Write a comment
Звезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активна
 

logo

В предыдущей части были рассмотрены последствия глобального потепления. Эта часть будет посвящена техническим вопросам, связанным с остановкой изменения климата.

Предупреждение: меры, которые необходимо предпринять для остановки глобального потепления, различны для разных стран. В "Стадии 4" представлены лишь обобщённые теоретические рекомендации.

Стадия 4: Ничего не поделаешь!

Допустим, мы знаем, что потепление климата есть и оно угрожает нам. Но действительно ли мы можем что-то сделать, или вред, нанесённый природе, стал необратимым?

Содержание

Мнение учёных

Стадия 1: отрицание

Стадия 2: оно само

Стадия 3: это не так уж плохо

1. Таянье ледников

2.  Повышение уровня моря

3. Уменьшение уровня кислорода и закисление океанов

4. Последствия для климатической системы. Экстремальные явления

1. Осадки 

2. Ураганы

3. Наводнения

4. Засухи и тепловые волны

5. Пожары

Вывод

5. Последствия для сельского хозяйства

6.  Последствия для жизни на Земле

7. Здоровье человека

8. Социоэкономические последствия

9. Последствия для России

Выводы

Стадия 4: ничего не поделаешь!

1. Энергетика

Возобновляемые источники энергии

1. Солнечные панели

2. Солнечные тепловые установки

3. Ветровые генераторы

Ядерная энергия и УХУ

2. Транспорт

3. Промышленность

1. Цемент и бетон

2. Сталь

3. Аммиак

4. Этилен

4. Сельское хозяйство

5. Малые меры

6. Геоинженерия

7. Рычаги давления

8. Затраты/выгоды

Препятствия на пути к миру без потепления

1. Энергетика 

Возобновляемые источники энергии

Поскольку загрязнение воздуха и проблемы глобального потепления вызваны, главным образом, выбросами от сжигания вещества в процессе производства и использования энергии, такие проблемы могут быть решены только при масштабных изменениях в энергетическом секторе,  в котором, согласно разным метрикам, производится от 17% до 30% выбросов парниковых газов (стр. 99).

В соответствии с мнением Комитета по изменению климата, для того, чтобы избежать наихудших последствий глобального потепления, к 2030 году вся энергетика должна производить выбросы не более 50г еCО2/кВтч. Для сравнения, в 2008 году эти выбросы были в 10 раз больше, а в Великобритании в 2019 году они составили 256 г еCО2/кВтч.

Важнейший способ остановки изменения климата – это использование возобновляемых источников энергии. Согласно отчёту Международного агентства по возобновляемым источникам энергии, экологически чистая энергетика не стоит на месте. Уже в 2015 году 61% новых генерирующих мощностей был основан на возобновляемых источниках. Стоимость ветрогенераторов снизилась почти на треть с 2009 года, а стоимость солнечных батарей — на 80 %, благодаря чему возобновляемые источники энергии стали конкурентноспособными. Несмотря на это, если не будут предприняты дополнительные действия, то доля экологически чистых источников в общей потребляемой энергии к 2030 году повысится всего на 3% - от 18 до 21%. Повышение доли возобновляемых источников будет способствовать образованию новых рабочих мест, росту ВВП и сокращению расходов, связанных с изменением климата и загрязнением воздуха.

Для возобновляемых источников энергии возможны различные инновации.

1. Солнечные панели

На данный момент в большинстве солнечных батарей используется кристаллический кремний. Их эффективность достигает 22%, но дальнейшее развитие этой технологии затруднительно. Есть и новые технологии, которые могут повысить КПД батарей. Использование монокристаллического кремния вместо поликристаллического может повысить КПД до 26%. Каскадные солнечные элементы могут иметь КПД до 45% за счёт использования нескольких полупроводников, образующих ряд p-n переходов, каждый из которых вырабатывает ток в ответ на свет из своего диапазона длин волн. Разработка компании Tesla «Solar roof» и домашняя батарея «Powerwall» позволят обеспечить бесперебойное автономное питание всего дома от солнечной энергии.

Плавучие солнечные батареи уже существуют и вырабатывают больше энергии благодаря водному охлаждению, а также открывают больше возможностей для получения солнечной энергии в густонаселённых регионах. Их можно использовать ещё и для того, чтобы извлекать углекислый газ и водород из морской воды и производить экологически чистое топливо.

Другие технологии, в основном плёночные, имеют более низкий КПД, но зато делают производство проще и стоят не так дорого, а также предоставляют расширенные возможности установки. Повысить эффективность солнечных панелей можно также путём установки автоматизированных установок, которые будут менять угол наклона в зависимости от времени года и времени суток.

