Поможет ли «биотопливный бум» устойчивому развитию

We use cookies. Read the Privacy and Cookie Policy

Поможет ли «биотопливный бум» устойчивому развитию

Б.М. Миркин

 доктор биологических наук,

Л.Г. Наумова

кандидат биологических наук,

Р.М. Хазиахметов

 доктор биологических наук

Угроза исчерпания углеродсодержащих энергоносителей и рост цен на нефть стали причиной настоящего «биотопливного бума»: производство биоэтанола и биодизеля быстро растет во многих странах мира. При этом замена традиционного автомобильного топлива на его биологические аналоги рассматривается как переход к нетрадиционной энергетике на основе возобновимых источников и, следовательно, как вклад в устойчивое развитие. Кроме того, считается, что использование биотополива снизит давление человека на окружающую среду. Мы постараемся показать, что связь между «биотопливным бумом» и устойчивым развитием далеко не однозначна.

Об устойчивом развитии мирового сообщества и отдельных стран сегодня пишут много, хотя никто не может сказать, каким оно будет. Впрочем, этому не следует удивляться. Один из крупнейших философов ХХ столетия Карл Поппер с полным основанием считал, что будущее человечества непредсказуемо, сегодня мы видим тому множество подтверждений. В начале 1990-х годов после крушения Берлинской стены директор института «Worldwatch» экономист-эколог Лестер Браун писал о вступлении человечества в «инвайронментальную эру», при которой все ресурсы, затрачиваемые ранее на вооружение, будут переключены на улучшение состояния окружающей среды: экономический рост трансформируется в экологическое развитие. Однако этот прогноз не подтвердился – в XXI веке человечество продолжает вооружаться, и военные конфликты яркими кострами полыхают в разных регионах мира. Переход от экономического роста к экологическому развитию, очевидно, откладывается.

Проблемы обеспечения ресурсами

Сегодня уже четко обозначились основные проблемы, которые необходимо решить для экологического обустройства цивилизации, и первая из них – обеспечение ресурсами.

Если допустить, что население планеты может увеличиться в 1,5-2 раза, то можно достаточно конкретно рассматривать возможности его обеспечения минеральными, энергетическими и продовольственными ресурсами. Эти ресурсы имеют совершенно разную природу, они не взаимозаменяемы и в равной мере необходимы человечеству.

Решить проблему обеспечения минеральными ресурсами «помогает» закон сохранения веществ. Есть принципиальная возможность обеспечить рециклинг всех веществ, используемых в хозяйственной деятельности человека, что одновременно решит и проблему отходов, которые сегодня продолжают в угрожающих количествах накапливаться на поверхности планеты. Однако для осуществления рециклинга некоторых веществ потребуются очень большие затраты. К примеру, запасы фосфора, без которого нельзя получить даже средних урожаев зерновых, имеют устойчивую тенденцию к истощению, так как этот элемент не вовлекается в круговорот веществ, а прямиком устремляется из горных пород (и особенно с полей, на которые он вносится в виде фосфорных удобрений) на дно морей. Разумеется, нужно сделать все возможное, чтобы замедлить этот процесс, но тем не менее очевидно, что в будущем фосфор придется рециклировать со дна морского. Это будет стоить дорого и, понятно, повлияет на стоимость зерна. Удорожание ресурсов по мере их истощения является стимулом развития ресурсосбережения, которое набирает обороты во всем мире.

Те вещества, запас которых ограничен и которые все-таки рассеиваются, могут быть заменены другими эквивалентами (металлы – пластиками, стекловолокном и т. п.). Таким образом, проблема обеспечения минеральными ресурсами в принципе разрешима.

