Энергия биомассы: чистая или загрязняет окружающую среду?

«Очевидно, нельзя вырубать все леса только для того, чтобы, сжигая, получать из них электричество». «Разумно использовать отходы лесопилки для производства энергии, но все эти источники уже давно используются по максимуму. Отходов деревообрабатывающей промышленности недостаточно, чтобы биоэнергетика могла ими ограничиться без сжигания круглого леса»

Преобразование биомассы в энергию играет важную роль в снижении зависимости от ископаемого топлива. Но насколько этот возобновляемый источник энергии экологически чистый, как многие считают?

В мае 2019 года Великобритания целые две недели, вырабатывая электроэнергию, не использовала уголь. Чтобы это осуществилось, пришлось за последние годы проделать впечатляющую работу.

Однако, когда экологи радуются, публикуются хорошие новости и появляются счастливые лица, формирующие политику государства, похлопывая друг друга по спине, выявляется ужасная правда: электростанции, работающие на биомассе - одном из ключевых источников возобновляемой энергии, - выделяют больше углекислого газа в атмосферу, чем угольные энергетические предприятия, которые они призваны заменить. В спешке, чтобы скорее избавиться от угля, Великобритания, возможно, непреднамеренно усугубила ситуацию, связанную с глобальным потеплением.

Логика использования энергии биомассы проста. Деревья и растения поглощают углекислый газ из воздуха, с помощью фотосинтеза выделяют из него углерод, который затем используется в росте стволов деревьев, коры и листьев.

Однако, когда растение умирает, оно сгнивает и большая часть поглощенного углерода в виде углекислого газа выбрасывается обратно в атмосферу. «Когда для получения энергии используется биомасса, углеродный цикл, в котором накопленная энергия перехватывается человеком, а не просто рассеивается в окружающей среде, просто ускоряется».

Как всем известно, при сжигании ископаемого топлива выделяется углерод, взятый из геологических резервуаров, которые, если их не трогать, оставались бы взаперти в течение многих миллионов лет. Поэтому переход от ископаемого топлива к биомассе казался очевидным способом сдерживания изменения климата.

ЕС еще в 2009 году включил биомассу в список возобновляемых источников энергии, классифицируя ее как «углеродно-нейтральное» топливо. Несколько стран начали субсидировать промышленное развитие биоэнергетики. В настоящее время около половины возобновляемой энергии ЕС основано на биомассе, и эта цифра, вероятно, будет расти.

«Преимущество биомассы заключается в том, что ее можно легко получить и использовать, полагаясь на уже существующую энергетическую инфраструктуру».

В Великобритании эту «зеленую» энергетическую революцию возглавила Drax Group. За последнее десятилетие на электростанции Drax в Северном Йоркшире, работающей на угле и производящей около 5% британской электроэнергии, было переоборудовано четыре из шести энергоблоков для работы на биомассе. Сегодня Drax вырабатывает около 12% всей возобновляемой электроэнергии в Великобритании - этого достаточно для удовлетворения потребностей четырех миллионов домохозяйств.

Масштабы производственного процесса поражают

Один из наблюдателей, стоя рядом с железнодорожной станцией, расположенной в Drax, в сентябре 2019 года, видел, как 25 вагонов с древесными гранулами медленно высыпались в один из четырех купольных резервуаров размером с Альберт-Холл. Ему рассказали, что большинство гранул производится из древесных отходов лесопилки и других остатков лесопереработки.

В них могут содержаться верхушки и ветви деревьев, деформированные и больные деревья, не пригодные для другого использования, а также небольшие деревья, удаляемые с целью улучшения роста леса. Практически каждый день в порты, расположенные в Иммингеме, Халле, Ньюкасле и Ливерпуле, доставляются грузы, каждый из которых составляет около 62 000 тонн древесных гранул - этого достаточно, чтобы котлы работали в течение двух с половиной дней. Разгрузка одного корабля занимает три дня и требует 37 поездок грузовых поездов.