2. Солнечные тепловые установки

Для получения энергии от Солнца можно использовать не только батареи. Сконцентрированный солнечный свет несёт в себе много тепловой энергии, которую можно преобразовать в электрическую. Так, вырабатывать энергию могут солнечные башни, на вершине которых закреплён теплоприёмник, заполненный теплоносителем (например, расплавленными солями). Теплоприёмник нагревается с помощью сотен зеркал, а теплоноситель в нём используется для нагрева жидкости (обычно воды). Важным минусом этой системы является вред для пролетающих мимо птиц. 

В системах с параболическими и линейными зеркалами излучение фокусируется на приёмнике – трубке, заполненной жидкостью.

КПД параболических тарелок, концертирующих свет на двигателе Стирлинга, достигает 30%.

Солнечные тепловые установки занимают большие площади, и потому в малых масштабах они менее выгодны, чем солнечные панели. Они также более сложны в обслуживании. Тем не менее, тепловые установки могут вырабатывать энергию даже при нехватке солнечного света. Кроме того, с экологической точки зрения, они лучше солнечных панелей, в производстве которых участвуют токсичные материалы и выделяется больше углекислого газа. Их установка стоит дорого, однако они приносят большую выгоду, чем солнечные панели.

3. Ветровые генераторы

Ветровые генераторы считаются зрелой технологией с КПД, близким к теоретическому максимуму. Сейчас ведётся работа над тем, чтобы сделать турбины меньше и легче. Использование дистанционного управления для регулировки лопастей в зависимости от ветровых условий поможет увеличить эффективность турбин. Есть и альтернативные способы получения энергии от ветра – например, турбина без лопастей, которая вырабатывает энергию за счёт колебаний конструкции. 

Ещё один необычный вариант – это использование конструкции, отдалённо похожей на воздушный змей, которая вырабатывает энергию за счёт её движения по окружности.

Заполненные гелием летающие турбины позволят улавливать более сильный ветер.

Строительство ветряных турбин на шельфе затруднено из-за высокой стоимости установки и создания фундамента, а также ограниченной глубины установки, поэтому плавучие турбины могут стать перспективным вариантом. 

Наконец, ветряная установка INVELOX улавливает ветра и усиливает их за счёт своей необычной конструкции, благодаря чему из них можно получить больше энергии при меньшей занимаемой площади и меньших размерах.

Одним из важнейших недостатков возобновляемых источников энергии является их неподконтрольность человеку. Тем не менее, избежать отключения энергии в электрической сети на основе 100% возобновляемой энергии возможно. Переход к более маленьким сетям, покупка и продажа энергии между жильцами за криптовалюту, интеллектуальные переключатели и датчики, гибкое ценообразование и гибкая энергосеть, которая способна эффективно собирать данные и управлять накоплением и передачей энергии в ответ на текущие условия, использование тепловых и электрических накопителей энергии и более надёжное прогнозирование погоды, а также комбинирование источников энергии позволят (1,2) сделать электросети на основе 100% возобновляемой энергии реальностью. 

Более 47 исследований от 13 независимых исследовательских групп из 91 автора пришли к выводу о том, что создание стабильной электрической сети на основе 100% или почти 100%-возобновляемой энергии теоретически возможно.

Ядерная энергия и УХУ

Существуют и альтернативные способы борьбы с потеплением. Эта часть будет посвящена изучению их эффективности. Вот как выглядят выбросы CO2e от разных источников энергии согласно исследованию МГЭИК (2014).

На первый взгляд, кажется, что ядерная энергия занимает предпоследнее место по уровню выбросов CO2 и потому может стать важнейшим инструментом для остановки изменения климата. В то же время существуют исследования, которые дают более противоречивые результаты относительно выбросов CO2 от атомных электростанций.  

В 2008 году Бенджамин Совакул отфильтровал  19 наилучших исследований, посвященных выбросам парниковых газов от атомных электростанций.  Он рассмотрел их и выяснил, что выбросы углерода от ядерной энергетики в среднем составляют 66 г CO2e/кВтч. Совакул подвергся критике со стороны своих коллег, поскольку было отмечено, что большая часть проанализированных исследований, показывавших наиболее высокие выбросы CO2, опиралась на сомнительные данные Яна Виллема Шторма ван Леувена. Ван Леувен опирался на устаревшие данные об энергетических затратах на добычу урана и завышенные данные о затратах на измельчение руды, его методы расчёта затрат на строительство АЭС также неверны.

В 2012 году Итан Уорнер и Гарвин Хит рассмотрели 274 исследования, содержащих данные о выбросах от атомных электростанций. Они отфильтровали их до 27 для дальнейшего рассмотрения и нашли в этих исследованиях 99 «независимых» оценок выбросов углекислого газа. В итоге по данным Уорнера и Хита выбросы от атомных электростанций были в диапазоне от 4 до 220г CО 2е / кВтч. Они сообщили не о среднем, а скорее о медианном значении: в половине оценок выбросы были ниже 13 г CО 2е / кВтч.