Проблема обеспечения энергетическими ресурсами несравненно сложнее, в этом случае законы природы (законы термодинамики) работают против человека. Энергия используется однократно и рассеивается в процессе использования. Рециклировать ее невозможно в принципе. При этом использование энергии не имеет пределов ни «снизу» (ресурсы), ни «сверху» (потребление). При истощении ресурсов ископаемого топлива для производства энергии могут быть использованы атомные электростанции (вместо урана, запасы которого ограничены, может быть использован торий), значительное количество энергии можно получить при использовании возобновимых источников энергии.

Энергопотребление в мире быстро растет. С удвоением численности народонаселения количество потребляемой энергии увеличилось в 50 раз. По прогнозам МИРЭС, к 2020 г. энергопотребление возрастет еще в 1,5 раза (в развивающихся странах – вдвое). И это не предел, несмотря на новые энергосберегающие технологии.

Одной из главных причин роста энергопотребления является развитие автомобильного транспорта. Среднедневной расход бензина на одного жителя США достиг 5 л. Если этот норматив распространится на весь мир, то потребует увеличить производство автомобильного топлива в 10 раз. Сегодня мировой парк автомобилей превысил 900 млн единиц и через 20 лет может достичь 1,5 млрд. К полчищам автомобилей, которые заполнили улицы городов в богатых странах, добавилось примерно столько же автомобилей в развивающихся странах. При этом если в Европе, Японии и отчасти в США уже запущены механизмы, которые снижают влияние автомобильного транспорта на окружающую среду (развитие парков коллективного пользования и общественного транспорта, налоговый пресс на эксплуатацию автомобилей и др.), то в развивающихся странах число «демонов цивилизации» растет без ограничений. В «нефтяных» странах Ближнего Востока число личных автомобилей превысило 700 на тысячу населения.

Ограничить рост производства энергии должны экологические последствия, связанные с загрязнением окружающей среды (в первую очередь – атмосферы парниковыми газами). Однако пока эти ограничители не работают, хотя уже сформулированы два направления снижения уровня влияния энергетики на биосферу: децентрализация и декарбонизация.

Проблема обеспечения продовольствием еще сложнее. Она имеет сходство с развитием энергетики лишь в том отношении, что продовольствие, как и энергия, используется однократно. Однако производство продовольствия в отличие от производства энергии имеет жесткие пределы и «сверху» (количество ртов), и «снизу» (агроресурсы). Ограничение «сверху» осуществляется через рынок: неиспользованные излишки продовольствия делают его производство нерентабельным, и принимаются меры по недопущению перепроизводства некоторых видов сельскохозяйственной продукции. При росте народонаселения роль ограничителей «сверху» постепенно сойдет на нет, особенно с учетом возможного потепления климата, которое приведет к значительному снижению урожаев в районах, производящих основную массу товарного зерна. Однако при любой численности народонаселения сохранится действие ограничителей «снизу».

Во-первых, количество производимых продуктов ограничивается «кормовой площадью» – площадью сельскохозяйственных угодий, морских и пресноводных «пастбищ» (естественных и искусственных). Самая важная для обеспечения продовольствия территория – пахотные земли – к сожалению, не растет, так площади, пригодные для развития земледелия, уже исчерпаны. С учетом роста народонаселения обеспеченность пашней идет на убыль: площадь пашни на одного едока за вторую половину ХХ века уменьшилась вдвое (с 0,23 до 0,12 га).

Во-вторых, по «иронии природы» влагообеспеченность и теплообеспеченность нашей планеты связаны обратной зависимостью: там, где много воды, холодно, а там, где тепло, воды не хватает. В итоге значительная часть продовольствия производится на поливных землях, что нарушает естественный круговорот воды и ведет к истощению ее надземных и подземных запасов. Практически исчезла великая река Хуанхэ, воды которой разобраны на полив; в верхних и нижних частях бассейна Нила обострились противоречия за использование воды между Эфиопией и Египтом; нарастают противоречия за воду между Израилем, Иорданией и Палестиной; острая ситуация складывается в Центральной Азии, где не могут поделить воду Таджикистан и Узбекистан; намечаются противоречия за воду Иртыша между Казахстаном и Россией…

