Энергия прямо с поля?

Не все, что помечено символом «био», работает на охрану окружающей среды. Если это справедливо по отношению к продукции из супермаркетов, то уж тем более применительно к биогенному топливу, которое завоевывает мир под названием «биобензин». Самые распространенные его варианты — биоэтанол, получаемый в процессе брожения органических продуктов и последующей дистилляции, и биодизель, производимый из растительных масел. Биотопливо поднимает по меньшей мере три экологические проблемы. Во-первых, оно отбирает площади у производителей продуктов питания. Во-вторых, ради разведения энергетических культур (вспомним пальмовое масло) нередко жертвуют экологически ценными территориями. В-третьих, кукуруза и семена растений, из которых добывается масло, — это монокультуры, выращиваемые с применением большого количества искусственных удобрений и пестицидов. И баланс производства агротоплива часто оказывается отрицательным.

Биологические энергоносители играют все более важную роль в смешанном энергообеспечении. Прежде всего расширяется сфера применения агротоплива (этанол, агродизель). В процессе перехода с топлива на агробензин лидирует Бразилия. Более 90 % новых автомобилей, купленных в этой стране, ездят на смеси из бензина и этанола. Вторым после нефти важнейшим источником энергии этого крупнейшего южноамериканского государства, ставшего сырьевым гигантом, является топливо из сахарного тростника. 10 % этанола идет на экспорт. Все бо?льшую роль играет и производство агродизеля из бобов сои, которое планируется расширять. Европейскому союзу в этом вопросе выпала роль выгодного экспортного рынка. На первый взгляд все хорошо, но в реальности немало проблем. Хотя сахарный тростник выращивают не в районе Амазонки, но, поскольку тростниковые плантации все больше вытесняют пастбища, производство агротоплива приводит к вытеснению племенного скотоводства в сторону Амазонки, где ради производства мяса массовым порядком вырубаются тропические леса.

Учитывая далекоидущие планы бразильского правительства по увеличению производства агробензина, реальна опасность усугубления проблем. Группа немецких ученых и экспертов Программы ООН по окружающей среде в Найроби подсчитала, что для производства запланированных объемов биогенного топлива необходима дополнительная площадь, равная половине ФРГ. Особенно много места требуется для разведения сои. Ради этого просто вырубаются леса. А в результате истребления 1 га влажного тропического леса в атмосферу попадает примерно в 300 раз больше углекислого газа в год, чем предположительно экономит произведенный благодаря этому процессу биобензин в сравнении с производством традиционного топлива. Так что положительный эффект мы получим лет через 300, а нагрузкам (да еще каким!) климат подвергается уже сейчас. Чтобы несколько выправить ситуацию, ученые предлагают производить биодизель не из сои, а из пальмового масла, содержащего больше необходимых для этого веществ. Для производства одинакового количества топлива масличным пальмам по сравнению с соей требуется в 25 раз меньше площади[152]. Но, как мы уже видели, экологический баланс при производстве пальмового масла в решающей степени зависит от выбора почвы и земледельческих методов. Производство этанола из сахарного тростника можно повысить, не увеличивая посевных площадей. До сих пор для производства топлива использовали только сок растения. Однако, если рассматривать в качестве энергоносителя всю растительную массу, производственные показатели существенно возрастут. В настоящее время интенсивно разрабатываются методы создания «биотоплива второго поколения».

Если биобензин вызывает немало вопросов даже в Бразилии, где условия для производства агротоплива благоприятны, то что уж говорить о Европе и США. В 2010 г. в США было произведено 45 млрд л этанола — больше, чем в Бразилии. Биобензиновый бум начался при президенте Буше-младшем, администрация Обамы пока придерживается этого курса. Американское управление по охране окружающей среды (Environmental Protection Agency, EPA) допускает до 15 % примесей биотоплива (Е15) в бензине, который продается на заправочных станциях. Основой для производства этанола в США служит прежде всего кукуруза. По сравнению с бразильским сахарным тростником (особенно если под кукурузу идут залежные поля) экологический баланс в данном случае значительно менее стабилен, тем более если гигантские площади оказываются заняты монокультурой, что часто происходит на Среднем Западе США. Сегодня 40 % американских урожаев кукурузы идет на производство бензина, на производство кормов — значительно меньше. Тем самым утрачивается важный элемент мирового зернообеспечения. Если из-за длительной засухи в Америке случится неурожай, как это было летом 2012 г., в Латинской Америке и Африке взлетят цены на зерно, как результат — вырастет число голодающих. Укрепление энергетической независимости США обостряет продовольственный кризис в других странах. Поэтому глава Продовольственной и сельскохозяйственной организации Объединенных Наций Жозе Грациано да Силва в передовой статье Financial Times потребовал, чтобы американское правительство отказалось от производства этанола, поскольку в условиях нехватки продовольствия и кормов абсурдно производить из зерна топливо в промышленных объемах. Но сотни тысяч фермеров и крупная перерабатывающая отрасль уже слишком зависимы от производства биобензина, и в короткие сроки ситуацию изменить трудно. Тем не менее ввиду засухи в США также возобновились дебаты о целесообразности производства агротоплива. Нецелевое использование зерновых критиковали не только «традиционные подозреваемые» — представители социальных движений; с учетом острого дефицита и удорожания кормов летом 2012 г. широкая коалиция фермеров молочных хозяйств, скотоводов, птицеводов призвала отказаться от добавления биоэтанола в бензин.