Данное исследование было подвергнуто критике Китом Барнхемом в журнале The Ecologist. Он заявил, что проанализированные 99 оценок не являлись «независимыми» в смысле независимости друг от друга, ибо они были получены только из 27 статей. Во многих из них получалось несколько оценок в рамках одинаковых моделей, потому что в них вводили несколько разные исходные данные. Среди отобранных исследований были такие, которые не анализировали все пять этапов в жизненном цикле ядерной энергетики.  В итоге Барнхем отобрал из исследований, проанализированных в двух приведённых выше обзорах, 8 наилучших и более-менее схожих по методологии получения оценок. Половина полученных им оценок показала, что выбросы от ядерной энергетики выше 50г CО2е/кВтч. Его вывод состоял в следующем: «Данные, имеющиеся в научной литературе, не могут прояснить, находится ли углеродный след ядерной энергетики ниже предела, который все электростанции должны соблюдать к 2030 году».

Такой большой разброс в оценках вызван многими факторами: разными методами обогащения, разной углеродоемкостью электричества, используемого для обогащения урана, эффективностью установки, технологиями добычи.

Значительную роль в выбросах от атомной энергетики играет концентрация урана в руде (так, при использовании руды с концентрацией урана около 0,01% углеродный след от атомной энергетики может быть таким же, как и при производстве электроэнергии из природного газа). Этот факт весьма важен, ибо месторождения руд с самым высоким содержанием урана со временем истощаются, а в рудах из новых месторождений содержание урана как правило оказывается не таким высоким. Также новые месторождения обычно оказываются глубже, а качество самой руды ниже, из-за чего для ее добычи требуется больше энергии и выбросы парниковых газов возрастают.

На практике всё оказывается ещё сложнее. Влияние атомной энергетики на выбросы CO2e различается также от страны к стране и от исследования к исследованию – авторы некоторых работ приходят к выводу, что она вообще не помогает уменьшить выбросы. 

  Использование ядерной энергетики…
 Не сокращает выбросы CO2 Сокращает выбросы CO2

Использование ядерной энергетики...

Не сокращает выбросы CO2
Сокращает выбросы CO2

Также помимо неочевидных преимуществ в плане выбросов CO2e ядерная энергия имеет очень серьезный и очевидный недостаток: крупная авария на любом из более чем 400 работающих ныне реакторов может привести к облучению радиацией десятков миллионов людей и значительному экологическому ущербу.

Помимо прочего, имеется серьезная проблема с избавлением от высокорадиоактивных отходов, которые производит атомная энергетика. Еще не одна страна в мире полностью не разработала системы, которая позволила бы ей эффективно избавляться от атомных расходов.

Учёные, конечно, работают над решением этих проблем. Многие недостатки может исправить использование реакторов-размножителей (в особенности реакторов на быстрых нейтронах) - ядерных реакторов, позволяющих нарабатывать топливо в количестве, превышающем потребности самого реактора. Реакторы-размножители могут извлекать почти всю энергию, содержащуюся в уране или тории, уменьшая потребность в топливе в 100 раз по сравнению с широко используемыми легководными реакторами, которые извлекают менее 1% энергии, содержащейся уране. Кроме того, реакторы-размножители способны существенно (вплоть до 100 раз) снизить количество производимых радиоактивных ядерных отходов. Однако такие реакторы оказались экономическими неконкурентоспособными (затраты на их строительство на 25% выше, чем затраты на легководные реакторы) и проблемными в плане безопасности.

Находящийся в разработке реактор на бегущей волне в теории сможет использовать обедненный уран и отработанное топливо для непрерывного производства электроэнергии в течении 40 и более лет. Реакторы на бегущей волне в теории будут более экономичны, ибо для них не будут требоваться специальные процедуры обогащения ядерного топлива.

Термоядерные реакторы, в которых используется энергия слияния изотопов водорода при высоких температурах, тоже могут помочь в решении проблемы изменения климата. К сожалению, первый демонстрационный термоядерный реактор в Евросоюзе обещают построить не раньше 2050 года.

Ещё одна технология, которая рассматривается как вариант борьбы с потеплением - это улавливание и хранение углерода (УХУ). С одной стороны, внедрение этой технологии позволит существенно (на 68-87%) сократить выбросы CO2e на угольных электростанциях. С другой стороны, расширение использования возобновляемых источников энергии будет более эффективным средством в борьбе с глобальным потеплением и потребует меньших затрат, чем внедрение технологии УХУ [в развитых странах, по крайней мере] (1,2).