Еще хуже складывается ситуация с ресурсами подземных вод. На десятки метров снизился уровень залегания грунтовых вод на Центральной равнине Северной Америки в водоносном горизонте Огаллала (штаты Техас, Оклахома, Аризона, Колорадо, Канзас и Небраска) и в равнинных земледельческих районах Китая и Индии. В этих азиатских странах под влиянием забора воды на полив уровень грунтовых вод ежегодно снижается на 1-3 м. В районе Пекина уровень грунтовых вод за 50 лет упал на 50 м, и местным крестьянам уже запрещено использовать воду для полива. Вода становится важнейшим фактором в обеспечении продовольственной безопасности.

В-третьих, производство продовольствия лимитируется невысокой способностью растений (в том числе и планктонных водорослей) усваивать солнечную энергию. Для фотосинтеза используется 0,5-1 (реже 2) процента от солнечной энергии, поступающей на поверхность планеты. Это ограничивает продукционный потенциал культурных растений и продуктивность «морских пастбищ».

В-четвертых, количество продовольствия ограничивается долей полезных фракций урожая в фитомассе культурных растений (зерна злаков, корнеплодов, клубней, семян подсолнечника и т. д.). Попытки увеличить долю полезных фракций в фитомассе культурных растений ведет к резкому увеличению расхода энергии на их возделывание (повышению доз минеральных удобрений и пестицидов, норм полива).

В-пятых, на производство животного белка влияет низкий коэффициент перехода первичной биологической продукции во вторичную (это тоже отражение законов термодинамики!). Если выразить корм в зерновом эквиваленте, то его затраты на получение 1 кг говядины, свинины и мяса бройлера составят соответственно 6, 4 и 2 кг. Но ситуация, при которой из 1 кг зерна будет получен 1 кг мяса, исключается.

Несмотря на все ограничения, пока продовольственная безопасность человечества в среднем обеспечивается. С удвоением народонаселения производство зерна за счет повышения урожайности увеличилось в 3 раза, а мяса – в 4 раза. Сегодня на одного «едока» в среднем производится 300 кг зерна, что соответствует нормативу продовольственной безопасности (для «вегетарианских стран» норматив составляет 200 кг). Снижение улова морской рыбы вследствие истощения ресурсов «естественных пастбищ» пока компенсируется развитием аквакультуры.

Впрочем, усредненная картина производства зерна в мире плохо отражает реальное состояние продовольственной безопасности: в то время как в США, Канаде и России сегодня производится 700-900 кг зерна в год на одного жителя, в бедных странах, таких как Кения, Танзания или Гаити, производится менее 150 кг зерна на душу населения в год. По этой причине их население голодает и нуждается в постоянной продовольственной помощи. По данным ФАО, в мире голодают 0,5 млрд человек, однако этот показатель, видимо, чрезмерно занижен – представители Французского комитета против голода считают, что число голодающих составляет 1,2 млрд человек.

Обеспечение продовольственной безопасности населения планеты численностью 8-12 млрд человек – задача сложная (если учитывать, что исчерпаны ресурсы для расширения пашни и урожайность основных сельскохозяйственных культур приблизилась к физиологическому порогу), но выполнимая. Для ее решения необходим целый комплекс мер: развитие сухого земледелия, режим строжайшей экономии продовольствия, увеличение доли растительного белка в пищевом рационе (для его производства требуется меньше энергии), полное использование отходов растениеводства в качестве кормов.

Биотопливо и продовольственная безопасность

Обеспечение рассмотренными видами ресурсов (минеральными, энергетическими, продовольственными) тесно связано: рециклинг минеральных веществ ведет к неизбежному росту энергопотребления; производство биотоплива из продовольственного сырья ослабит продовольственную безопасность.

