ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА, 2015, № 5, с. 3–13 ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ЭНЕРГЕТИКИ Золотой век газа и его влияние на мировую энергетику, глобальный цикл углерода и климат1 © 2015 г. Терешин А.Г., Клименко А.В., Клименко В.В. Национальный исследовательский университет “Московский энергетический институт”2 email: nilgpe@mpei.ru Исследованы глобальные и региональные ресурсные и экологические проблемы добычи и использо вания нетрадиционного газа (НГ). Приведены оценки мировых и национальных запасов различных ви дов НГ. Проанализирована динамика доли газового топлива в суммарном энергопотреблении и тепло энергетике разных стран мира. Предложены прогнозные оценки мировой добычи традиционного газа и НГ. Рассчитаны изменения концентрации диоксида углерода в атмосфере и соответствующие измене ния среднеглобальной температуры воздуха при реализации различных сценариев замещения нетради ционным газом разных источников энергии. Проанализированы возможные последствия ожидаемых изменений климата для энергетики России. Показано, что, несмотря на неопределенность в оценках экономической и экологической целесообразности добычи сланцевого газа (СГ), по имеющимся ресурс ным оценкам при его использовании возможно решить глобальные и региональные энергетические (за мещение импорта) и экологические (замещение менее чистого угольного топлива) проблемы. Вместе с тем, освоение колоссальных мировых ресурсов этого вида топлива может существенным образом отра зиться на химическом и тепловом радиационном балансе атмосферы планеты, причем климатический эффект выбросов диоксида углерода при сжигании НГ значительно превосходит последствия от утечек метана при его добыче. Для сохранения устойчивости глобальной климатической системы освоение огромных мировых ресурсов НГ должно сопровождаться эквивалентным сокращением использования угля. Только в этом случае НГ может стать безопасным энергетическим мостом в будущее, способным удержать климатическую систему у порога критических значений. Прямые последствия климатических изменений на территории России для отечественного топливноэнергетического комплекса оценены скорее как положительные, в основном благодаря снижению энергетических затрат на отопление. Ключевые слова: природный газ, традиционные и нетрадиционные ресурсы, мировое производство и потребление, выбросы в атмосферу, глобальные изменения атмосферы и климата, последствия для России. DOI: 10.1134/S0040363615050124 21 Первые полтора десятилетия XXI в. ознамено вались сразу несколькими знаковыми событиями в массо и энергообмене системы ”человек–при рода”: 2011 г.), завершив полувековую эру нефти (по требление в 2011 г. 5.24 млрд т у.т.) [1]; впервые за 200 лет индустриальной истории энергопотребление развивающихся стран, начи ная с 2008 г., превысило уровень экономически развитых государств [1], и этот разрыв продолжает быстро расти; ежегодные антропогенные выбросы углекис лого газа вплотную подошли к критическому зна чению 10 млрд т (в пересчете на углерод) [1]; среднегодовая концентрация углекислого газа в атмосфере достигла небывалого за последние 3 млн лет рубежа – 400 млн–1; повышение среднеглобальной температуры воздуха по сравнению с доиндустриальным пери одом (середина XIX в.) приблизилось к 1°C [2], беспрецедентному в контексте позднего голоцена (последние 6 тыс. календарных лет). впервые после нефтяных кризисов 1970х го дов отмечены довольно высокие темпы роста ми рового энергопотребления – 2.6% в год (в две предыдущие декады 1981–1990 и 1991–2000 гг. 1.9 и 1.3% соответственно) [1]; впервые после 1965 г. уголь вернул себе веду щее место среди важнейших энергоносителей (его мировое потребление составило 5.33 млрд т у.т. в 1 Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрна уки России (базовая и проектная части госзадания), РНФ (грант № 141900765) и РФФИ (гранты № 150801225, 130800872 и 120800367). 2 111250, Россия, Москва, Красноказарменная ул., д. 14. НИУ МЭИ. 3 4 ТЕРЕШИН и др. В связи с этими событиями перед мировым со обществом вновь возникают серьезные вопросы: Располагает ли планета достаточным количе ством природных ресурсов для современной бур но развивающейся энергетики? Не приведет ли безостановочный рост антро погенной нагрузки на климатическую систему к гибельным последствиям для биосферы и всей цивилизации? Однако для формирования объективной кар тины современного мира необходимо отметить, что в течение последних полутора десятилетий обозначились и некоторые обнадеживающие об стоятельства: возобновляемые источники энергии, не свя занные с выбросами диоксида углерода, демон стрируют максимальные темпы роста среди про чих видов энергии (в 2000–2009 гг. 12% в год, а в последние пять лет – 18%) [1]; впервые за последние 30 лет зафиксирован практически нулевой декадный тренд изменения глобальной температуры [2]; эмиссия диоксида серы, неуклонно возрастав шая с начала индустриальной эры, достигла свое го пика на уровне 150 млн