Во многом большая дороговизна и меньшая эффективность УХУ в энергетическом секторе будет вызвана «подводными камнями» в технологии УХУ (123-124 страница): внедрение технологий улавливания углерода приведет к усилению других негативных воздействий на окружающую среду. Процесс улавливания углерода потребует дополнительных энергетических затрат, что вызовет снижение чистой эффективности угольных электростанций примерно на 20%. Это приведёт к увеличению потребностей угольных электростанций в угле, что повлечёт за собой дополнительные выбросы или строительство новых угольных электростанций.

К тому же, другие парниковые газы не могут быть уловлены с помощью УХУ. Ограниченных водных ресурсов не всегда может хватить для водного охлаждения.

Опять же, существуют возможности для улучшения УХУ. Так, шведскими учеными был разработан материал SGU-29, который может эффективно улавливать CO2 даже из влажных газов. Исследование, опубликованное в журнале Science, показало, что углерод может быть быстро (за 2 года) отделен от атмосферы путем закачки его в вулканическую породу (откуда он не может просачиваться). Ученые из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли разработали новую гибридную мембрану, улавливающую углерод. Мембрана устроена так, чтобы молекулы CO2 могли проходить через нее по двум различным каналам (по полимерному каналу и по каналу из металл-органических каркасных структур). Первоначальные испытания показали, что такая мембрана в 8 раз более проницаема для CO2, чем мембраны, состоящие только из полимера. Повышение проницаемости для CO2 позволит существенно улучшить энергоэффективность УХУ.

Что можно сказать в итоге? Выгоды ядерной энергетика и УХУ для борьбы с потеплением на текущем этапе технологического развития находятся под вопросом, оба варианта имеют существенные недостатки. Будущее ядерной энергетики туманно, и её полезность для борьбы с потеплением варьируется в зависимости от страны. В долгосрочной перспективе, использование возобновляемых источников энергии должно стать приоритетным методом борьбы с потеплением, а расширение использования УХУ и ядерной энергии – второстепенным, хотя инновации в областях ядерной энергетики и УХУ могут сделать их будущее в безуглеродном мире более ярким.

К сожалению, солнечная энергетика, ветряная энергетика и гидроэнергетика также имеют свои недостатки. Например, строительство и эксплуатация гидроэнергетических сооружений может повлиять на течение рек (что может изменить экосистемы и негативно повлиять на дикую природу и людей) и вызвать наводнения. Для развертывания солнечной и ветряной энергетики потребуется большое количество земли, что может впоследствии вызвать эрозию почвы, потерю среды обитания для животных, проблемы в водопользовании и прочие негативные воздействия. Ветряные турбины могут наносить вред птицам.

Ученые, инженеры, компании и страны, расширяющие свои энергетические мощности, должны сосредоточиться на реализации решений, учитывающих возможное негативное влияние возобновляемых источников энергии. Например, вместо строительства солнечных электростанций путем расчистки участка земли, дома и здания могут быть оснащены индивидуальными солнечными батареями в больших масштабах.
2. Транспорт

В 2010 году 23% выбросов углекислого газа в атмосферу Земли было произведено в результате работы транспорта. Это число может продолжит расти по мере того, как в развивающихся странах будет увеличиваться количество личных автомобилей. Одной из основных проблем, которые могут возникнуть в ходе трансформации глобальной транспортной системы, является ее высокая зависимость от ископаемого топлива (в частности, от нефти). Если бы ископаемое топливо продолжало использоваться как основной источник питания автомобилей в экономике с 100% возобновляемой энергией, добыча и использование этого топлива потребовали бы слишком много вторичной энергии. Это означает, что для борьбы с глобальным потеплением человечеству уже сейчас необходимо задуматься о поиске альтернатив двигателям внутреннего сгорания и бензину. 

Электрификация силовых агрегатов транспортных средств является ключевым решением для обезуглероживания транспортного сектора. Электромобили на аккумуляторных источниках питания (BEV) существуют уже несколько десятилетий, однако в последнее время их производство увеличивается и наблюдается тенденция к снижению их цены до цены среднестатистического автомобиля на дизельном топливе. На данный момент на протяжении всего жизненного цикла BEV уже производят в 2,5 раза меньше парниковых газов, чем автомобили на дизеле. Если же в обозримом будущем источники энергии будут полностью чистыми, BEV вообще смогут производить нулевые (или околонулевые) выбросы парниковых газов в атмосферу в течение всего жизненного цикла энергии, чего никогда не смогут достичь автомобили с двигателем внутреннего сгорания (ICEV), работающие на жидком топливе.