Л. Браун в своих ранних работах считал элементом продовольственной безопасности прекращение использования продовольствия в качестве сырья для производства топлива и биодеградабельных пластиков. В более поздних работах он, к сожалению, об этом не пишет, так как перешел в лагерь ярых противников атомной энергетики и потому смирился с «перетоком» огромной массы кукурузы из кормушек для скота в бензобаки автомобилей как альтернативе строительства новых АЭС.

Использование биотоплива – это биологический вариант гелиоэнергетики, при котором уловителем солнечной энергии является хлорофилл, а ее накопителем – органическое вещество. В седой древности биотопливо согревало пещеры, в которых жили наши пращуры, на кострах они готовили и «палеолитические деликатесы» – запеченные мясо, плоды, клубни и корневища растений… И сегодня древесина служит основным топливом в очагах жителей многих бедных стран, а также каминах состоятельной части общества. Сжигание древесины оказывает негативное влияние на продовольственную безопасность только опосредованно – вследствие сокращения площади лесов и соответственно уменьшения стока избытка диоксида углерода из атмосферы.

Рассмотрим, как влияют на продовольственную безопасность другие, более современные варианты биотоплива.

Биогаз. Этот продукт микробиологической переработки органических отходов, включая органическую фракцию твердых бытовых отходов, навоз и фекалии человека, является полностью экологичным, так как для производства биогаза не используется продовольственное сырье. Небольшие установки для получения биогаза распространены в теплых странах. Рекордсменом по использованию биогаза является Китай, в котором работает более 10 млн небольших установок, вырабатывающих биогаз, что улучшает условия жизни сельского населения. Кроме того, 64 тыс. биогазовых станций обеспечивают работу 190 электростанций и более 60% автобусного парка, работающего на сжиженном биогазе [1]. Отходы производства биогаза являются хорошим органическим удобрением. В нашем климате возможности получения биогаза невелики, так как для того чтобы успешно протекал биохимический процесс, метантенк нужно подогревать.

Близок к биогазу свалочный газ, который вырабатывается в толщах гигантских «метантенков» старых городских свалок и добывается оттуда через скважины примерно так же, как природный газ.

Бионефть. Новый вариант биотоплива, который только начал получать распространение, но, видимо, имеет большие перспективы [1]. Бионефть получается путем глубокой химической переработки (на основе пиролиза) самого разнообразного сырья. В канадской провинции Онтарио работает предприятие, перерабатывающее в сутки 200 т самого разнообразного сырья (древесину, солому, кукурузные отходы, ТБО и др.). Из 1 т отходов получается 600-800 кг бионефти. В США (штат Миссури) спроектирована установка по получению бионефти из автомобильных шин, пластмасс, канализационных стоков, тяжелых нефтепродуктов. Бионефть является промежуточным продуктом для производства разных видов автомобильного топлива. Производство бионефти не связано с решением задачи обеспечения продовольственной безопасности.

Биоэтанол. Это биотопливо XXI века. Бензин с добавлением 10% биоэтанола (топливо Э-10) может использоваться в любом автомобиле. При более высокой доле биоэтанола или на чистом биоэтаноле могут работать только специальные автомобили, производство которых уже начато. Использование биоэтанола значительно снижает уровень загрязнения атмосферы. Прогресс производства биоэтанола поражает своими масштабами, и есть основания говорить о «биоэтаноловой эйфории» (см. [2]).

Несмотря на то что биоэтанол можно получать из древесины и любых органических отходов, сегодня основная его часть производится из продовольственного сырья – сахарного тростника в Бразилии, кукурузы в США, кукурузы и пшеницы в странах ЕС («тростниковый» биоэтанол вдвое дешевле «кукурузного»). В Бразилии на биоэтанол расходуется уже 50% сахарного тростника, в США – 20% кукурузы.