В Германии ежегодно с полей и лугов снимается 53 млн т биомассы. Более 90 % ее используется для производства продуктов питания, кормов и промышленной продукции.

В настоящее время биогенные энергоносители составляют около 8,5 % сельскохозяйственной продукции, обеспечивая менее 1,5 % необработанной энергии[153]. Тем не менее выращивание энергетических культур для производства топлива и биогаза в последние годы набирало обороты. По оценкам специализированного агентства «Воспроизводимое сырье» (Nachwachsende Rohstoffe), в 2011 г. площади, занимаемые энергетическими растениями, составляли 2,28 млн га, что на 6 % больше, чем в предыдущем году. Согласно энергетическому сценарию правительства ФРГ, к 2050 г. биомасса может дать 23 % необработанной энергии[154]. Главный аргумент в пользу биогенных энергоносителей заключается в том, что при их сжигании высвобождается углекислого газа не больше, чем связывается при образовании биомассы. При этом, однако, не учитываются расход энергии и выбросы, связанные с выращиванием и переработкой аграрного сырья. Сторонники биотоплива ссылаются также на меньшую зависимость от импорта энергии и новые источники доходов отечественного сельского хозяйства и промышленности. Разработанный Евросоюзом в 2009 г. план производства биотоплива ставит цель повысить к 2020 г. долю энергии из возобновляемых источников в транспортном секторе до 10 %. В настоящее время в ФРГ доля биотоплива на топливном рынке составляет 6,25 %. Сюда относятся как добавки биотоплива, так и его использование в чистом виде. Чтобы повысить эти показатели, в 2011 г. был принят закон, согласно которому к ископаемому топливу необходимо подмешивать 10 % биогенного горючего (учитывается объем энергии топлива).

Около 60 % на немецком рынке биотоплива приходится на долю биодизеля. Его производят главным образом из рапсового масла. Все большую роль играет импорт пальмового и соевого масел. Аргентина, где в больших количествах выращивается генно-модифицированная соя, планирует экспортировать агродизель в Европу. Индонезия стремится к экспорту пальмового масла, причем не только в виде сырья, но и рафинированного, как более качественного продукта. В 2012 г. немецкая биодизельная отрасль понесла значительные убытки из-за давления дешевого импорта. 22 немецких производителя биодизеля понизили свой коэффициент нагрузки с 75 до 58 %, поскольку европейские нефтяные концерны крупными партиями закупают аргентинский биодизель. Отрасль пытается с этим бороться, ссылаясь на то, что производство аргентинского биотоплива в основном не сертифицировано, а все виды поступающего в Германию биотоплива должны иметь сертификаты устойчивого развития[155].