В исследовании 2008 года были рассмотрены разные комбинации 9 источников чистой энергии (ветер, солнечный свет, горячая вода, энергия океана и т.д), 2 видов жидкого топлива и 3 видов экологического транспорта (BEV, Водородное транспортное средство (HFCV) и автомобиль на топливе E85). Данные комбинации оценивалась исходя из 11 критериев, включающих воздействие на уровень смертности, климатические выбросы, потребление воды, дикую природу, тепловое загрязнение и т.д. Выше всего по этим критериям авторы расположили комбинациию «BEV-ветряная энергия». В случае полной замены автопарка США на электромобили, получающие энергию от 73 000–144 000 ветряных турбин мощностью 5 МВт, удалось бы уменьшить выбросы CO2 в США на 32,5–32,7% и устранить почти 15 000 летальных исходов в год, связанных с загрязнением воздуха транспортными средствами.  

BEV являются не только экологичной, но и очень энергоэффективной альтернативой машинам на дизельном топливе. Только 17-20% энергии из ископаемого топлива или жидкого биотоплива используется для перемещения пассажирского транспортного средства на двигателе внутреннего сгорания. Остальная часть энергии (от 80 до 83%) - это отработанное тепло. BEV, с другой стороны, преобразует от 64 до 89% электричества в движение.

Однако тот факт, что теоретически мы можем сделать электромобили на чистых источниках питания, не означает, что частные электромобили для 11 миллиардов человек решат все проблемы с выбросами от транспорта. Вероятный недостаток трех ресурсов (редкоземельных металлов для электродвигателей, лития для литиевых батарей и платины для топливных элементов) может стать препятствием для создания миллиардов электромобилей. Расширение производства электромобилей неизбежно вызовет расширение добычи редкоземельных металлов, что приведет к загрязнению окружающей среды торием и другими отходами. Использование чистых методов извлечения редкоземельных металлов и асинхронных двигателей (не требующих редкоземельных металлов) лишь смягчит эту проблему, но не устранит ее полностью. Электромобили также не сократят количество аварий и пробок на дорогах, не помогут ликвидировать сидячий образ жизни. Транспортная система для городов, основанная на частных электромобилях, потребует электрифицированных парковочных мест для каждого владельца автомобиля из-за необходимости подзаряжать его ночью. В больших городах это потребует миллионов электрифицированных парковочных мест, что сложно реализовать. 

Наилучшей (и в то же время более экологичной) заменой частных электро- и автомобилей для всего общества и отдельных потребителей может стать электрифицированный каршеринг, беспилотное такси (1,2) и вообще совместные автономные транспортные средства, легкие транспортные средства (например, электрические скутеры, мотоциклы и квадроциклы) велосипеды (массовое внедрение которых может сократить выбросы парниковых газов на 11%) и общественный транспорт.

При этом нельзя не упомянуть, что электрификация междугороднего транспорта путем перехода на аккумуляторные источники питания окажется попросту неэффективной, ибо аккумуляторы с большим количеством энергии будут слишком тяжелыми, а подзарядка во время путешествия будет невозможна или нежелательна. Пожалуй, из транспорта на аккумуляторах в междугородних перевозках сколько-либо продуктивно смогут использоваться лишь грузовики вроде Mercedes-Benz Urban eTruck. 

А вот междугородние поезда, автобусы и троллейбусы будет целесообразнее подключать непосредственно к системе электропитания через воздушный провод или наземно (с помощью систем вроде APS). Непосредственное подключение общественного транспорта к системе электропитания также будет эффективно в крупных городах с плотной системой электропитания. Система электропитания также будет актуальна при внедрении технологий междугородних перевозок как RUF и TEV.

Суть системы «Rapid Urban Flexible» (RUF) такова: автомобили едут несколько километров на ручном управлении по обычным дорогам, чтобы добраться до железнодорожной системы. Там машины въезжают на монорельс, где соединяются в поезда. «Поезд» питается от электрической сети. Комбинация ветряных и солнечных элементов может быть интегрирована в монорельсовую систему для обеспечения автономности транспортировки. Между городами водители могут отдыхать до тех пор, пока они не приблизятся к своим пунктам назначения, где они снова возьмут на себя управление и самостоятельно отправятся в пункт назначения.

Tracked Electric Vehicle (TEV) Project основан на идее изобретателя Уилла Джонса, который стремился построить специальные автомагистрали, на которых автомобили будут не только заряжаться во время движения, но также будут управляться автоматически (если навигационная система будет включена в транспортное средство). Эти автомагистрали позволят избежать пробок на дорогах, позволяя автомобилям ездить в виде своеобразного поезда. Автомобили будут перезаряжаються во время езды с использованием электрической системы типа Scalextric или «сдвоенного рельса», установленного в центре полосы движения. Большая часть электричества может поступать от солнечных батарей, расположенных на дороге или над ней.