Впрочем, на производство биоэтанола требуются значительные затраты энергии из исчерпаемых источников – газа, угля, нефти. М. Уорлд [3] приводит данные о том, что на 1 мегаджоуль (МДж) биоэтанола затрачивается 0,77 МДж энергии из исчерпаемых источников (впрочем, на производство 1 мегаджоуля бензиновой энергии затрачивается «исчерпаемых» 1,19 МДж!).

Рост цен на нефть повышает и цену на продовольственное сырье для производства горючего, что стимулирует расширение пахотного клина. В Бразилии «под биоэтанол» массированно осваиваются ксерофитные тропические леса и саванны. Ежегодно площадь биоэтаноловых плантаций возрастает на 325 тыс. га. Сегодня эта площадь уже равна территории Нидерландов, Бельгии, Люксембурга и Великобритании вместе взятых. К 2025 г. площадь «биоэтаноловых плантаций» должна возрасти в 5 раз.

В Бразилии вклад биоэтанола в энергобаланс уже достиг 40%, им заправляют не только автомобили, но и самолеты. В амбициозных планах США достижение к 2025 г. замены каждого четвертого литра бензина биоэтанолом, что позволит резко снизить зависимость страны от импорта нефти и укрепить ее экономику. Сейчас доля биоэтанола в автомобильном горючем страны составляет менее 4%, но на его производство затрачивается 20% урожая кукурузы. Крупный американский агроэколог Д. Пиментал считает, что весь урожай кукурузы, который сегодня получают США, может обеспечить только 17% потребности для производства автомобильного топлива. Очевидно, что поскольку значительная часть кукурузы по-прежнему будет использоваться как продовольственный ресурс, то резко возрастет доля импорта биоэтанола, в первую очередь из Бразилии. Дж. Буш надеется на основе альянса с Бразилией создать «биотопливный ОПЕК».

Возрастет и производство этанола из непродовольственного сырья – древесины, отходов сельского хозяйства, ТБО. Однако для этого нужны новые технологические решения, в частности – поиск микроорганизмов, которые способны продуцировать энзимы для быстрого разрушения древесины. Повысится роль генетически модифицированных организмов, не исключено, что будут «одомашнены» бактерии, которые живут в пищеварительной системе термитов и являются самыми активными разрушителями целлюлозы.

Итогом биоэтанолового бума уже стал рост цен на продовольствие, который происходит во всем мире (что почувствовали и россияне). С учетом роста числа автомобилей и потребности в горючем эта опасная тенденция будет развиваться и дальше. Кроме того, «биоэтаноловые плантации» негативно влияют на состояние атмосферы и почв: внесение высоких доз минеральных удобрений увеличивает выбросы в атмосферу оксидов азота (тоже парниковый газ!), а разрушение гумуса, которое происходит при этом, – диоксида углерода. Эти негативные эффекты усиливаются сокращением площади лесов.

Биодизель. Этот вариант топлива производится из растительных и животных жиров. Биодизель можно получать из отходов мясоперерабатывающих предприятий, фритюрного жира и др. В настоящее время в Европе и Китае большая часть его производится из масла рапса. Биодизель сегодня в 2 раза дешевле, чем обычное дизельное топливо. Рапс – это высокоурожайная культура, дающая до 35 ц/га семян, ее возделывание не столь разрушительно для почвы, как выращивание кукурузы, так как рапс оставляет большую корневую массу. Шрот, остающийся после выдавливания из семян масла, является ценным кормом для животных (впрочем, после соответствующей обработки как корм для животных может использоваться и барда, образующаяся после производства биоэтанола из кукурузы, сои и др.). Достоинством биодизеля является возможность получения его на небольших установках, рассредоточенных по сельскохозяйственным районам. На этой основе планирует решать свои энергетические проблемы Украина.

Однако для получения высоких урожаев рапса также необходимо вносить азотные удобрения, что ведет к эмиссии в атмосферу оксидов азота и диоксида углерода. Кроме того, под «биодизельный рапс» занимается пашня, что снижает производство продовольствия. Пока производство биодизеля из рапса не наносит ущерба продовольственной безопасности Европы, но в будущем ситуация может измениться.

