Биоэнергетический потенциал лесов России



В работе анализируются некоторые политические и экономические процессы в контексте современного перехода от традиционных источников энергии к альтернативным источникам энергии с нулевой эмиссией парниковых газов. В этой связи дается оценка биоэнергетического потенциала лесов России.

Ключевые слова: биотопливо, альтернативная энергетика, глобальное потепление, лесные плантации.

The paper analyzes some of the political and economic processes in the context of modern transition from traditional energy sources to alternative sources of energy with zero emissions of greenhouse gases. In this regard, it is estimated the bioenergetical potential of Russian forests.

Keywords: biofuels, alternative energy, global warming, forest plantations.

Введение

Обычно, когда речь заходит о необходимости перехода к альтернативной энергетике с целью сохранения современного состояния климата и предотвращения парниковой катастрофы, многие воспринимают это как комплекс высокозатратных мероприятий. Неявно предполагается, что мы все должны будем резко сократить использование энергетических ресурсов, отказавшись от привычных атрибутов цивилизации, таких как автомобили, самолеты и т. д. На самом деле это не так. И чтобы это проиллюстрировать, хотелось бы привести здесь краткое изложение событий, произошедших в 2007 году во время проведения конгресса Американского биофизического общества.

Нужно отметить, что конгрессы Американского биофизического общества – крупные мероприятия, с числом участников в несколько тысяч человек. Кроме традиционной научной программы, в рамках этого мероприятия устраиваются круглые столы, посвященные различным актуальным вопросам, имеющим междисциплинарный характер. На конгрессе 2007 года был организован круглый стол, посвященный перспективам биоэнергетики.

Незадолго до этого, один из авторов настоящей работы, принимавший участие в работе конгресса, обратил внимание, что в расположенном неподалеку супермаркете растительное масло продается по цене, которая ниже цены дизельного топлива на соседней бензоколонке. Соответствующий шуточно-провокационный вопрос – «Почему бы вам, американцам просто не заправлять свои машины растительным маслом, если оно у вас в супермаркете дешевле, чем бензин на колонке?» – вызвал замешательство, удивление и обещание разобраться со стороны одного из модераторов. Подтекст этого вопроса, хорошо понятный специалистам, предполагал примерное равенство затрат при производстве биотоплива и пищевого масла из растительного сырья. И факт ценового паритета пищевого масла в розничной сети и обычного топлива на бензоколонке говорил о потенциальной конкурентоспособности биотоплива уже без дополнительных субсидий и специальных правительственных программ, о которых так много рассказывалось на круглом столе.

1. Нефтяной шок 2008 года и смена позиции США в области борьбы с климатическими изменениями

Мы, конечно, не утверждаем, что вопрос, заданный на научной конференции, сыграл какую-либо заметную роль в последующих событиях. Однако, представляется любопытным тот факт, что если до 2007 года США длительное время игнорировали усилия мирового сообщества по контролю над эмиссией парниковых газов, отказавшись присоединиться к Киотским соглашениям, то начиная с 2007 года события стали развиваться совсем в ином направлении.

Так 19 декабря 2007 года, президент США Дж. Буш подписал закон об «Энергетической независимости и безопасности» (EISA of 2007) [1]. Этот закон предусматривал производство 36 миллиардов галлонов (около 110 млн. тонн) этанола в год к 2022 году. Из них 16 млрд. галлонов этанола предполагалось производить из целлюлозы – не пищевого сырья.

Нельзя сказать, что данное решение президента США было продиктовано заботой о сохранении климата, поскольку практически в то же самое время (3-15 декабря 2007 года) официальная делегация США на конференции по климату в Бали категорически выступала против конкретных обязательств по сокращению эмиссии парниковых газов [2]. Скорее всего, здесь имел место элементарный экономический расчет. США в 2007 году были крупнейшими импортерами нефти в мире (60 % всей потребляемой в США нефти) и основными экспортерами многих видов растениеводства. Производство биотоплива из растительного сырья, по мнению экспертов, работающих с администрацией США, должно было сократить предложение на рынке продуктов растениеводства, одновременно сократив спрос на рынке нефти. Что, в свою очередь, должно было поддержать цены на экспортную сельскохозяйственную продукцию и снизить на импортную нефть. А это всегда хорошо для торгового баланса.