Электрический парк транспортных средств будет нуждаться в системе перезарядки.  Для этого может быть создана глобальная система электрических зарядных станций, размещенных на городских улицах, а также можно произвести развертывание системы TEV вдоль всех автомобильных дорог в мире. В первом сценарии нам потребуется от 1,2 до 3,6 станций на городской квартал, что будет весьма проблематично. Однако эта система будет на два-три порядка экономичнее системы TEV.

Но что же делать с морскими и воздушными судами, которые не могут получать энергию от электрической сети?

Если говорить о водном транспорте, то в нем могут использоваться двигатели, работающие на водороде или природном газе. В качестве альтернативы в настоящее время разрабатываются высокотемпературные топливные элементы из твердых оксидов и расплавленного карбоната, которые могут использовать метан. Многообещающей технологией является SkySails, автоматизированная система буксировочных воздушных змеев, способная заменить до 7 МВт мощности главного двигателя корабля.

В самолетах же могут использоваться двигатели, работающие на жидком метане. Также в перспективе возможно создание небольших воздушных судов, работающих на солнечных батареях

3. Промышленность

Деятельность промышленных компаний наносит огромный ущерб окружающей среде. В 2018 году на долю промышленности приходилось примерно 21% глобальных выбросов парниковых газов (ПГ), и по мере индустриализации стран третьего мира это число может увеличиться (уже в период с 1990 по 2014 год выбросы ПГ в промышленном секторе росли в 2 раза быстрее, чем выбросы ПГ в среднем). Таким образом, без изменений в промышленном секторе человечество вряд ли сможет остановить глобальное потепление.

Больше половины выбросов CO 2 в промышленности являются результатом производства четырех промышленных товаров - аммиака, цемента, этилена и стали. Особенно вредным является производство цемента и стали – совокупно на них приходится 13,7% глобальных выбросов парниковых газов. Снижение выбросов CO 2 в этих секторах будет затруднительным. Во-первых, 45% выбросов СО2  из этих секторов возникает из-за переработки сырья. Эти выбросы могут быть уменьшены только путем изменения процесса производства, но не переходом на другой вид топлива. Во-вторых, 35% выбросов в этих секторах происходит от сжигания ископаемого топлива для выработки тепла. Сокращение этих выбросов путем перехода на альтернативные источники тепла будет затруднено, поскольку это потребует значительных изменений в конструкции печей. В-третьих, промышленные процессы тесно интегрированы, поэтому любое изменение одной части процесса должно сопровождаться изменениями других частей этого процесса. 

Тем не менее, декарбонизация производства аммиака, цемента, этилена и стали все же возможна путем принятия ряда мер (1,2).

Цемент и бетон

Почти все выбросы от производства цемента являются результатом двух видов деятельности: сжигания топлива для нагрева печей и прокаливания карбоната кальция. Переход на газ или биомассу позволит сократить выбросы и потребует небольшой модернизации печей. Можно использовать биомассу в твердом (древесном, древесном угольном), жидком (биодизельном, биоэтанольном) или газообразном (биогазе) виде. Впрочем, стоит понимать, что вырубка леса для создания древесного топлива уже является глобальной проблемой, и уничтожение поглотителей углекислого газа может способствовать усилению потепления.

Также можно использовать для производства тепла электричество или водород. Однако, внедрение водородных и электрических печей в производство потребует существенной перепроектировки заводов.

В последние годы разрабатываются геополимерный цемент и бетон, которые гораздо экологичнее и лучше с точки зрения долговечности, огнестойкости, чем портландцемент (наиболее распространенный вид цемента). Карбонат кальция не является ключевым ингредиентом при производстве геополимерного цемента, и поэтому выбросы существенно сокращаются.

Кроме того, новые способы измельчения материалов позволят существенно уменьшить энергопотребление при изготовлении бетона или цемента.

Сталь

Основным источником выбросов углекислого газа при производстве стали является сжигание топлива для выплавки стали или для восстановления железной руды до железа. Опять же, применение альтернативных источников тепла, таких как биомасса и водород, позволит сократить выбросы. Например, производители стали в Бразилии используют древесный уголь в качестве топлива вместо каменного угля, а производители химических веществ в нескольких европейских странах экспериментируют с бионафтой в производстве химических веществ. Стоит отметить, что использование древесного угля вместо ископаемого требует меньших размеров печей и является менее эффективным.

Одной из перспективных технологий является мгновенная плавка водорода. Технологические исследования и разработки в настоящее время финансируются Министерством энергетики США в партнерстве с ArcelorMittal, US Steel и другими. При мгновенной плавке водород (или природный газ) может быть использован в качестве восстановителя вместо угля. По сравнению со средней доменной печью, мгновенная плавка водорода снижает выбросы CO2 на 96%.