Но экологический баланс германского агробензина тоже оставляет желать лучшего. Лауреат Нобелевской премии по химии Пауль Крутцен пришел к выводу, что биодизель на основе рапса в 1,7 раза вреднее для климата, чем обычное горючее, биоэтанол на основе кукурузы — в 1,5 раза. Решающее значение при этом имеет высвобождение оксида азота вследствие применения азотистых удобрений. Оксид азота нагревает атмосферу в 300 раз сильнее углекислого газа[156]. Экспертиза, выполненная по поручению Еврокомиссии, пришла к более утешительным выводам, однако ее оценка тоже негативна: при производстве топлива на основе рапса выделяется на 4,5 % больше CO₂, чем при производстве обычного бензина, при производстве топлива на основе сои данный показатель еще выше — 11,7 %[157]. Это рушит весь план Евросоюза 2009 г. по использованию возобновляемых источников энергии, согласно которому применение биобензина может быть засчитано в качестве понижения выбросов CO₂ лишь странам — членам Евросоюза и только в случае понижения эмиссии углекислого газа минимум на 35 % по сравнению с традиционными видами топлива. Это правило, включенное в принятый в апреле 2009 г. план по использованию возобновляемых источников энергии, действует вне зависимости от того, выращивается ли аграрное сырье в самом Евросоюзе или за его пределами. Утилизировать можно только сырье, поставляемое устойчивыми хозяйствами, для чего разработаны специальные критерии. Так, сырье из коренных лесов (например, влажных тропических лесов) запрещено[158]. Однако подобные расчеты не учитывают побочные последствия для климата. Когда прибыльное выращивание энергетических культур вытесняет скотоводство и земледелие с их законной территории и ради этого вырубаются леса, косвенный эффект от землепользования (indirect land use effect) в результате использования агротоплива отбрасывает экологический баланс в минус. Под сильным давлением Еврокомиссия подала назад. Комиссар ЕС по энергетике Гюнтер Эттингер и его коллега комиссар по климатической политике Конни Хедегорд предложили новые правила, согласно которым доля биотоплива в ЕС ограничивается существующими 5 %, если это биотопливо произведено из продуктов, относящихся к продовольственным, — сахарного тростника, зерновых или рапса. Рост (до 10 %) должен происходить за счет биотоплива второго поколения, производимого из водорослей, сельскохозяйственных отходов и осадков сточных вод[159].

Производство биогаза на растительной основе также вызывает вопросы. В Германии благодаря Закону о возобновляемых источниках энергии было введено в строй около 7300 установок по производству биогаза. Большинство из них работает на основе кукурузы, которая преобразуется микроорганизмами в газ. Соответственно, значительно возросло производство кукурузы. Около 6 % немецких пахотных земель сегодня заняты «энергетической кукурузой». В Нижней Саксонии на каждом третьем гектаре растет кукуруза, что приводит в ужас защитников природы. На наших широтах кукуруза требует большого количества удобрений, азотные удобрения высвобождают очень вредные парниковые газы, нитраты наносят вред почве и грунтовым водам. Кукуруза выращивается преимущественно как монокультура, отнимая жизненное пространство у других растений и животных[160].

Кроме того, агротопливо вызвало нарекания как косвенный катализатор повышения цен на продовольственные продукты. В какой степени разведение энергетических культур способствует повышению цен на продукты питания, вопрос спорный. Но никаких сомнений, что выделение пахотных земель под продукцию для биобензина сокращает объемы производства продовольственных продуктов, особенно в неурожайные годы, что влечет за собой повышение цен. Именно это и случилось в 2012 г. По данным Детлефа Вихрова, руководителя Центра продовольственной безопасности при Университете Хоэнхайма, потребление зерновых в производстве агротоплива с 2006 г. возросло более чем вдвое. В 2010 г. на производство топлива пошло около 6 % мирового урожая зерновых[161]. По другим источникам, примерно 2 % мировых пахотных земель занято энергетическими культурами. С учетом растущего дефицита земель и повышающегося спроса на продукты питания это заметная величина. Всемирный банк даже объясняет повышение цен на продукты питания как раз производством агробензина. Так что биобензин невольно стал примером того, как чаемое благословение может обернуться проклятием. А ведь казалось, что агротопливо будет выгодно всем — аграриям, инвесторам, строителям, да еще и полезно для окружающей среды.

В июле 2012 г. ученые немецкой Академии Leopoldina представили негативный отчет о биоэнергии, придя к выводу, что «за исключением утилизации биогенных отходов использование биомассы в качестве источника энергии в промышленных масштабах не лучшее решение для такой страны, как Германия»[162]. Рекомендация основана на всестороннем изучении экологических и климатических издержек использования биомассы в энергетике, учитывавшем прямые и косвенные последствия ее производства и переработки. В частности: энергопотребление и высвобождение агрессивных парниковых газов, связанных с применением азотных удобрений; загрязнение почв и грунтовых вод фосфатными удобрениями; орошение энергетических культур; трудоемкость сева, вспашки, жатвы и перевозок; энергопотребление и выбросы, сопровождающие технологический процесс преобразования биомассы в газообразные и жидкие энергоносители; вытеснение производства продовольственных продуктов, кормов и промышленного сырья.