Однако меры по стимулированию производства биотоплива в США произвели довольно неожиданный эффект. Соотношение цен на продовольственные товары и нефть уже в 2008 году изменилось в разы. Достаточно напомнить, что цена барреля нефти, которая к середине 2008 года достигла отметки 147$ долларов за баррель, в конце лета начала резко падать, и к концу 2008 года упала более чем в 3 раза до 45$ за баррель [3].

Сейчас трудно точно определить, было ли это вызвано теми дополнительными 10 млн. тонн биоэтанола [4], которые США успели произвести в 2008 году, или в большей степени здесь имел место психологический эффект. Так или иначе, способность биотоплива оказывать влияние на глобальный рынок нефти стала очевидной.

Чтобы показать важность данного вывода, необходимо напомнить о политике США в области регулирования добычи собственной нефти. Речь идет о принудительной консервации значительного числа собственных месторождений легко извлекаемой нефти. Это решение было принято еще до нефтяного кризиса 1973 года, по результатам которого был создан так называемый «Стратегический нефтяной резерв США» – система подземных нефтяных хранилищ, расположенных у побережья Мексиканского залива [5].

Нужно сказать, что физический объем Стратегического резерва сравнительно небольшой – около 100 млн. тонн (700 млн. баррелей) – этого хватит США только на 2 месяца без добычи и импорта. Настоящий стратегический резерв нефти в США – это законсервированные месторождения. Их точный объем неизвестен. Опубликованные данные о доказанных запасах нефти в США – 5 млрд. т. – весьма вероятно занижены [6].

В основе решения о консервации месторождений, принятого еще в конце 60-х – начале 70-х годов лежало актуальное на тот момент мнение научного сообщества об ограниченности нефтяных ресурсов в мире, что позволяло рассматривать нефтяные месторождения как высоколиквидный актив, который неизбежно будет расти в цене [7]. Возможно, это был один из факторов, повлиявших на отказ от принципов Бреттон-Вудской и оформление Ямайской валютной системы в 1976-78 годах [8]. По-существу, тогда США удалось, избавившись от излишнего золотого запаса и обременительных обязательств, перейти от золотого к нефтяному обеспечению доллара. Глобальный нефтяной кризис 1973 года (без привязки к конкретным причинам «нефтяного эмбарго») закрепил в сознании и простых людей, и руководителей государств ключевую роль нефти в поддержании стабильности международной финансовой системы, которая по-прежнему (как и во времена Бреттон-Вуда) базировалась на долларе.

И вот представьте себя на месте руководителей финансовой системы, когда выясняется, что:

1. Добычу и использование нефти (как в прочем и угля, и газа) в ближайшее время придется запретить из-за неизбежности необратимых климатических изменений в случае продолжения их добычи [9, 10, 11, 12].
2. Цена на обычный бензин вплотную приблизилось к ценам на биотопливо, а значит, дальше стратегически дорожать нефть уже точно не будет.

Нужно сказать, что п.1 был известен руководителям финансовой системы и раньше, но пока у них еще оставалась надежда, что нефть все-таки еще чуть-чуть подорожает, ключевые решения откладывались. Однако, эксперимент с биоэтанолом 2008 года, показал, что нефть на максимуме и надо срочно распродавать запас.

Именно это, по-видимому, и привело к тому, что уже в январе 2009 года президентом США становится Б. Обама – человек, который не просто выразил готовность поддержать усилия мирового сообщества по стабилизации климата, но и пообещал сделать США лидером в этой области.

И уже в июле 2009 года на встрече «большой восьмерки» в Лаквиле (Италия) принимается решение о 50% сокращении эмиссии СО₂ к 2050 году и практически полному ее прекращению к 2100 [13].

Но самое важное, что с 2011-2012 годов в США начинается резкий рост добычи нефти и газа, которая к 2014 году увеличивается почти в 2 раза, что делает США мировым лидером в этой области [6]. Столь резкий рост сопровождается активной кампанией, рекламирующей новую технологию добычи сланцевой нефти и газа [14].