Переработка и повторное использование стали позволит сократить выбросы. Сталь может производиться путем переработки бытового лома на мини-мельницах с электродуговыми печами (EAF), которые требуют небольших стартовых инвестиций, а также обеспечивают гибкость в планировании производства, позволяя их владельцам быстро реагировать на динамику рынка. Что касается местоположения, их компактные размеры позволяют таким мельницам располагаться рядом с источниками относительно недорогого постпотребительского лома. Однако качество стали, полученной из лома, зачастую не удовлетворяет требованиям покупателей.

Ещё один инновационный метод – использование электролиза для восстановления железа из руды. Пока он находится на стадии исследований.

Также может помочь снижение спроса. Например, производство легких банок должно снизить спрос на сталь, а цемент можно заменить такими материалами, как древесина.

Аммиак

Углекислый газ выделяется в процессе риформинга природного газа. Это процесс, в ходе которого метан реагирует с паром высокого давления с образованием водорода и CO2.  Для того, чтобы уменьшить выбросы, можно перейти на получение водорода путём электролиза или расщепления метана. Однако, получение водорода путём электролиза в 2 раза дороже, чем получение путём риформинга. Так что лучший способ уменьшить выбросы – это уменьшить спрос на аммиак. Одной из главных сфер его применения является изготовление мочевины, используемой в удобрениях. В качестве замены можно использовать цианобактерии или сине-зеленые водоросли.

Этилен

Этилен необходим для изготовления пластмасс. Выбросы углекислого газа происходят в процессе парового крекинга. Использование водорода и биомассы в качестве топлива позволит сократить выбросы. Также для получения этилена можно использовать окислительное дегидрирование - химический процесс, в ходе которого этилен и пропилен образуются при взаимодействии кислорода с этаном и пропаном. Кроме того, разрабатываются электропечи для парового крекинга, однако пока что они не поступили в продажу.

Другой путь – это замена сырья. Пластмасса сама по себе является большой экологической проблемой, т.к. она плохо разлагается и загрязняет планету. Биопласты или пластмассы, полученные из растительного сырья вместо нефти, являются жизнеспособным заменителем этилена и пропилена и при этом биоразлагаемы. Некоторые исследования показали, что выбросы углерода могут быть уменьшены на 25% за счет перехода от традиционным пластиков к биопластикам, сделанным из кукурузы. Однако, выращивание растений для биопластика связано с загрязнением почвы удобрениями и с использованием растений, пригодных в пищу, в качестве ресурса для изготовления пластика, что проблематично во всё более дефицитном мире. И этот пластик всё равно нужно компостировать, чтобы он разложился, а иначе он будет вести себя как обычный пластик. Без адекватной инфраструктуры для компостирования биопласты бесполезны.

Переработка пластмассы также позволит сократить выбросы.

УХУ может внести решающий вклад в сокращение выбросов CO2 при производстве многих материалов, а в особенности цемента. Для сокращения выбросов CO2 в промышленности на 50% к 2050 году необходимо использовать УХУ. Вклад этой технологии в достижение данной цели оценивается в 19%.Выбросы в остальных отраслях промышленности в целом можно будет сократить благодаря замене источников энергии и видов транспорта.

4. Сельское хозяйство

К 2050 году население земли увеличится на 2,2 миллиарда человек, и для того, чтобы их прокормить, потребуется произвести на 49% больше еды. При этом сельское хозяйство, лесное хозяйство и другие формы землепользования уже сейчас ответственны за 24% выбросов CO2. Крупнейшим источником выбросов являются животные, выделяющие навоз и метан. Есть несколько путей для изменения ситуации. Так, навоз животных можно использовать в качестве источника биогаза для получения из него электричества. Добавление кормовых добавок и пробиотиков в рацион коров позволит им выделять меньше метана, а также улучшит состояние их здоровья – например, добавление в их рацион морских водорослей привело к сокращению выбросов на 60%. Канадские учёные также работают над генетической селекцией коров – они выясняют, какие участки генома коров связаны с меньшим выделением метана, чтобы в дальнейшем использовать полученные знания для селекции. Самым радикальным методом можно назвать переход к выращиванию мяса в пробирке. К сожалению, помимо серьёзных технологических препятствий, из-за которых стоимость такого мяса сейчас крайне высока, внедрению нового продукта на полки магазинов может препятствовать страх потребителей перед «ненатуральным» мясом.