т/год. Наконец, еще одно крупное событие, послед ствия которого для человечества пока еще недоста точно изучены, произошло в мировой энергетике: речь идет о так называемой ”сланцевой револю ции” – стремительном росте добычи природного газа из нетрадиционных источников – сланцевых пород, а также угольных шахт. Так, в США – лиде ре освоения нетрадиционных ресурсов газа всего за несколько лет производство нетрадиционного газа достигло почти половины общей националь ной ежегодной добычи [3], что позволило стране занять первое место в мире по производству газо вого топлива, опередив Россию. Несмотря на множество неясных вопросов, связанных с про мышленным использованием этого ресурса (в первую очередь экономических и экологиче ских), многие страны ведут работы по освоению месторождений СГ и утилизации шахтного мета на. Особенностью СГ является то, что его запасы распределены по миру довольно равномерно, что позволяет многим странамэнергоимпортерам (Польша, Украина, ЮАР) надеяться на обретение большей энергетической, да порой и политиче ской независимости. Не будет преувеличением сказать, что вот уже несколько лет мир пребывает в состоянии ”сланцевой эйфории”, которая, впро чем, в основном поразила правительственные, по литические и бизнескруги. Публикации по данной теме имеют чрезвычай но широкий диапазон – от весьма оптимистичных оценок Мирового энергетического агентства [3], предрекающих наступление ”золотого века” газа, до сдержанных работ отечественных авторов [4, 5], в которых перспективы мировых масштабов осво ения нетрадиционных ресурсов представляются весьма скромными, а их влияние на мировую энергетику и российский топливноэнергетиче ский комплекс – незначительным. Однако, по оценкам большинства специали стов [6, 7], процессы, наблюдающиеся в послед нее десятилетие в области газодобычи, скоро ока жут существенное влияние на структуру будущего мирового топливного баланса. Почему именно газу суждено в ближайшие десятилетия занять ве дущие позиции в мировом энергобалансе? Дело в том, что потребление нефти, ввиду не устранимых ресурсных ограничений, по сути уже сегодня находится вблизи своего исторического пика. Рост потребления угля сдерживается эколо гическими и, в первую очередь, климатическими ограничениями и после ожидаемого вступления в силу Парижского соглашения (намеченного на декабрь 2015 г.) по сокращению эмиссии СО2 во обще лишается долгосрочной перспективы. На конец, возобновляемым источникам энергии, не смотря на их значительный прогресс в последние десятилетия, необходимо еще по крайней мере полвека, чтобы занять заметное место в мировом энергобалансе. Таким образом, на длительный переходный период от современной энергетики ископаемого топлива к безуглеродной энергетике будущего реальной альтернативы газу не суще! ствует. Наступает золотой век газа, которому суждено продлиться не одно десятилетие. Разуме ется, изменения в объеме и характере мирового энергопотребления отразятся на масштабах антро погенного воздействия на атмосферу и климат [8]. Настоящая работа посвящена анализу некоторых глобальных ресурсных и экологических проблем, связанных с увеличением объемов добычи НГ. Нетрадиционный газ и его роль в мировой энергетике С учетом оценок извлекаемых запасов нетра диционного газа ситуация на рынке этого вида энергоносителей быстро и существенно меняется (рис. 1). Теперь в десятку стран с наибольшими общими газовыми запасами (традиционный газ и сланцевый) входят пять новых стран, ранее зани мавших скромные места в мировой иерархии, – это Китай (второе место по суммарным запасам после России), Алжир, Аргентина, Канада и Ав стралия. Необходимо отметить, однако, что оцен ка ресурсов НГ ближневосточных стран до насто ящего времени не производилась. Общая картина меняется незначительно, если привлечь данные не только по разведанным дока занным, но и по дополнительным ресурсам тра диционного и нетрадиционного (угольного мета на и газа низкопроницаемых коллекторов) газа (табл. 1). Обращает на себя внимание колоссаль ный отрыв России, у которой за счет дополни ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА №5 2015 ЗОЛОТОЙ ВЕК ГАЗА И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА МИРОВУЮ ЭНЕРГЕТИКУ 5 –1 –2 Нигерия Алжир 40 Ресурсы газа, трлн м3 35 30 25 20 15 10 Аргентина Мексика Бразилия ЮАР Канада Китай Австралия Венесуэла ОАЭ Саудовская Аравия США Туркменистан Катар Россия 0 Иран 5 Рис. 1. Страны с крупнейшими доказанными запасами традиционного газа (1) [1] и технически извлекаемыми ресур сами сланцевого газа (2) [9] тельных ресурсов в 100 трлн м3 суммарные пер спективные запасы природного газа достигают почти 190 трлн м3. Это означает, что при текущем уровне добычи (610 млрд м3/год) наша страна обеспечена собственными ресурсами более чем на 300 лет. Интенсивное освоение месторождений нетра диционного газа (в первую очередь сланцевого, ко торый составляет более половины суммарной до бычи газа в этой стране) позволило США в 2009 г. выйти на первое место по его добыче (табл. 2). На третье место, опередив Иран, вышла Канада, в которой сланцевый газ также составляет около половины общей добычи. Согласно недавним прогнозам [11], в ближайшие десятилетия в трой ку крупнейших производителей природного газа войдет и Китай, и также благодаря разработке не традиционных ресурсов, доля которых уже в 2025 г. составит 50% общей добычи. В целом, в предсто ящие 25 лет мир намерен увеличить потребление газа более чем в 1.5 раза, что заметно превышает ожидаемый прирост потребления других видов органического топлива. В табл. 3 приведены данные о доле природного газа в суммарном потреблении органического топ лива в нескольких странах. Как видно, в большин стве стран всех континентов наблюдается устойчи вое увеличение вклада природного газа в суммар ное энергопотребление. ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА №5 2015 Аналогичная картина складывается и в тепло вой электроэнергетике (табл. 4) – все больше электроэнергии на ТЭС вырабатывается путем сжигания природного газа, что позволяет значи тельно повысить КПД электростанций (благода ря применению ПГУ [12]) и радикально снизить выбросы вредных веществ и CO2 в атмосферу. Так, за 20 лет доля газа в тепловой генерации в США, ЕС и Австралии увеличилась более чем в 2 раза, а в Канаде – почти в 6 раз. Некоторое сни жение вклада газового топлива в энергобаланс европейских стран, особенно заметное в сфере тепловой генерации, может быть объяснено по литическими и экологическими факторами – стремлением к снижению зависимости от им порта энергоресурсов и развитием возобновляе мых источников энергии. Однако в дальнейшей перспективе, согласно прогнозам [11], возобно вится тенденция к увеличению доли газа в по треблении органического топлива в Европе. По мнению аналитиков, рост добычи сланце вого газа, так же как и выход на рынок сланцевой нефти, оказал влияние на динамику цен на энер гоносители. Поскольку единого мирового рынка природного газа и угля не существует, для них в настоящей работе использованы средневзвешен ные по объемам потребления цены на североаме риканском, европейском и азиатском рынках. Как видно из рис. 2, благодаря большим объемам продаж дешевого газа на американском рынке, средние по миру цены после резкого падения в 6 ТЕРЕШИН и др. Таблица 1. Суммарные (доказанные и дополнительные) ресурсы природного газа: традиционного (ТГ), сланцевого (СГ), угольного метана (УМ) и газа низкопроницаемых коллекторов (ГНК) [10], трлн м3 Страна Всего, запасы + ресурсы Доказанные запасы ТГ Дополнительные ресурсы ТГ 188.1 59.8 55.6 44.1 35.0 32.7 27.0 25.0 25.0 23.3 22.0 18.4 17.8 15.0 13.8 10.7 10.2 6.3 5.3 5.2 772.4 46.0 7.7 3.1 33.1 3.7 8.0 25.0 10.0 1.7 0.3 0.4 0.5 4.5 0.0 3.0 1.5 2.2 1.2 0.1 0.0 190.5 100.0 25.0 21.0 11.0 5.4 19.0 2.0 15.0 8.5 1.0 2.3 11.5 1.3 1.0 6.0 1.0 8.0 2.0 5.2 0.1 307.1 Россия США Китай Иран Австралия Саудовская Аравия Катар Туркменистан Канада Аргентина Мексика Бразилия Алжир ЮАР Индонезия Ливия Египет Индия Мозамбик Франция Мир в целом Ресурсы СГ УМ ГНК 9.5 13.7 8.6 12.6 4.5 10.9 20.0 9.0 12.0 11.2 5.7 6.7 8.0 3.6 21.9 19.3 6.4 6.5 13.7 1.6 8.2 3.7 7.5 1.8 1.2 5.1 160.3 0.0 51.4 0.0 5.5 0.2 3.2 63.1 Таблица 2. Объемы добычи V природного газа в 1990–2040 гг. в крупнейших странахпроизводителях, млрд м3, и доля в них нетрадиционного газа αНГ [11] 1990 г. Страна (группа стран) V США Россия Канада Иран Катар Китай Австралия и Новая Зеландия Мир в целом 504 590 109 26 6 15 21 1983 αНГ 2000 г. V 0.13 543 0.00 529 0.00 182 0.00 60 0.00 24 0.00 27 0.00 31 0.03 2388 αНГ 2010 г. V 0.27 594 0.00 585 0.10 151 0.00 146 0.00 95 0.01 92 0.02 53 0.07 3206 2009 г. так и остались, в отличие от нефтяных, на довольно низком уровне: ниже 200 дол/т у.т., что всего на 30% выше цен на уголь за период 2009– 2013 гг., в то время как в 2000–2008 гг. эта разница составляла 75%. Исключительно выгодная цено вая ниша, занимаемая сейчас природным газом, вместе с его несомненными экологическими пре αНГ 2020 г. V 0.61 742 0.00 661 0.46 151 0.00 210 0.00 193 0.02 118 0.09 106 0.14 3716 αНГ 2030 г. V 0.72 832 0.03 823 0.68 179 0.00 263 0.00 213 0.36 188 0.31 157 0.21 4444 αНГ 2040 г. V αНГ 0.76 927 0.07 932 0.79 213 0.00 297 0.00 232 0.68 283 0.47 188 0.28 5230 0.79 0.10 0.84 0.00 0.00 0.83 0.54 0.33 имуществами, создают надежный плацдарм для его дальнейшей экспансии на мировые энергетиче ские рынки. Несомненно, для разных рынков це ны на газ и уголь существенно различаются, одна ко и российскому экспортному газу в 2009–2013 гг. так и не удалось превысить ценового максимума 2008 г., когда он стоил более 280 дол. США/т у.т. ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА №5 2015 ЗОЛОТОЙ ВЕК ГАЗА И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА МИРОВУЮ ЭНЕРГЕТИКУ 7 Таблица 3. Доля природного газа в суммарном потреблении органического топлива [1, 11] Страна (группа стран) 1990 г. 1995 г. 2000 г. 2005 г. 2010 г. 2013 г. 2020 г. 2030 г. 2040 г. США Канада Мексика Бразилия Россия ЕС Австралия и Новая Зеландия Япония Южная Корея Китай Индия ЮАР Мир в целом 0.28 0.36 0.25 0.04 0.46 0.21 0.20 0.12 0.04 0.02 0.07 0.00 0.26 0.30 0.41 0.26 0.05 0.55 0.24 0.21 0.13 0.06 0.02 0.08 0.01 0.28 0.29 0.41 0.28 0.08 0.59 0.28 0.20 0.15 0.10 0.02 0.09 0.01 0.30 0.27 0.40 0.35 0.14 0.62 0.30 0.18 0.16 0.15 0.03 0.09 0.03 0.28 0.31 0.40 0.39 0.16 0.62 0.32 0.21 0.21 0.18 0.04 0.12 0.03 0.30 0.34 0.43 0.42 0.19 0.60 0.31 0.17 0.24 0.20 0.06 0.08 0.03 0.30 0.41 0.52 0.51 0.28 0.65 0.44 0.31 0.33 0.23 0.06 0.12 0.05 0.32 0.42 0.57 0.57 0.32 0.66 0.47 0.36 0.37 0.25 0.09 0.12 0.07 0.33 0.43 0.60 0.62 0.37 0.67 0.50 0.40 0.39 0.29 0.11 0.12 0.09 0.36 Таблица 4. Доля производства электроэнергии на природном газе в суммарной выработке ТЭС [11, 14] Страна (группа стран) 1990 г. 1995 г. 2000 г. 2005 г. 2010 г. 2013 г. 2020 г. 2030 г. 2040 г. США Канада ЕС Австралия Япония Южная Корея Россия Бразилия Китай Мир в целом 0.12 0.07 0.15 0.11 0.31 0.21 0.59 – – 0.23 0.15 0.15 0.19 0.10 0.32 0.20 0.61 – 0.01 0.25 0.16 0.20 0.28 0.07 0.34 0.17 0.64 0.09 0.01 0.27 0.19 0.23 0.34 0.14 0.33 0.22 0.66 0.29 0.01 0.30 0.24 0.33 0.40 0.19 0.40 0.24 0.68 0.35 0.02 0.33 0.27 0.41* 0.32* 0.21* 0.72 0.33* 0.69 0.48* 0.03* 0.33* 0.42 0.57 0.45 0.24 0.57 0.33 0.72 0.76 0.03 0.34 0.44 0.64 0.51 0.32 0.62 0.39 0.74 0.83 0.06 0.36 0.46 0.71 0.56 0.42 0.65 0.46 0.76 0.89 0.07 0.39 * Значения для 2012 г. Следует отметить, что в России складывается несколько парадоксальная ситуация. С одной стороны, ряд стратегических документов в обла сти энергетической политики предусматривает диверсификацию топливного баланса страны с некоторым увеличением доли угля. Сложившееся в последнее время соотношение цен на газ и уголь также делает экономически привлекательным ис пользование твердого топлива. С другой стороны, расширенному использованию угля препятствуют изменения в природоохранном законодательстве, включающие в себя значительное (на порядок) увеличение платы за выбросы вредных веществ в атмосферу. Такое же воздействие оказывают и ди рективы Правительства России, направленные на сохранение к 2030 г. объема выбросов парниковых газов, равного 75% уровня 1990 г., и предъявляю щие дополнительные требования к экологической ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА №5 2015 эффективности отечественной энергетики. Большую роль могут сыграть и внешние факто ры: появление новых игроков на газовом рынке и ужесточение требований к энергетической безопасности в некоторых странах могут значи тельно повлиять на объем и направления россий ского газового экспорта. Так, в базовом сценарии развития энергетики России и мира на период до 2040 г., разработанном в ИНЭИ РАН [13], предпо лагается стабилизация экспорта российского газа в ближайшие 10 лет (в основном за счет европей ского рынка) с дальнейшим ростом на 40% к 2040 г. благодаря поставкам в азиатский регион. В ре зультате на внутреннем рынке природный газ со хранит доминирующее положение и составит около 60% суммарного потребления органиче ского топлива, а доля угля к 2040 г. несколько сни зится: с 20 до 18%. В то же время в выработке Цена энергоносителей, дол. США/т у. т. 8 ТЕРЕШИН и др. Егаз, млрд т у. т. 600 10 500 8 1 400 1 3 6 300 2 4 200 4 2 100 5 3 0 1990 1995 2000 2 2005 2010 2015 0 1900 1950 2000 2050 Годы Годы Рис. 2. Среднегодовые цены на основные виды энер гоносителей [1]. Мировая цена на нефть Brent (1) и средневзвешенные по североамериканскому, евро пейскому и японскому рынкам значения цен на газ (2) и уголь (3) электроэнергии на ТЭС, согласно этому прогно зу, доля угля несколько увеличится (до 30%) при сохранении доминирования природного газа на современном уровне (около 70%). По оценкам же зарубежных экспертов [11], в теплоэнергетике России сохранится тенденция к росту газовой ге нерации, которая в 2040 г. составит более 75% об щей выработки ТЭС, и вытеснению угля из топ ливного баланса (табл. 4). Нетрадиционный газ и глобальные изменения атмосферы и климата К сожалению, при обсуждении экологических проблем добычи СГ почти всегда имеют в виду лишь региональные аспекты, связанные с отчуж дением значительных территорий и загрязнением подземных вод. Между тем СГ, да и другие виды нетрадиционного газа (угольный метан, газ плот ных формаций) представляют собой колоссаль ный источник углерода, поступление которого в атмосферу способно серьезно изменить его гло бальный баланс и привести к большим изменени ям в климатической системе. Именно этим про блемам посвящен данный раздел статьи. 2100 2150 2200 Рис. 3. Объемы добычи природного газа Eгаз. 1 – прогнозная оценка суммарной добычи, приведен ная в настоящей работе; 2 – то же нетрадиционного газа; 3 – оценка добычи традиционного газа [12]; дан ные энергетической статистики [1, 3, 11]: 4 – по об щему производству, 5 – по добыче из нетрадицион ных источников В своих прогнозах производства нетрадицион ного газа авторы исходили из оценок его запасов, представленных в табл. 5, где для сравнения так же показаны результаты недавних расчетов [15], учитывающих только запасы традиционного газа. Очевидно, что введение в оборот нетрадицион ных источников резко повысит роль газа в миро вой энергетике, причем пик общей ежегодной до бычи в обновленном сценарии увеличится с 5.5 до 10 млрд т у.