Эксперты полагают, что с учетом растущего спроса на продукты питания борьба за земли обострится. По этой причине в Китае запрещено производство этанола и бутанола из продовольственных растений, содержащих сахар и крахмал.

Трезвая оценка потенциала биогенных энергоносителей подводит к выводу, что задача к 2050 г. покрыть в Германии потребность в необработанной энергии биологическими ресурсами на 23 %, не нанеся при этом вред окружающей среде, невыполнима. В качестве альтернативы эксперты предлагают форсированное освоение возобновляемых источников энергии, что требует меньше площадей при более высокой отдаче. Однако они считают целесообразным комбинировать производство продовольственных продуктов, промышленную переработку растительных отходов и их применение в энергетической сфере.

И все-таки вегетарианство способно значительно больше понизить экологические нагрузки, чем биогенные источники энергии: «Уменьшение доли продуктов животного происхождения в рационе человека, видимо, потребует меньше биомассы для производства кормов и разгрузит сельское хозяйство. Выбросы парниковых газов в секторе сельского хозяйства, судя по всему, сократятся. Это, по всей вероятности, будет способствовать охране климата в большей степени, чем основные способы производства биоэнергии». Несколько смущает осторожность данной рекомендации — «видимо», «судя по всему», «по всей вероятности». Существует сотня убедительных причин, чтобы есть меньше мяса, и среди представителей молодого поколения число вегетарианцев растет. Однако исходить нужно все же из того, что в ближайшие десятилетия спрос на мясо будет повышаться. Также маловероятно, что крупные производители биомассы, такие как Бразилия, США и южноазиатские экспортеры пальмового масла приостановят производство агробензина. Поэтому в обозримом будущем биоэнергия неизбежно будет порождать неразрешимые конфликты интересов. Полный отказ от добычи газа, электричества и топлива из биомассы невозможен. Однако нужно попытаться разрядить конфликтную ситуацию в сфере продовольственной безопасности и улучшить экологический баланс производства агротоплива. Для этого необходимы технологические инновации, законодательная база для введения соответствующих стандартов и международные конвенции. Межправительственная группа экспертов по изменению климата оценивает глобальную перспективу биоэнергии намного выше. В начале 2012 г. она представила объемный «Специальный доклад о возобновляемых источниках энергии и ослаблении глобальных климатических изменений» («Special Report on Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation»), который ученые из Академии Leopoldina назвали «слишком оптимистическим»[163].

Итак, несмотря на все претензии к нынешнему состоянию производства энергии из аграрного сырья, не следует принципиально его отвергать. Здесь важнее всего, какое сырье используется в качестве энергоносителей, как оно производится, каковы расходы на переработку? Нужно поставить перед собой цель не использовать для энергодобычи продукты, которые могут служить продовольствием или кормами. Субсидирование производства биобензина и биогаза из злаков — это западня. На пахотных землях нужно в первую очередь выращивать сельскохозяйственные растения, из которых производится продовольственная продукция. На втором месте — растительное сырье для фармацевтической, химической и текстильной отраслей. Производство энергии из биомассы нужно поместить лишь в самый конец комплексной перерабатывающей цепочки. Общий экологический баланс в итоге должен быть положительным. Под таким углом зрения сегодня многие способы производства биоэнергии нельзя назвать устойчивыми. Но последнее слово еще не сказано. Если мы, чтобы понизить выбросы CO₂, хотим как можно скорее вытеснить ископаемые источники энергии из процесса производства электричества, отопления и транспортного сектора, было бы рискованно полагаться исключительно на солнечную и ветровую энергию. Энергию из биомассы несложно хранить, в каком бы агрегатном состоянии она ни находилась — твердом, жидком или газообразном. Децентрализованные электростанции, работающие на биомассе или биогазе, тоже просты в эксплуатации. В этом смысле они идеально дополняют солнечные батареи и ветрогенераторы, которые вырабатывают электричество непостоянно и стабилизируют электроснабжение и состояние распределительных сетей. Это преимущество может сохраняться по крайней мере при наличии надежных технологий, позволяющих аккумулировать экоэлектричество, и в комплексной системе электроснабжения, поступающего из разветвленных сетей возобновляемых источников энергии.