Однако добыть нефть или газ – это далеко не все. Нужно еще их продать. И желательно по хорошей цене. С этой точки зрения становятся понятными механизмы принятия американской администрацией странных на первый взгляд внешнеполитических решений. Действительно, конфликт между Европой и Россией из-за Украины позволяет занять место России на нефтегазовом рынке Европы, а дестабилизация ситуации в зоне Персидского залива неизбежно приведет к росту цен на углеводороды.

Впрочем, подробный анализ международных отношений не является предметом настоящей работы. Краткое рассмотрение политических и экономических аспектов нефтяной энергетики было необходимо нам лишь для того, чтобы подвести читателя к двум основным выводам:

1. Эпоха нефти и газа в мировой экономике заканчивается не только из-за климатических проблем, но, также, из-за возросшей конкурентоспособности биоэнергетических технологий.
2. Предстоит непростой и относительно длительный период политической и экономической нестабильности, обусловленный переходом к источникам энергии с нулевой эмиссией парниковых газов.

2. Биоэнергетический потенциал России

Сразу нужно сказать, что переход к источникам энергии с нулевой эмиссией парниковых газов, по нашему мнению, не только не является трагедией для России, но и открывает перед нами принципиально новые возможности.

Действительно, с одной стороны, относительная длительность такого перехода (40-60 лет) позволит нам с выгодой распродать практически всю разведанную к настоящему времени нефть и большую часть газа, избегая крупных вложений в разведку новых и освоение труднодоступных (высокозатратных) месторождений. С другой стороны, вся инфраструктура транспортировки углеводородов, созданная (и создаваемая) в России останется востребованной и в эпоху биоэнергетики. И, наконец, обширная территория нашей страны, покрытая лесами, при рачительном использовании представляет собой огромный неисчерпаемый источник экологически безопасного топлива.

Последний тезис требует, безусловно, более подробных комментариев и некоторых конкретных численных оценок. С этой целью, прежде всего, напомним основные энергетические и экологические характеристики традиционных видов топлива (заметим, что здесь мы намеренно округляем некоторые величины для упрощения анализа) [15].

Таблица 1

Основные энергетические и экологические характеристики традиционных видов топлива

	Вид топлива	Энергия сгорания (МДж/кг)	Содержание углерода	Содержание ископаемого углерода	Выбросы СО2 (в граммах ископаемого углерода на 1 кДж энергии)
1.	нефть, бензин	40	85%	85%	21 г/кДж
2.	уголь	25	85%	85%	33 г/кДж
3.	древесина	10	42%	0	0
4.	биоэтанол	30	55%	0	0

Мы видим, что и уголь, и тем более древесина сильно проигрывают нефти, с точки зрения расходов на транспортировку, поскольку при той же энергоемкости нефть весит почти в 2 раза меньше угля и в 4 раза меньше дров. Кроме того, уголь и древесину труднее грузить и перегружать и уж практически невозможно заправлять ими автомобили. Идея лесной биоэнергетики на первый взгляд проста. Необходимо преобразовать древесину во что-то более энергоемкое и жидкое и использовать это вместо бензина для заправки автомобилей. Казалось бы, гидролизный биоэтанол вполне подходит для решения этой задачи, тем более, что все необходимые технологические решения уже отработаны. Подчеркнем, что сжигание полученного из древесины биоэтанола экологически безопасно, поскольку не добавляет в атмосферу новый СО₂, содержащий ископаемый углерод, а возвращает тот углекислый газ, который несколькими годами (десятилетиями) ранее был извлечен деревьями из атмосферы.

Попробуем оценить количество биоэтанола, которое Россия могла бы получать, исходя из существующих сегодня объемов лесозаготовки. Известно, что из одной тонны древесины можно получить до 180 литров гидролизного этанола [16]. С другой стороны, объем заготовки деловой древесины составляет в России (2014) 188 млн. м³ [17]. Если весь этот лес переработать на биоэтанол, то с учетом того, что 1 м³ древесины имеет массу около 0.5 тонны, мы получим около 17 млрд. литров этанола, что энергетически может заменить 13 млн. тонн нефти.