Масштабная процедура: хранилища размером с Альберт Холл для складирования древесных гранул на электростанции Drax, Северный Йоркшир, Великобритания. Предоставлено: Kate Ravilious

Можно подумать, что выбросы парниковых газов, связанные с транспортировкой гранул, должны быть огромными, однако было сказано, что они составляют удивительно небольшую долю парниковых выбросов во всей цепочке поставок. «Пока древесное топливо перевозится на корабле, расстояние не имеет большого значения».

Масштабы производственного процесса в Drax просто поражают. Не прошло и двух часов, как все гранулы грузового поезда превратились в дым. Хотя известно, что пеллеты изготавливаются из опилок и остатков лесных вырубок, поражает то, насколько колоссальным должен быть спрос на древесину, чтобы образовывались остатки в таком количестве.

Согласно заявлениям представителей Drax, решение о переходе от угля к биомассе снизило выбросы углекислого газа более чем на 80% с 2012 года. Однако эти расчетные данные основаны на нескольких основных предположениях: во-первых, углерод, выделяющийся при сжигании древесных гранул, должен мгновенно улавливаться вследствие нового роста растений; во-вторых, сжигаемая биомасса - это отходы, которые естественным образом всё равно бы выбросили углекислый газ при гниении. Но правильны ли эти предположения?

Сторонники получения энергии из биомассы утверждают, что, когда леса используются бережливым способом и в качестве топлива берутся только остатки лесной промышленности, выбросы углекислого газа из дымовой трубы компенсируются углеродом, который поглощается при возобновлении леса.

Однако некоторые ученые говорят, что такой учет просто невозможен. «Древесная биоэнергетика может со временем снизить содержание CO₂ в атмосфере, но только если заготовка древесины для получения биотоплива приводит к дополнительному росту лесов, чего в противном случае быть не может». Время, необходимое для восстановления лесонасаждений, чтобы компенсировать выбросы CO₂, известно как время «окупаемости углеродного долга», и именно оно горячо оспаривается.

Большие надежды

Исследователи говорят, что изначально идеи биоэнергетики вселяли оптимизм. «Климатический кризис настолько серьезен, что, когда всё начиналось, была искренняя надежда на то, что древесина частично решит проблему». Но чем дальше это продолжалось, тем возникало больше беспокойства.

Создав для анализа модель жизненного цикла, исследователи рассчитали время окупаемости лесов в восточной части США, из которых делается большая часть гранул, используемых в Великобритании, и сравнили этот показатель с выбросами углекислого газа от сжигания угля.

В лучшем случае, когда на всех обезлесенных землях вновь вырастет лес, по данным исследователей, сжигание древесных гранул породит углеродный долг со сроком окупаемости от 44 до 104 лет. «Поскольку эффективность сгорания древесины меньше, чем у угля, целенаправленное замещение угля древесиной приводит к еще большему увеличению атмосферных выбросов CO₂». «Это означает, что каждый мегаватт-час электроэнергии, вырабатываемой из древесины, производит больше CO₂ чем если бы электростанция работала на угле».

Однако это не повод вернуться к сжиганию угля. «Использование угля и других видов ископаемого топлива должно сокращаться. Но существует множество других способов сделать это, причем повышение энергоэффективности является одним из самых дешевых и быстрых вариантов».

Тем не менее защитники получения энергии из биомассы считают, что полученное значение углеродного долга является ошибкой, возникшей вследствие неправильной оценки лесных насаждений (имея в виду группу деревьев, посаженных одновременно и затем собранных несколько десятилетий спустя), без рассмотрения процесса в глобальном масштабе. «На самом деле происходит то, что одна часть леса используется (обычно 3-4%), а остальная часть - растет (чистый прирост должен составлять около 0,7–1% в год), в случае бережного управления лесами».

