотя в отношении отдельных проектов этот вопрос может подниматься, следствием чего станет изменение проектных решений либо отказ от строительства станции.
Уникальные преимущества гидроэлектростанций — такие, как использование возобновляемого источника энергии, низкая себестоимость производимого электричества, высокая маневренность, практически неограниченный срок службы, возможность комплексного использования водохранилищ в целях водоснабжения, орошения, защиты от наводнений и т. п. — ведут к тому, что развитие гидроэнергетики в мире продолжится. По прогнозам Международного энергетического агентства, к 2040 году мощности ГЭС могут вырасти примерно на 80%. Крупная гидроэлектростанция может стать ключом, открывающим перед бедными развивающимися странами двери в современное индустриальное общество.
Сегодня гидроэнергетика — крупнейший в мире источник возобновляемой электроэнергии, на нее приходится около 60% выработки такой электроэнергии и примерно 16% всей выработки электроэнергии в мире. Для того чтобы энергосистемы работали надежно и экономично, очень важны уникальные маневренные возможности гидроэлектростанций, позволяющие быстро изменять мощность станций и парировать аварийные ситуации, не допуская отключения потребителей.
Проблема выбросов парниковых газов с поверхности водохранилищ действительно существует, но ее масштабы часто преувеличиваются — а нужно обязательно оценивать захоронения углерода в донных отложениях. В каждом случае необходим индивидуальный подход, учитывающий особенности конкретного водохранилища. В целом нет оснований для лишения гидроэнергетики статуса безуглеродной генерации, хотя в отношении отдельных проектов этот вопрос может подниматься, следствием чего станет изменение проектных решений либо отказ от строительства станции.
Уникальные преимущества гидроэлектростанций — такие, как использование возобновляемого источника энергии, низкая себестоимость производимого электричества, высокая маневренность, практически неограниченный срок службы, возможность комплексного использования водохранилищ в целях водоснабжения, орошения, защиты от наводнений и т. п. — ведут к тому, что развитие гидроэнергетики в мире продолжится. По прогнозам Международного энергетического агентства, к 2040 году мощности ГЭС могут вырасти примерно на 80%. Крупная гидроэлектростанция может стать ключом, открывающим перед бедными развивающимися странами двери в современное индустриальное общество.
Сегодня гидроэнергетика — крупнейший в мире источник возобновляемой электроэнергии, на нее приходится около 60% выработки такой электроэнергии и примерно 16% всей выработки электроэнергии в мире. Для того чтобы энергосистемы работали надежно и экономично, очень важны уникальные маневренные возможности гидроэлектростанций, позволяющие быстро изменять мощность станций и парировать аварийные ситуации, не допуская отключения потребителей.
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ #1–2_2020