На самом деле 13 млн. тонн нефти – это мало, это менее 3% современной добычи нефти в России [6]. Казалось бы, вопрос с биотопливом можно закрывать. Но не все так плохо. Во-первых, мы должны понимать, что сегодня потенциальная продуктивность лесов России используется далеко не полностью, а, во-вторых, необходимо использовать более эффективные технологии производства биотоплива, нежели производство гидролизного биоэтанола. Начнем с того, что попытаемся оценить возможные объемы лесозаготовок, исходя из опыта других стран.

Таблица 2

Объем заготовки круглого леса промышленного назначения [17, 18, 19, 20]

	Страна	Площадь лесов (млн. га)	Объем заготавливаемой древесины (млн. м3/год)	Продуктивность лесов (м3/га) в год
1.	Россия	809 [18]	188 (2014) [17]	0.23
2.	США	304 [18]	357 (2014) [17]	1.17
3.	Финляндия	26 [20]	50,6 (2011) [19]	1.95

Как видно из Табл. 2, продуктивность лесов в России меньше чем в Финляндии почти в 10 раз, несмотря на то, что природные условия близки. Мы не станем сейчас анализировать причины этого, просто отметим, что если обеспечить продуктивность лесов в России на уровне Финляндии, то производство деловой древесины в России достигло бы 1.6 млрд. м³. Такое количество просто невозможно было бы продать, поскольку весь мировой рынок составлял в 2014 году 1.7 млрд. м³ [17]. Так что топливное использование древесины в силу географических факторов является для России практически безальтернативным.

Но 1.6 млрд. м³ – не окончательная оценка. Это объем только деловой древесины. Мировой опыт показывает, что при ее заготовке (ровные круглые бревна сортового качества) параллельно заготавливается примерно такое же количество древесины топливного качества. Потому оценка количества древесины, пригодной для переработки в моторное топливо, в размере 3 млрд. м³/год представляется вполне реалистичной.

Чтобы теперь правильно оценить нефтяной эквивалент этой величины, мы должны несколько слов сказать о технологии производства синтетического топлива, основанной на реакции получения так называемого синтез-газа [21]:

.(1)

Будучи эндотермической, эта реакция требует затрат энергии. Зато продукты этой реакции в рамках процессов типа Фишера-Тропша могут быть использованы для синтеза широкого класса углеводородных соединений и в частности моторного топлива [22]. Причем, из одной тонны древесины в этом случае можно получить почти 500 кг синтетического моторного топлива. Соответственно, из 3 млрд. м³ древесины (что соответствует 1.5 млрд. тонн) можно получать 750 млн. тонн синтетического моторного топлива в год.

Это значительная величина, превышающая объем добычи нефти в России в настоящее время, и, в то же время, это весьма реалистическая оценка, которая, впрочем, может быть существенно увеличена при учете:

1. современных результатов в области лесоводства, ориентированных на повышение эффективности выращивания топливной древесины;
2. дополнительных объемов органики, представляющих собой отходы с/х производства, пищевой промышленности, и коммунального хозяйства;
3. специализированного («энергоориентированного») с/х производства.

В заключение отметим, что целью настоящей работы не был детальный технико-экономический анализ конкретных проектов развития биоэнергетики. Авторы скорее ставили перед собой задачу привлечь внимание к этой проблеме и показать ее в несколько необычном политическом и экономическом разрезе. Так, например, возвращаясь к проблеме нового высоколиквидного актива, который должен придти на смену нефти в рамках новой финансовой системы, можно отметить, что запасы лесной древесины (при условии их эффективной конверсии в топливо) выглядят вполне интересным кандидатом на эту роль. Деревянный доллар (или рубль?) – почему бы и нет?