т. и сместится во вторую половину XXI в. (рис. 3). Можно ожидать, что даже в конце нынешнего столетия общая добыча газа все еще будет превышать современную, а полное исчер пание запасов наступит лишь к концу XXII в. Газ станет главной составляющей мирового энерго баланса уже к началу 2030х годов. Однако c учетом возможных изменений соста ва атмосферы и климата важной является эмис сия диоксида углерода при сжигании не только га за, но и всех видов ископаемого топлива, которая зависит от общего энергопотребления и структуры мирового энергобаланса. В основу приведенных Таблица 5. Характеристики сценариев добычи природного газа Ожидаемый пик добычи Запасы, Гт у.т. ТГ Сценарий Клименко, Терешин (2010) [15] Настоящая работа НГ всего ТГ НГ всего год oбъем, Гт у.т/год год oбъем, Гт у.т/год год oбъем, Гт у.т/год 490 – 490 2045 5.8 – – 2045 5.8 490* 420* 910 2045 6 2075 5.5 2065 10.0 * По данным [11]. ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА №5 2015 ЗОЛОТОЙ ВЕК ГАЗА И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА МИРОВУЮ ЭНЕРГЕТИКУ С, млн–1 550 S, млрд т C 12 3 10 500 2 8 6 4 350 2 300 1950 2000 3 Порог опасного повышения 1 400 4 0 1900 2 450 1 2050 Годы 2100 2150 2200 9 250 1900 1950 2000 2050 Годы 2100 2150 2200 Рис. 4. Эмиссия CO2 (в пересчете на углерод C) S при сжигании органического топлива по сценариям 1–3, 4 – “исторический” сценарий [15]. Цифры у кривых соответствуют номеру сценария Рис. 5. Модельные расчеты изменения атмосферной концентрации углекислого газа C по сценариям эмиссии 1–3. Цифры у кривых соответствуют номеру сценария далее расчетов положен генетический прогноз энергопотребления, подробно описанный в рабо тах авторов [15, 16] и доказавший свою способ ность давать весьма полезные результаты в долго срочных прогнозах [17]. Этот прогноз предпола гает стабилизацию мирового потребления энергии на уровне примерно 30 млрд т у.т. к концу нынешнего столетия с преобладанием доли ис точников, не связанных со сжиганием ископае мого топлива [в основном нетрадиционных и воз обновляемых источников (НВИЭ) – солнечных, ветровых, гидро и биоэнергетических]. Долго срочный прогноз структуры энергобаланса, как показывает практика, представляет собой гораздо более сложную задачу, и поэтому здесь рассмат риваются три его сценария, когда весь объем не традиционного газа используется на замещение в энергетическом эквиваленте: угля (сценарий 1); НВИЭ (сценарий 2); угля и НВИЭ в равных долях (сценарий 3). Результаты расчетов, представленные на рис. 4, показывают, что реализация сценария 3 дает эволюцию будущих выбросов углерода, по сути тождественную так называемому “историческо му” сценарию, последствия которого подробно обсуждались в недавних работах [18, 19] и могут быть квалифицированы как вызывающие опре деленную озабоченность масштабом предстоя щих климатических изменений. Замещение угля нетрадиционным газом приводит к скорому, в течение двух десятилетий, достижению пика эмиссии углекислого газа в пересчете на углерод на уровне немногим более 9 Гт С/год, в то время как замена НВИЭ газом повышает этот пик по чти до 12 Гт С/год и смещает его во вторую поло вину текущего столетия. Глобальный цикл углерода при различных сце нариях освоения нетрадиционных резервов газа претерпевает довольно значительные изменения, что отражается на концентрации углекислого газа в атмосфере (рис. 5) и температурной реакции климатической системы (рис. 6). Расчеты глобаль ных изменений атмосферной концентрации CO2 выполнены О.В. Микушиной с помощью боксово диффузионной модели углеродного цикла, а тем пературы приземного воздуха – регрессионно аналитической модели климата, разработанных в НИУ МЭИ [20]. Расширенное потребление газа (сценарий 1) является единственной реальной воз! можностью удержаться вблизи критических зна чений повышения концентрации СО2 и сред неглобальной температуры. Если же ускоренная экспансия газа будет по какимто причинам оста новлена, то критические параметры климата бу дут достигнуты уже в середине нынешнего столе ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА №5 2015 ΔTглоб, °С Порог опасного повышения 1.5 2 3 1 1.0 0.5 4 0 –0.5 1750 1800 1850 1900 1950 2000 2050 2100 2150 2200 Годы Рис. 6. Модельные расчеты изменения среднегло бальной температуры воздуха ΔTглоб (относительно среднего значения за 1951–1980 гг.) по сценариям эмиссии 1–3 (цифры у кривых соответствуют номеру сценария). 