Значительно опаснее производство биодизеля из плодов масличной пальмы в странах тропического пояса, так как плантации расширяются за счет тропических лесов. В Индонезии к 2020 г. планируется утроить производство пальмового масла, что приведет к гибели 98% лесного покрова страны, а Малайзия уже лишилась 87% тропических лесов и продолжает вырубать их по 7% в год от оставшейся площади [4]. Это наносит удар по биологическому разнообразию и продовольственной безопасности, увеличивает загрязнение атмосферы и уменьшает сток диоксида углерода.

Выводы

Энергетика – самая агрессивная отрасль мирового хозяйства, которая благодаря рыночным механизмам, отражающим бурный рост потребления и в первую очередь увеличение автомобильного парка, сегодня активно вторгается в сферу продовольственной безопасности. Производство биотоплива становится составляющей «дьявольского насоса» (в понимании Н.Н. Моисеева), пользуясь которым богатые страны выкачивают ресурсы из бедных. Пока в странах, где развивается биотопливная энергетика, ей дан «зеленый свет», производство биотоплива поддерживается государственными инвестициями и налоговыми льготами.

Емкую характеристику этому процессу и его возможным последствиям дал ярый противник производства биотоплива кубинский руководитель Фидель Кастро: «Действительная альтернатива заключена в следующем: земля отводится под производство либо продуктов, либо биогорючего. Развитые страны, учитывая их уровень энергопотребления, не располагают нужным для предлагаемых перемен количеством сельскохозяйственных площадей. Отсюда мысль об использовании стран Юга для обеспечения Севера дешевой энергией. Но какой будет цена для развивающихся стран?» [4].

Переключение значительной части продовольственного сырья на производство энергии неизбежно приведет к дальнейшему росту цен на продукты питания. Последствия этого могут быть трагическими: «Для бедных стран, импортирующих зерно, опасность состоит в том, что цены на него могут резко возрасти, и это приведет к обнищанию большего числа людей и в более короткий промежуток времени, чем когда-либо в истории. Усиление продовольственной необеспеченности чревато политической нестабильностью в масштабах, которые могут подорвать глобальный экономический прогресс». (Цит. по: [1, с. 217].)

Добавим к сказанному, что обнищание бедных стран обернется усилением фундаментализма и терроризма.

Как можно изменить ситуацию? Необходимо резко ограничить, а в перспективе – прекратить производство биотоплива из продовольственного сырья, поскольку использование «кукурузного биоэтанола» и «пальмового биодизеля» подрывает самые основы устойчивого развития, которое имеет одной из главных задач борьбу с бедностью и голодом. Рынок антиэкологичен по своей природе, и потому должен контролироваться мировым сообществом. Один из ведущих специалистов института «Worldwatch» Х. Френч [5] резонно ставит вопрос о необходимости реформирования глобального управления и создании Всемирной экологической организации (ВЭО) с правом «вето» на антиэкологичные решения ВТО. Одним из первых должен стать запрет на производство горючего из продовольственного сырья.

Полтора миллиарда прожорливых автомобилей не должны оставить голодными полтора миллиарда людей планеты.

Литература

1. Благутина В.В. Биоресурсы// Химия и жизнь. 2007. № 1. С. 36-39.

2. Квинт В.Л. Станет ли этанол альтернативой бензину?// Экология и жизнь. 2007. № 6. С. 40-45.

3. Уорлд М. Этанол для автомобиля//В мире науки. 2007. № 5. С. 21-27.

4. Хольц-Хименес Э. Пять мифов о переходе на биотопливо// Le Monde diplomatique. 2007. № 6.

5. Френч Х. Реформирование глобального управления// Состояние мира 2002. Доклад института «Worldwatch» о развитии по пути к устойчивому обществу. – М.: Весь мир, 2003.