Биотопливо может способствовать сокращению выбросов углекислого газа и в авиации. С учетом стремительного роста числа воздушных перевозок (авиатранспорт уже долгое время расширяется в среднем примерно на 5 % в год в мировом масштабе) этот вопрос имеет большое значение для климатической политики. Биокеросин должен заменить ископаемое горючее. Основой для него могут служить гидрированные растительные масла — рапсовое, пальмовое, ятрофное. Ятрофу можно выращивать и в засушливых саваннах. Она не требует много воды, а поскольку растение еще и ядовито, химическая защита ей тоже не нужна. Можно подумать и о том, чтобы добывать керосин из богатых жирами водорослей. Специалисты полагают, что биокеросин может добиться первенства на рынке не раньше 2015 г.; первый пробный полет на биодизеле осуществила авиакомпания Air New Zealand в январе 2009 г. Авиакомпании Lufthansa и KLM на некоторых пассажирских рейсах добавляют в горючее 50 % биокеросина. Бразильский самолетостроительный завод Embraer предлагает самолеты, летающие на алкоисе (биоэтаноле второго поколения)[164]. Airbus, ведущие европейские авиакомпании, Еврокомиссия и европейские производители биотоплива договорились начиная с 2020 г. производить 2 млн т биотоплива в год для воздушного флота[165]. Важнейшую роль при производстве этих видов горючего также играет экологический баланс. Истребление влажных тропических лесов или агропромышленное разведение сои и кукурузы ради производства авиабензина равнозначно тушению пожара при помощи бензина. Ввиду ограниченного потенциала для устойчивого производства агротоплива в среднесрочной перспективе было бы разумно зарезервировать его за авиацией, в то время как наземный транспорт продолжать переводить на электричество.

Во избежание разного рода негативных последствий производства топлива и биогаза из сельскохозяйственных растений ученые в настоящее время активно экспериментируют с биотопливом второго поколения. Сюда относятся целлюлозный этанол, биометан и биокеросин. Если при производстве агротоплива первого поколения используется небольшая часть растительной массы (плоды или семена), то при производстве агротоплива второго поколения она перерабатывается уже почти целиком, что делает процесс намного эффективнее. Для производства одного и того же количества биотоплива требуется значительно меньше земли, воды, удобрений и т. д. Еще одно преимущество заключается в том, что необходимая биомасса либо поступает из отходов сельского хозяйства и промышленности, либо для ее выращивания можно использовать не самую плодородную почву, не вытесняя, таким образом, продовольственную отрасль. Сырьем для целлюлозного этанола могут служить лесная тонкомерная древесина, отходы деревоперерабатывающей промышленности, быстрорастущие плантационные деревья, такие как тополь и эвкалипт, а также солома и камыш. Целлюлоза составляет бо?льшую часть растительной биомассы, однако процесс ее получения при помощи специального коктейля из микроорганизмов и ферментов достаточно дорогостоящий. Если удастся наладить этот процесс в промышленных масштабах, топливо на основе целлюлозы по сравнению с его предшественником, агротопливом, сможет на порядок улучшить климатические показатели[166]. Соответствующие опыты уже проводятся на экспериментальном оборудовании. Сырьевой основой служат органические отходы, отходы сельского хозяйства и лесоводства, а также травы, выращиваемые на неплодородных землях. Так человечество пытается уладить конфликт между «тарелкой» и «баком».

Третий, еще более футуристический вариант — производство топлива, биогаза и водорода на основе водорослей. Биомасса водорослей на единицу площади значительно выше, чем у наземных растительных энергоносителей. Их можно выращивать в открытых водоемах или закрытых биореакторах; необходимый для этого CO₂ можно отводить с электростанций или промышленных предприятий. Солидные компании уже инвестируют в разработки топлива на основе водорослей. Так, например, ExxonMobil совместно с Synthetic Genomics Incorporated вложили в проект по производству топлива из водорослей 600 млн долларов. А американская авиакомпания Boeing уже заявила о намерении провести ряд пробных полетов на данном виде горючего. Концерн RWE на экспериментальном оборудовании одной из угольных ТЭС в Нижней Саксонии исследует возможность очищения газообразных отходов при помощи микроводорослей. После десульфуризации при помощи дымовых газов установку размером 600 м², в которой плавают водоросли, наполняют соленой водой. Под воздействием фотосинтеза микроводоросли растут, преобразуя CO₂ в кислород[167]. Содержащиеся в водорослях углеводы при помощи микробов перерабатываются в этанол или нефть. До сих пор, однако, не было разработано ни одной промышленной установки. Слишком высоки затраты, особенно на очистку топлива.