Литература:

1. ENERGY INDEPENDENCE AND SECURITY ACT (EISA) OF 2007 http://www1.eere.energy.gov/femp/pdfs/eisa_femp.pdf
2. Горбанев В. А. Глобальные изменения климата: от Рио до Канкуна //Вестник МГИМО УНИВЕРСИТЕТА. – 2011. – Т. 4. – №. 4.
3. Головнин М. Ю., Ушкалова Д. И., Якушева А. Е. Влияние внешних шоков на экономики стран СНГ в период кризиса 2007-2009 годов (глобальный и региональный аспекты) //Евразийская экономическая интеграция. – 2010. – №. 1 (6).
4. Renewable Fuels Association (6 March 2012). «Acelerating Industry Innovation – 2012 Ethanol Industry Outlook» (PDF). Renewable Fuels Association. Retrieved18 March 2012. See p. 3. http://ethanolrfa.3cdn.net/d4ad995ffb7ae8fbfe_1vm62ypzd.pdf
5. Гардаш С. В., Корнеев А. В. Стратегический нефтяной резерв США. История, структура, функционирование //Центр стратегических разработок. – 2002. – Т. 17.
6. BP Statistical Review of World Energy June 2015 http://www.bp.com/content/dam/bp/pdf/Energy-economics/statistical-review-2015/bp-statistical-review-of-world-energy-2015-full-report.pdf
7. Форрестер Д. Мировая динамика. – М.: Наука, 1978.
8. Шумилов В. М. и др. Международное финансовое право. – М.: Междунар. отношения, 2005.
9. Карнаухов А. В. К вопросу об устойчивости химического состава атмосферы и теплового баланса Земли //Биофизика. – 1994. – Т. 39. – № 1. – С. 148-152.
10. Карнаухов А. В., Карнаухов В. Н. Роль биоразнообразия в сохранении климата Земли и человеческой цивилизации. Проблемы геобиофизики //Биофизика. – 1998. – Т. 43. – № 6. – С. 1106-1121.
11. Карнаухов А. В. Роль биосферы в формировании климата Земли. Парниковая катастрофа //Биофизика – 2001. – Т. 46. – № 6. – С. 1078-1088.
12. Карнаухов А. В., Карнаухова Е. В. Константа климатической чувствительности в глобальных моделях: перенормировка с учетом обратных связей и численная оценка на основе палеоклиматических данных. // Математическая биология и биоинформатика. – 2012. – Т. 7. – № 1. – С. 102-111.
13. Зайцев Ю. К. и др. Ответственность за исполнение решений: год спустя после саммита «восьмерки» в Аквиле 2009 г //Вестник международных организаций. – 2010. – №. 2. – С. 103-110.
14. Морариу Д., Аверьянова О. Ю. Некоторые аспекты нефтеносности сланцев: понятийная база, возможности оценки и поиск технологий извлечения нефти //Нефтегазовая геология. Теория и практика. – 2013. – Т. 8. – №. 1.
15. Теплота сгорания, Физическая энциклопедия (в 5-ти томах) – М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.
16. Гидролизные производства. Химическая энциклопедия (в 5-ти томах) – М.: Советская энциклопедия. Главный редактор Н. Л. Кнунянц. 1988.
17. Дмитриева Е. Мировое производство лесной продукции в 2014 г.http://www.lesonline.ru/n/4BBA9
18. Крамских А. Первые по площади, вторые по запасам http://www.lesvesti.ru/news/expert/5331/
19. Лапцевич М. Недооцененное биотопливо //Лесная индустрия – 2014, – № 9 (77) http://www.lesindustry.ru/issues/li_n77/Nedootsenennoe_biotoplivo_935/
20. Жибуль Е. Лес как национальная идея //Белорусская лесная газета – 2014, – № 48 (1018), http://lesgazeta.by/economy/mezhdunarodnyj-opyt/les-kak-nacionalnaja-ideja.
21. Караханов Э. А. Синтез-газ как альтернатива нефти. 1. Процесс Фишера–Тропша и оксо-синтез //Соросовский образовательный журнал. – 1997. – Т. 19. – №. 3. – С. 7-69.
22. Киселев М. В., Шантарин В. Д. Сравнение эффективности высокотемпературного пиролиза и процесса Фишера-Тропша по выходу жидких углеводов //Проблемы современной науки и образования. – 2014. – №. 10 (28).