4 – данные инструментальных наблюде ний [2] 10 ТЕРЕШИН и др. тия с весьма серьезными последствиями для ми ровой экономики [21]. В настоящее время извлечение СГ сопряжено со значительными его утечками в атмосферу, до стигающими 4–8% объемов добычи [22], что су щественно выше, чем при добыче традиционного природного газа. Высказываются серьезные опа сения, что поступление в атмосферу такого коли чества метана, парниковый потенциал которого в 25 раз превосходит потенциал углекислого газа, может значительно усилить глобальное потепле ние. По расчетам авторов в предположении, что технологические утечки составляют 6% объемов добычи, максимальный выброс метана в атмо сферу от добычи НГ достигнет в 2050–2120 гг. 100–200 млн т/год, или 10–15% общей интенсив ности всех его источников. Это действительно приведет к некоторому увеличению концентра ции метана в атмосфере и повышению его радиа ционного форсинга (изменения теплового радиа ционного баланса) в этот период – примерно на 10% по сравнению с базовым вариантом [15]. Од нако в течение XXII в. в связи с ожидаемым спа дом добычи НГ и соответствующих утечек мета на, а также небольшим временем жизни этого парникового газа содержание метана в атмосфере вернется к базовому варианту. Вклад дополни тельных выбросов метана в повышение глобаль ной температуры можно оценить в несколько со! тых градуса. Частичная замена угля на НГ в мировом энер гобалансе приводит к заметному смягчению ан тропогенного воздействия на климатическую си стему и отодвигает ее от критических рубежей, составляющих 480 млн–1 по концентрации СО2 и 2°С по повышению температуры по сравнению с доиндустриальной эпохой. Напротив, замедле ние темпов роста НВИЭ и сохранение нынешней ориентации на ископаемые топлива являются чрезвычайно опасными, поскольку еще до конца нынешнего столетия сначала концентрация, а за тем и температура превысят указанные критиче ские рубежи и останутся за ними, по крайней ме ре, в течение двухтрех столетий. В таких услови ях неизбежно развитие негативных процессов в природной среде планеты, а именно: существенное повышение кислотности верх него слоя океана, что повлечет за собой массовую гибель значительной части морской биоты и в первую очередь кораллов [23, 24]. Это будет озна чать разрушение экономики многих развиваю щихся стран, основанной на туризме и прибреж ном рыболовстве. Например, в Азии коралловые рифы дают около четверти общего улова рыбы и обеспечивают продовольствием около 1 млрд че ловек, а в некоторых странах Карибского бассей на туризм дает до половины ВВП; длительное повышение температуры на 2°С и более (что всего на 1,2°С выше современного уровня) делает почти неизбежным частичное раз рушение Гренландского ледового щита и всех ма лых материковых оледенений, существенное, не менее чем на 2 м, повышение среднего уровня Ми рового океана [25, 26], а региональных уровней мо ря – до 3 м [27]. При таком развитии событий ис чезнут многие островные государства и возникнет угроза проживанию на прибрежных территориях более чем 200 млн человек; заметное ослабление океанической циркуля ции в Северной Атлантике (”замедление Гольф стрима”) с коренной перестройкой климата всего Северного полушария, в частности с перераспре делением осадков и существенным снижением продуктивности сельского хозяйства. Изменения природной среды и климата на территории России и их последствия для энергетики В результате развития процессов глобального потепления на территории России ожидается зна чительное смягчение природных условий. Так, к середине столетия в Центральной России средние годовые температуры воздуха согласно расчетам авторов [28] повысятся примерно на 1.5°C, в ре зультате чего климат Москвы, например, середи ны XXI в. будет соответствовать современным природным условиям Варшавы (табл. 6). Очень заметными будут и изменения приклад ных температурных характеристик – градуссуток теплого и холодного периодов, что приведет к су щественному изменению потребности в энергии на отопление и кондиционирование зданий в России (см. рис. 7, 8). С учетом того что соотно шение этих энергозатрат в масштабах страны в на стоящее время составляет два порядка в пользу отопления [28], можно сделать вывод о существен ном сокращении затрат на коммунальное энерго потребление. Из других важнейших климатических факто ров, способных повлиять на энергетический ком плекс России, нужно отметить изменение режи мов увлажненности на территории страны и ледо вой обстановки в арктических морях. В результате изменения количества осадков и интенсивности испарения с поверхности согласно модельным оценкам ожидается заметное (на 10–15% по срав нению с современным уровнем) увеличение сто ка рек в азиатской части России при незначитель ном их уменьшении на юге европейской террито рии страны, в связи с чем предполагается соответствующее увеличение среднемноголетней выработки ГЭС [29]. Повышение температуры воздуха, которое бо лее заметно проявляется в высоких широтах, при ведет к увеличению продолжительности навига ции на всех омывающих Россию морях. Особенно ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА №5 2015 ЗОЛОТОЙ ВЕК ГАЗА И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА МИРОВУЮ ЭНЕРГЕТИКУ 11 Анадырь БЕ ЛА РУ СЬ Калининград д ян и я Мурманск л ин Ф СанктПетербург Архангельск НарьянМар Смоленск Москва Украи на Сыктывкар