УДК 551.510.42:542.74+551.583
Потенциальная роль негативной эмиссии диоксида углерода в решении климатической
проблемы
А. Г. Рябошапко*, А. П. Ревокатова*
Рассмотрены возможные подходы к преодолению климатического кризиса — быстрое уменьшение антропогенных выбросов С02, изъятие из атмосферы избыточного количества С02 и целенаправленное изменение баланса приходящего солнечного излучения. Рассмотрены основные инженерные методы удаления С02, способные обеспечить негативную эмиссию С02 на уровне гигатонны в год. Для каждого метода оценен максимально возможный потенциал, сформулирован сценарий применения до 2300 г. и оценено среднее время продолжительности существования С02 в резервуаре захоронения. Модельными расчетами показано, что даже вся совокупность методов негативной эмиссии не сможет обеспечить стабилизации глобальной температуры на допустимом уровне при наиболее пессимистичных сценариях увеличения концентрации С02 в атмосфере. Делается вывод о том, что начиная с середины XXI в. человечество будет вынуждено использовать все три подхода к недопущению опасного превышения средней глобальной температуры.
Ключевые слова: антропогенные выбросы СО2, негативная эмиссия СО2, стабилизация глобальной температуры воздуха.
1. Введение
Деятельность человека привела к поступлению в атмосферу Земли около 1300 Гт диоксида углерода, что вызвало увеличение его концентрации в атмосфере Земли с 278 до 394 млн_1. До настоящего времени попытки взять ситуацию под контроль путем сокращения выбросов не увенчались успехом. Глобальная эмиссия парниковых газов продолжает увеличиваться примерно на 3% в год [47]. Соответственно их концентрация в атмосфере увеличивается в последние годы быстрее, чем прогнозировала Международная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) по сценарию A1FI [55]. МГЭИК пришла к выводу о целесообразности использования в климатических прогнозах сценариев изменения концентраций парниковых газов в атмосфере (Representative Concentration Pathways — RCPs). В связи с этим экспертами МГЭИК были подготовлены четыре сценария изменения концентраций парниковых газов: RCP2.6, RCP4.5, RCP6.0 и RCP8.5 [39]. Цифры в названиях сценариев означают величину радиационного
* Институт глобального климата и экологии Росгидромета и Российской академии наук; e-mail: agryaboshapko@mail.ru, revokatova@gmail.com.
форсинга парниковых газов, прогнозируемого на 2100 г. в Вт/м2. Сценарии RCP для концентраций С02 в период с 2000 по 2300 г. представлены на рис. 1.
Общепринято считать величину +2°С условно допустимым порогом превышения средней глобальной температуры [14]. Расчетами с использованием климатических моделей оценено [1, 13], что средняя глобальная величина приращения температуры +2°С будет превышена при достижении концентрации С02, равной примерно 550 млн_1. Это пороговое значение отмечено на рис. 1 точечной горизонтальной линией. На рис. 1 видно, что при сценариях RCP2.6 и RCP4.5 значения прогнозируемых концентраций не превышают порогового значения +2°С. При сохранении современных тенденций (сценарий RCP8.5) концентрация С02 достигнет порогового значения к середине XXI в. Отсюда следует вывод о том, что если не удастся кардинально сократить антропогенные выбросы, превышение принятого порога повышения температуры может оказаться неизбежным.
В принципе у человечества есть три подхода к решению климатической проблемы [48]. Первый предполагает уменьшение выбросов С02 до уровней, не вызывающих нежелательных климатических последствий. Этот вариант, весьма вероятно, уже неосуществим. Второй подход основан на удалении из атмосферы излишков С02 (Carbon Dioxide Removal — CDR). Третий основывается на идее уменьшения интенсивности приходящего солнечного излучения (Solar Radiation Management — SRM). Представляется ес тес твен ным, что в усло ви ях не опреде лен нос ти про гно зов че ло вечес тво должно быть готовым к использованию всех трех подходов к решению климатической проблемы [56].
Методы второго и третьего подходов (методы инженерии климата) обладают своими достоинствами и недостатками, поскольку имеют разную физическую основу [1, 2, 32, 40, 55]. Методы CDR направлены на устранение причины глобального потепления с помощью интенсификации стоков С02 из ат мос фе ры. 0ни пред усмат ри ва ют про веде ние су щес твен ных изменений в инфраструктуре мировой экономики, поэтому они дорогостоящие и могут дать желаемый результат лишь спустя десятилетия. Методы SRM способны противодействовать глобальному потеплению, но не могут устранить его причины. Таким образом, методы SRM должны применяться неопределенно долго.
В последнее время принято называть методы CDR методами негативной эмиссии [24]. В данной работе внимание будет сосредоточено именно на не гатив ной эмис сии с целью оце нить потен ци ал со от ве тству ю щих методов для решения проблемы климата. В конечном итоге важно ответить
Рис. 1. Прогноз изменения концентрации С02 в соответствии со сценариями К.СР2.6 (1), К.СР4.5 (2), КСРб.О (5) и И.СР8.5 (4).