Ещё один источник выбросов – это сама почва. Выбросы NO2 и CO2 из почвы связаны с микробиологической активностью, дыханием корней и процессами химического распада. Повышение температуры почвы, быстрое изменение уровня её влажности и чрезмерное внесение азотных удобрений приводят к ускорению этих выбросов. Одним из решений проблемы может стать генная модификация. Генетическая модификация растений увеличивает урожайность, благодаря чему отпадает необходимость в увеличении посевных площадей, а также с помощью этой технологии учёные надеются получить бактерии, которые позволят растениям лучше поглощать азот, содержащийся в почве, путём преобразования его в аммиак. Многие бобовые уже существуют в симбиозе с такими бактериями. Вертикальное земледелие в закрытых пространствах позволит сократить выбросы, а также увеличить урожайность и уменьшить потребление воды. В таких необычных фермах растения укладываются в башни, а их корни погружаются в воду с добавлением мха или кокосовой шелухи. Они обладают огромным количеством преимуществ: никаких вредителей, урожай круглый год, идеальный уровень освещённости. Из минусов – высокая стоимость строительства таких ферм, высокое потребление энергии и большое количество рабочих (которое можно сократить за счёт автоматизации).

Другие меры – это более редкая обработка почвы, высаживание покровных культур между сборами урожая основных культур, грамотное использование удобрений и сочетание их с добавками, использование новых технологий для определения влажности почвы и содержания в ней питательных веществ и более эффективного орошения и удобрения каждого участка поля.

5. Малые меры

Города также могут приложить усилия для борьбы с потеплением. Например, в Чикаго была построена «самая зелёная улица в Америке». Тротуар на ней сделан из материала, поглощающего смог под действием солнечных лучей, деревья и кустарники поглощают CO2 и удерживают ливневые стоки, фонари питаются от солнечной и ветровой энергии, а 60% строительных отходов были переработаны. И всё это стоит на 21% дешевле, чем традиционный проект! Раздельный сбор, переработка и компостирование мусора также могут помочь в борьбе с потеплением. Строительство зданий, в которых используется меньше стали, цемента и стекла и больше древесины и железобетона, а также повторное использование и утилизация строительных отходов позволят сократить выбросы.

Но не только чиновники в силах помочь природе. Вы тоже можете уменьшить свой углеродный след. Вот некоторые рекомендации от ВОЗ:

  • Ходите пешком, ездите на велосипеде или в публичном транспорте. Около половины поездок на личном транспорте в городе связаны с перемещениями менее чем на 3 километра – вы вполне можете осилить их даже пешком. Помните, что повышенная физическая активность пойдёт вам же на пользу.
  • Не разгоняйтесь. Чем больше скорость, тем больше потребление топлива.
  • Путешествуйте на поезде. Так вы выбросите в атмосферу в 3 раза меньше углекислого газа, чем при путешествии на автомобиле.
  • Уменьшите потребление мяса. Причём не обязательно становиться веганами – достаточно перейти, допустим, с коровьего мяса на птичье.
  • Ешьте местные сезонные продукты. На их транспортировку и выращивание тратится меньше CO2.
  • Меньше пользуйтесь кондиционерами и нагревателями
  • Установите хорошую термоизоляцию. Это также позволит сократить ваши расходы на отопление.
  • Замените старые окна на окна с двойным остеклением
  • Не кладите горячую пищу в холодильник
  • Выключайте свет, когда он вам не нужен
  • Используйте лампы энергосбережения
  • Не оставляйте свои устройства в режиме ожидания, а отключайте их

6. Геоинженерия

Некоторые учёные полагают, что глобальные проблемы требуют не менее глобальных решений. Например, можно распылить в стратосфере серу, частицы которой будут отражать свет Солнца. Или можно распылить частицы какого-нибудь другого вещества, вокруг которого будут образовываться кристаллы льда, чтобы рассеять часть перистых облаков, которые препятствуют отражению солнечного излучения обратно в космос и задерживают тепло в атмосфере. Тем не менее, не стоит слишком надеяться на то, что мы просто сможем напичкать чем-нибудь нашу атмосферу и всё починить: пока что такие методы не были проверены экспериментально, а рисковать целой планетой не очень-то и хочется. Потепление может усилиться ещё больше. Или затягивание озоновой дыры может замедлиться. Или осадки могут измениться так, что какой-то части населения планеты это не понравится. А ещё это будет недёшево: для того, чтобы удерживать температуру на уровне 2 градусов выше доиндустриального уровня, нужно на протяжении 160 лет 6700 раз в день выбрасывать серу в атмосферу, что обойдётся в 20 миллиардов долларов в год. И сокращать выбросы всё равно понадобиться.

В следующей, последней части речь пойдёт о экономических мерах, которые должны быть предприняты, а также бездействии лидеров государств и его причинах.

Say something here...
You are a guest
or post as a guest
Loading comment... The comment will be refreshed after 00:00.

Be the first to comment.