Циклы лесных рубок: леса обычно вырубаются и пересаживаются по частям, что означает, что разные участки находятся на разных стадиях произрастания. Предоставлено iStock / Herzstaub

Однако противники утверждают, что на самом деле, происходит по-другому. «Сбор одной части растущего леса не дает основания другим деревьям расти еще быстрее». «Деревья, используемые в биоэнергетике, продолжали бы расти, удаляя больше CO₂ из атмосферы. Чем дольше растет лес, тем больше в нем будет накоплено углерода».

Ранее предполагалось, что молодые деревья поглощают больше углерода, чем старые, потому что они быстрее растут, но недавние исследования показали, что древние леса, растущие в умеренных регионах, потребляют CO₂ больше, чем молодые плантации. Это связано с тем, что в некоторых случаях рост деревьев ускоряется с возрастом, и поглощенное количество CO₂ приблизительно эквивалентно количеству биомассы.

От роста до гниения

Но даже если старые деревья продолжают поглощать CO₂, что произойдет, когда они погибнут? В настоящее время учет углерода предполагает, что он весь когда-нибудь вновь попадет в атмосферу. Таким образом, очищать лес и сжигать древесные остатки для производства энергии лучше, чем оставлять их гнить на своем месте.

Однако некоторые ученые утверждают, что этот подход не в состоянии учесть все тонкости экосистемы. «Необходимо учитывать и тот углерод, который хранится в почве. Сбор и сжигание «отходов» древесины снижает уровень запаса углерода в лесных почвах. Это позволяет им становиться чистым источником его выбросов в атмосферу».

В 2017 году была использована модель для расчета влияния чистых выбросов. Расчеты показали, что даже если пеллеты изготавливаются из отходов лесного хозяйства, а не из целых деревьев, сжигание увеличит углеродные выбросы через 55 лет на 55–79%. Это приводит к выводу, что на погашение углеродного долга уходит много десятилетий, и что энергию биомассы нельзя считать углеродно-нейтральной в тех временных рамках, которые имеют значение для смягчения последствий изменения климата.

В связи с этим в марте 2019 года был даже начат судебный процесс против ЕС (eubiomasscase.org), в котором оспаривается трактовка, применяемая к лесной биомассе как к экологически чистому возобновляемому топливу. «Позиция защитников леса заключается в том, что политика должна учитывать выбросы биогенного углерода, а сжигание древесины не должно субсидироваться по программе поддержки развития возобновляемых источников энергии».

Датские методы

Но даже если энергия биомассы не на 100% нейтральна по отношению к углероду, в энергетической балансе может найтись и для нее место. В настоящее время около двух третей возобновляемых источников энергии в Дании приходится на биомассу, которая играет жизненно важную роль в поддержании работы систем централизованного теплоснабжения.

В 2018 году исследователи рассчитали углеродный долг и срок окупаемости для комбинированной теплоэлектростанции в Дании. Результаты показали, что этот долг был погашен через год, а через 12 лет выбросы парниковых газов сократились вдвое по сравнению со сжиганием угля. Эти цифры сильно отличаются от более чем 40-летнего срока окупаемости, оценка которого производилась выше. Так что же отличает получение энергии из датской биомассы от того, что наблюдается в Drax?

Расчет времени окупаемости углеродного долга для конкретной цепочки поставок может сыграть важную роль в тонкой настройке методов управления и минимизации выбросов.

Существуют ряд ключевых отличий. В датском исследовании завод сжигает древесную щепу, а не пеллеты, что снижает количество энергии, задействованной в переработке сырья. Кроме того, древесина поступает из местных смешанных лесов, произрастающих в регионе с умеренным холодным климатом, которые имеют характеристики роста, отличающиеся от деревьев, произрастающих в регионах с теплым умеренным климатом. Кроме этого, получаемая энергия расходуется для тепло- и электроснабжения местных домов.

«Очевидно, нельзя вырубать все леса только для того, чтобы, сжигая, получать из них электричество».

«Разумно использовать отходы лесопилки для производства энергии, но все эти источники уже давно используются по максимуму. Отходов деревообрабатывающей промышленности недостаточно, чтобы биоэнергетика могла ими ограничиться без сжигания круглого леса».

Источник: Physics World