Точечная линия на уровне 550 млн'1 соответствует превышению глобальной температуры на 2°С.
на вопрос, достаточно ли мер только негативной эмиссии или человечеству следует готовиться к применению методов БЯМ.
Для климатических оценок важны значения кумулятивной эмиссии, т. е. накопленного в атмосфере количества С02. Это же относится к понятию кумулятивной негативной эмиссии. Глобальной задачей можно считать удаление из атмосферы 1200 Гт С02 в течение 50 лет, чтобы в итоге получить концентрацию С02, равную 350 млн-1 [36]. Трудности с развертыванием методов негативной эмиссии сочетаются с тем обстоятельством, что они должны использоваться десятилетиями для достижения ощутимого эффекта [9].
Для оценки необходимости принятия тех или иных инженерных мер борьбы с глобальным потеплением целесообразно рассматривать наиболее неблагоприятные сценарии. Это положение основано на том, что своевременная подготовка к предотвращению климатического кризиса инженерными методами (моделирование, проведение мелкомасштабных экспериментов, разработка технологий) даст возможность быстрого начала их использования при возникновении угрожающей ситуации.
2. Методы захоронения удаленного из атмосферы С02
Изъятие С02 из атмосферы сопряжено с необходимостью его надежного и долговременного захоронения. Это исключительно сложная задача, требующая создания инфраструктуры, по масштабам капиталоемкости превосходящей инфраструктуру топливной энергетики. Информация по вопросам захоронения С02 на начало 2000-х годов обобщена экспертами МГЭИК в специальном отчете [20]. По их мнению, наиболее перспективным представляется захоронение в литосферных резервуарах: пористых породах, отработанных нефтегазоносных пластах, глубинных рассолах. Потенциал литосферного варианта захоронения С02 может превышать 10 000 Гт при практически неограниченном времени нахождения в подземном резервуаре. Подобный потенциал захоронения предоставляют также глубин ные слои океа на. 0дна ко в этом слу чае продол жи тель ность существования захороненного С02 зависит от глубины: от 330 лет на глубине 800 м до 1500 лет при глубине 3000 м [20].
В более поздних работах оценки общемирового потенциала захоронения С02 варьируются в более в широких пределах: от 2100 Гт [16] до сотен тысяч гигатонн С02 [8, 29]. Наиболее перспективным представляется метод закачки С02 в глубинные рассолы, где он может сохраняться в виде бикарбонат-иона неопределенно долго [54]. Емкости этого резервуара (до 200 000 Гт С02) в любом случае достаточно для захоронения всего количества С02, которое следует удалить из атмосферы методами негативной эмиссии.
Важно иметь в виду, что на сегодняшний день имеется лишь несколько пилотных установок по транспортировке и закачке С02 под землю [15]. На первом этапе может оказаться наиболее перспективной закачка С02 в отработанные нефтегазовые пласты как с целью его захоронения, так и для повышения внутрипластового давления. Морские технологии захоронения С02 находятся на стадии теоретических исследований. Представляется, что широкое внедрение в практику технологий захоронения С02 мо-
жет занять не один десяток лет, что необходимо учитывать при разработке прогнозов использования методов негативной эмиссии.
3. Методы негативной эмиссии и сценарии их использования в будущем
В той или иной степени методы негативной эмиссии основаны на механизмах естественных процессов, определяющих природный цикл углерода в системе атмосфера — океан — биота — литосфера. В литературе можно найти описание более двух десятков разных вариантов методов негативной эмиссии. В настоящей работе при разработке сценариев использования методов негативной эмиссии учитывали потенциал поглощения С02, готов ность ме тодов к при ме не нию, тех ноло ги чес кую инер цию, яв ную убыточность всех методов негативной эмиссии, отсутствие опыта захоронения С02. Важным фактором, определяющим сроки начала широкого применения методов негативной эмиссии, является необходимость создания транспортной инфраструктуры для обеспечения доставки С02 к месту захоронения. Учитывалось также то обстоятельство, что некоторые методы можно применять одновременно. Другие, наоборот, взаимозависимы, и их потенциал ограничен конкуренцией, например в части использования земельных ресурсов. Характеристики стоимости не рассматривались из-за их крайней неопределенности на шкале времени в сотни лет. Изменения тем па не гатив ной эмис сии и ве ли чи ны кумуля тив ной не гатив ной эмис сии прослеживали вплоть до 2300 г. Начало и продолжительность этапа развертывания оценивали исходя из представлений о сложности технологии и степени готовности к широкому использованию.
Несколько методов, описанных в литературе, признаны нереалистичными, явно при водя щи ми к по боч ным не гатив ным эффектам или не да ю щи-ми в итоге целевого результата. Так, предложенный метод затопления древесины в океане или в болотах [5, 40] может привести к созданию придонных анаэробных зон в океане и к увеличению эмиссии других парниковых газов. Кроме того, данная технология экономичес
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.