Салехард Ниж. Новгород Норильск Магадан ПетропавловскКамчатский Уренгой Казань Пермь Волгоград Самара Якутск ХантыМансийск Екатеринбург Оренбург Астрахань Махачкала К Омск а з а Новосибирск х с Хабаровск т а н Чита Иркутск Кызыл К и т а й Владивосток М о н г о л и я – менее 5 – 5–10 – более 15 – 10–15 Рис. 7. Уменьшение потребности в энергии на отопление на территории России (в % современной) к середине XXI в. быстро будет меняться ледовая обстановка в за падном секторе Российской Арктики, что значи тельно облегчит разработку главных шельфовых месторождений и доставку грузов по Северному морскому пути, продолжительность навигации по которому к середине столетия увеличится по чти на месяц по сравнению с двухмесячным пери одом в настоящее время. Выводы 1. Сохраняется неопределенность в оценках экономической и экологической целесообразно сти добычи сланцевого газа, снижающая привле кательность этого вида топлива. Если верны име ющиеся ресурсные оценки, то при использова нии нетрадиционного природного газа, в первую очередь сланцевого, возможно решить несколько региональных энергетических (замещение им порта) и экологических (замещение менее чисто го угольного топлива) проблем. 2. Несмотря на то что в ближайшие годы нель зя ожидать массовой добычи нетрадиционного газа за пределами Северной Америки, в течение одногодвух десятилетий он должен стать круп ным источником энергии и обеспечить во второй половине XXI столетия до 50% общего объема га зовой добычи. Через 15–20 лет газ станет главной составляющей мирового энергобаланса. Таблица 6. Современные средние месячные и годовая температуры воздуха в Москве и некоторых городах Европы [30] и предполагаемые к середине XXI в. [28] Город Месяц Период осреднения IV V VI VII VIII IX X XI 1961–1990 –9.3 –7.7 –2.2 5.8 13.1 16.7 18.2 16.5 10.9 5.0 –1.1 –6.0 5.0 1981–2010 –6.5 –6.7 –1.0 6.7 13.2 17.0 19.2 17.0 11.3 5.6 –1.2 –5.3 5.8 2041–2070 –4.2 –4.4 1.2 8.9 15.3 17.2 19.5 17.3 12.0 6.3 –0.5 –3.0 7.2 Берлин 1961–1990 –0.4 0.6 4.0 8.1 13.5 16.7 17.9 17.2 13.6 9.3 4.6 1.2 8.9 Вена 1961–1990 –0.7 1.3 5.3 10.2 14.8 18.0 19.9 19.2 15.4 10.1 4.8 1.0 9.9 2.0 13.4 16.6 17.9 17.3 13.2 8.3 3.2 –0.9 7.8 Варшава 1961–1990 II –3.3 –2.0 ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА №5 2015 7.8 XII Среднего довая III Москва I 12 ТЕРЕШИН и др. Анадырь я Мурманск ля ин Ф СанктПетербург Архангельск БЕ ЛА РУ СЬ Калининград и нд НарьянМар Смоленск Москва Украи на Сыктывкар Салехард Ниж. Новгород Норильск Магадан ПетропавловскКамчатский Уренгой Казань Пермь Волгоград Самара Якутск ХантыМансийск Екатеринбург Оренбург Астрахань Махачкала К Омск а з а Новосибирск х с Хабаровск т а н Кызыл Иркутск Чита К и т а й Владивосток М о н г о л и я – менее 5 – 5–10 – более 10 Рис. 8. Увеличение потребности в энергии на кондиционирование на территории России (в % современной) к середи не XXI в. 3. Вовлечение в эксплуатацию новых источни ков природного газа в сочетании с высокими энер гетическими и экологическими характеристиками этого вида топлива может оказать значительное влияние на мировую энергетику. Увеличение доли газа в топливном балансе повысит эффективность производства электроэнергии и уменьшит объемы выбросов загрязняющих веществ и парниковых газов в атмосферу. 4. Для сохранения устойчивости глобальной климатической системы освоение колоссальных мировых ресурсов нетрадиционного газа должно сопровождаться эквивалентным сокращением ис пользования угля. Только в этом случае нетрадици онный газ может стать безопасным энергетическим мостом в будущее, способным удержать климатиче скую систему у порога критических значений. 5. Прямые последствия климатических измене ний на территории России для отечественного топливноэнергетического комплекса можно оце нить скорее как положительные, в основном бла годаря снижению энергетических затрат на отоп ление, повышению выработки электроэнергии на ГЭС и снижению издержек на добычу и транспор тировку углеводородов в Арктике. Авторы выражают благодарность О.В. Мику шиной за проведение расчетов. Список литературы 1. BP Statistical Review of World Energy 2014. London: BP p.l.c. 2014. 2. Hemispheric and largescale land surface air tempera ture variations: an extensive revision and an update to 2010 / P.D. Jones, D.H. Lister, T.J. Osborn, C. Har pham, M. Salmon, C.P. Morice // J. of Geophysical Research. 2012: V. 117, № D05127. DOI:10.1029/ 2011JD017139. 3. World Energy Outlook 2012. Golden Rules for a Gold en Age of Gas / International Energy Agency. Paris: IEA, 2012. 4. Назаров А.В., Хромушин И.В., Дорохов А.С. Слан цевый газ: отраслевой обзор. М.: ОАО “Газпром банк”, 2013. 5. Григорьев Г.А., Афанасьева Т.А. Перспективы про мышленного освоения нетрадиционных ресурсов газа в России // Нефтегазовая геология. Теория и практика. 2012. Т. 7. № 2. С. 16–37. 6. Mohr S.H., Evans G.M. Long term forecasting of nat ural gas production // Energy Policy. 2011. V. 39. № 9. P. 5550–5560. 7. Морозова А.О., Клименко В.