Reference:

1. ENERGY INDEPENDENCE AND SECURITY ACT (EISA) OF 2007 http://www1.eere.energy.gov/femp/pdfs/eisa_femp.pdf
2. Gorbanev V.A. Global climate change: from Rio to Cancun // Bulletin of the MGIMO University. – 2011. – T. 4. – № 4.
3. Golovnin M. Yu., Ushkalova D.I., Yakusheva A.E. Influence of external shocks on the economies of the CIS countries in the period 2007-2009 crisis (global and regional aspects) // Eurasian Economic Integration. – 2010. – №. 1 (6).
4. Renewable Fuels Association (6 March 2012). "Acelerating Industry Innovation – 2012 Ethanol Industry Outlook" (PDF). Renewable Fuels Association. Retrieved18 March 2012. See p. 3.
   1. http://ethanolrfa.3cdn.net/d4ad995ffb7ae8fbfe_1vm62ypzd.pdf
5. Gardash S.V., Korneyev A.V. US Strategic Petroleum Reserve. History, structure, operation // The Centre for Strategic Research. – 2002. – V. 17.
6. BP Statistical Review of World Energy June 2015 http://www.bp.com/content/dam/bp/pdf/Energy-economics/statistical-review-2015/bp-statistical-review-of-world-energy-2015-full-report.pdf
7. Forrester D. World Dynamics. – M.: Nauka, 1978.
8. Shumilov V.M. et al. International financial law. – M.: Internat. relations, 2005.
9. Karnaukhov A.V. On the stability of the chemical composition of the atmosphere and the Earth's heat balance // Biofizika – 1994. – V. 39. – № 1. – pp. 148-152.
10. Karnaukhov A.V., Karnaukhov V.N. The role of biodiversity in maintaining the climate of the Earth and human civilization. Problems geobiofiziki // Biofizika – 1998. – V. 43. – № 6. – pp. 1106-1121.
11. Karnaukhov A.V. The role of the biosphere in the formation of the Earth's climate. Greenhouse catastrophe // Biofizika – 2001. – V. 46. – № 6. – pp. 1078-1088.
12. Karnaukhov A.V., Karnauhova E.V. Constant climate sensitivity in global models: renormalization taking into account feedback and numerical estimate based on paleoclimatic data. // Mathematical Biology and Bioinformatics. – 2012. – V. 7. – № 1. – pp. 102-111.
13. Zaitsev Y.K., et al. Responsible for the implementation of decisions: a year after the «Group of Eight» summit in L'Aquila, 2009 // Bulletin of international organizations. – 2010. – №. 2. – pp. 103-110.
14. Morariu D., Averyanov O.Yu. Some aspects of oil shale: conceptual framework, the possibility of assessing and searching for oil recovery technologies // Petroleum geology. Theory and practice. – 2013. – V. 8. – №1.
15. The heat of combustion, Physical encyclopedia (in 5 volumes) – M.: Soviet encyclopedia. Editor in Chief Prokhorov A.M. 1988.
16. Hydrolysis of production. Chemical encyclopedia (in 5 volumes) – M.: Soviet encyclopedia. Chief editor Knuniants N.L. 1988.
17. Dmitrieva E.V. World production of forest products in 2014 http://www.lesonline.ru/n/4BBA9
18. Kramskikh A. The first on area, the second on stocks http://www.lesvesti.ru/news/expert/5331/
19. Laptsevich M. Undervalued biofuels // Forest Industry – 2014, – № 9 (77) http://www.lesindustry.ru/issues/li_n77/Nedootsenennoe_biotoplivo_935/
20. Zhibul E. Forest as a national idea // The Belarusian Forest Newspaper – 2014, – № 48 (1018), http://lesgazeta.by/economy/mezhdunarodnyj-opyt/les-kak-nacionalnaja-ideja
21. Karakhanov E.A. Synthesis gas as an alternative to oil. The Fischer-Tropsch process and oxo synthesis // Soros Educational Journal. – 1997. – V. 19. – № 3. – pp. 7-69.
22. Kiselev M.V., Shantarin V.D. Comparing the effectiveness of high-temperature pyrolysis and Fischer-Tropsch process for the exit of liquid carbohydrate // Problems of modern science and education. – 2014. – №. 10. (28).