В. Возможности ис пользования сланцевого газа в энергетике России и Европы // Теплоэнергетика. 2014. № 4. С. 3–10. DOI: 10.1134/S0040363614040055. 8. Клименко В.В., Терешин А.Г. Нетрадиционный газ и трансформация глобального углеродного балан са // Докл. РАН. 2013. Т. 453. № 1. С. 95–98. ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА №5 2015 ЗОЛОТОЙ ВЕК ГАЗА И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА МИРОВУЮ ЭНЕРГЕТИКУ 9. Technically Recoverable Shale Oil and Shale Gas Re sources in 41 Countries outside the US/US Energy In formation Administration. Washington, DC. USA: EIA, 2013. 10. Energy Study 2012. Reserves, Resources and Availabil ity of Energy Resources / The Federal Institute for Geosciences and Natural Resources, German Mineral Resources Agency. Hannover: BGR/DERA, 2012. 11. International Energy Outlook 2013 / U.S. Energy In formation Administration. Washington, DC. USA: EIA, 2013. 12. Сравнительный анализ эффективности теплоэнер гетики России и стран мира / В.Н. Артемов, А.В. Клименко, В.В. Клименко, А.Г. Терешин // Вестник МЭИ. 2013. № 1. С. 9–15. 13. Прогноз развития энергетики мира и России до 2040 года / Н.А. Архипов, Ю.В. Галкин, А.А. Галки на, В.И. Гимади, Д.А. Грушевенко, Е.В. Грушевен ко, А.Л. Гутник, О.А. Елисеева, А.С. Иващенко, Н.О. Капустин, Е.О. Козина, В.А. Кулагин, А.А. Кур дин, И.А. Макаров, А.С. Макарова, В.А. Малахов, С.И. Мельникова, Е.Д. Осипова, Е.В. Сурова, А.Э. Тарасов, Л.В. Урванцева, А.А. Хоршев, Д.Д. Яковлева; рук. А.А. Макаров, Т.А. Митрова, Л.М. Григорьев М.: ИНЭИ РАН, АЦ при Прави тельстве РФ, 2014. 14. Energy Balances and Electricity Profiles 2010 / Statis tics Division of the United Nations. N.Y.: UN, 2013. 15. Клименко В.В., Терешин А.Г. Мировая энергетика и глобальный климат после 2100 г. // Теплоэнерге тика. 2010. № 12. С. 38–44. 16. Klimenko V.V., Tereshin A.G. World energy and climate in the twentyfirst century in the context of historical trends: clear constraints to the future growth // J. Glo balization Studies. 2010. V. 1. № 2. P. 27–40. 17. Клименко В.В. Опыт генетических прогнозов ми ровой энергетики: можем ли мы предвидеть дале кое будущее? // Докл. РАН. 2014. Т. 458. № 4. С. 415–418. 18. Динамика состояния многолетнемерзлых пород в зоне островной мерзлоты в условиях глобального изменения климата / Л.Н. Хрусталев, В.В. Кли менко, Л.В. Емельянова, Э.Д. Ершов, С.Ю. Пар музин, О.В. Микушина, А.Г. Терешин // Криосфе ра Земли. 2008. Т. 12. № 1. С. 3–11. 19. Оценки климатических изменений в Северном по лушарии в 21 веке при альтернативных сценариях антропогенного воздействия / М.М. Аржанов, А.В. Елисеев, В.В. Клименко, И.И. Мохов, А.Г. Те ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА №5 2015 13 решин // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2012. Т. 48. № 6. C. 643–654. 20. Энергия, природа и климат / В.В. Клименко, А.В. Клименко, Т.Н. Андрейченко, В.В. Довгалюк, О.В. Микушина, А.Г. Терешин, М.В. Федоров. М.: Издво МЭИ, 1997. 21. Four degrees and beyond: the potential for a global tem perature increase of four degrees and its implications / M. New, D. Liverman, H. Schroder, K. Anderson // Phil. Trans. Royal Society. Ser. A. 2011. V. 369. № 1934. P. 6–19. 22. Howarth R.W., Santoro R., Ingraffea A. Methane and greenhouse gas footprint of natural gas from shale for mations // Climatic Change Letters. 2011. V. 106. № 4. DOI: 10.1007/s1058401100615. 23. Knowlton N. The future of coral reefs // Proc. Nat. Ac ad. Sci. 2001. V. 98. № 10. P. 5419–5425. 24. Coral reefs under rapid climate change and ocean acid ification / O. HoeghGuldberg, P.J. Mumby, A.J. Hooten, R.S. Steneck, P. Greenfield, E. Gomez, C.D. Harvell, P.F. Sale, A.J. Edwards, K. Caldeira, N. Knowlton, C.M. Eakin, R. IglesiasPrieto, N. Muthiga, R.H. Bradbury, A. Dubi, M.E. Hatziolos // Science. 2007. V. 318. № 5857. P. 1737–1742. 25. Oppenheimer M., Alley R.B. Ice sheets, global warm ing, and article 2 of the UNFCC // Climatic Change. 2005. V. 68. № 3. P. 257–267. 26. Jevrejeva S., Moore J.C., Grinsted A. Sea level projec tions to AD 2500 with a new generation of climate change scenarios // Global and Planetary Change. 2011. V. 80–81. № 1. P. 14–20. 27. Meyssignac B., Cazenave A. Sea level: A review of presentday and recentpast changes and variability // J. Geodynamics. July 2012. V. 58. P. 96–109. 28. Изменение объема и структуры коммунального энергопотребления под влиянием экономиче ских и климатических факторов / В.В. Клименко, А.В. Клименко, А.Г. Терешин, Д.С. Безносова, Т.Н. Андрейченко // Теплоэнергетика. 2012. № 11. C. 3–10. 29. Климатические факторы возобновляемых источ ников энергии / В.В. Елистратов, Е.М. Акентьева, М.М. Борисенко, Н.В. Кобышева, Г.И. Сидорен ко, В.В. Стадник. СПб.: Наука, 2010. 30. An overview of the Global Historical Climatology Net work monthly mean temperature dataset, version 3 / J.H. Lawrimore, M.J. Menne, B.E. Gleason, C.N. Will iams, D.B. Wuertz, R.S. Vose, J. Rennie // Res. Geophys. 2011. V. 116. № D19121, DOI: 10.1029/2011JD016187.
