CO2-Emissions as a Measure of Energy Efficiency in the Production and Application of Fertilizers

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

В производстве минеральных удобрений к основным загрязняющим веществам (поллютантам), выбрасываемым в атмосферу, относятся NO_x, CH₄, SO₂, SO₃, H₂SO₄, СО, соединения фтора, NH₄NO₃. Производство аммиака, минеральных удобрений и неорганических кислот требует больших затрат энергии, получаемой обычно за счет сжигания органического топлива с выделением значительных объемов парниковых газов. При этом некоторые предприятия (например, по производству карбамида) частично используют образующийся СО₂ в качестве исходного сырья, что позволяет уменьшить эмиссию диоксида углерода. Тем не менее работа большинства предприятий сопровождается выбросами в атмосферу, связанными со сжиганием природного газа, угля или дизельного топлива в турбинах, котлах, компрессорах и других системах для выработки энергии и тепла. При этом размеры эмиссии поллютантов зависят от используемого сырья и вида топлива, которые и определяют в большей степени технику и технологию получения энергии.

При этом одним из важнейших факторов является энергоэффективность. Например, в России длительный этап восстановления и модернизации производственных мощностей отрасли минеральных удобрений, введенных в эксплуатацию в 1970–1980-х гг., завершился к концу 2010 г. Дальнейшее увеличение действующих мощностей и более глубокая модернизация сопряжены с резким увеличением капитальных затрат. Что касается энергоэффективности, то основные принципы регулирования в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности заложены в Федеральном законе от 23 ноября 2009 г. № 261 ФЗ “Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации” и ГОСТ Р ИСО 50001-2012.

Потребление энергоресурсов неразрывно связано с проблемой экологического воздействия на окружающую среду, которое оказывают выработка энергии и транспорт, а также c выбросами парниковых газов (ПГ) в результате сжигания углеводородного топлива. При производстве азотных удобрений расходуется значительная часть энергии, в частности, на связывание атмосферного азота, необходимого для производства аммиака. При производстве нитрата аммония, азотной кислоты из аммиака, серной кислоты из серы вырабатываются полезные энергоресурсы, которые можно использовать для производства электроэнергии, применяя для этого паровые турбины. Для выпуска фосфорсодержащих удобрений требуется энергия для производства фосфорной кислоты, ее дальнейшей переработки в готовые продукты. Несмотря на то что в промышленности по производству удобрений всегда расходуется большое количество энергии в процессах, которые проходят при высоких температурах и давлении, эти производства стали более энергосберегающими благодаря усовершенствованию применяемых технологий. Предприятия по выпуску аммиака, построенные в 1990 г., потребляли приблизительно на 30% меньше энергии на 1 т азота по сравнению с теми, которые были введены в эксплуатацию в 1970 г.

Среди предприятий рассматриваемой отрасли промышленности, те предприятия, которые выпускают серную кислоту (из серы) и азотную кислоту, являются поставщиками энергоресурсов, таких как пар высокого, среднего или низкого давления или горячая вода. Если, при рассмотрении идеализированного варианта, всю тепловую энергию преобразовать в электроэнергию посредством паровой турбины, тогда поставки на сторону полезных энергоресурсов значительно сократятся, но при этом выработанная электроэнергия будет использована непосредственно в производстве. Это уже рассматривается как один из путей повышения энергоэффективности.

Например, крупнейший российский производитель минеральных удобрений – ПАО “ФосАгро” к 2028 г. планирует снизить выбросы парниковых газов на 14% по сравнению с 2018 г. Для этого у него есть программа энергоэффективности для энергосбережения, сокращения потребления и потерь энергии [1].

Следует при этом отметить, что при производстве минеральных удобрений может увеличиваться выброс CO₂, но это компенсируется за счет высоких урожаев. Сельское хозяйство – одна из областей производства, значительно влияющая на выброс парниковых газов, а также потребляющая большое количество энергии. При этом энергопотребление и выбросы парниковых газов зачастую связаны прямо пропорциональной зависимостью. Следовательно, наиболее важным путем снижения выбросов ПГ является увеличение энергоэффективности сельского хозяйства.

По данным [2], проведение в России энергосберегающей политики, совершенствование и реализация новых энергоэкономных технологий, энергоэффективного оборудования и техники, рациональное использование энергоресурсов позволят снизить удельные энергозатраты при производстве сельхозпродукции, т. е. снизить энергоемкость производства и выйти на запланированный уровень ее снижения – к 2030 г. – на 60 и к 2035 г. – на 65%.

Можно выделить 4 направления энергосбережения в сельском хозяйстве:

• абсолютное сокращение объемов потребляемой энергии за счет рационализации методов хозяйствования, повышения интенсификации, внедрения энерго- и ресурсосберегающих технологий производства;
• замещение дорогостоящих и дефицитных энергоресурсов менее дефицитными;
• расширение области использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии;
• изменение системы управления организации, построение и внедрение в практику организационно-экономического механизма энергосбережения.

Принимая во внимание огромный массив данных, накопленных за последние годы о выбросах парниковых газов (в первую очередь CO₂ и метана), можно рассмотреть проблему энергоэффективности (выбросы углекислого газа происходят, прежде всего, при сжигании топлива, а также при переработке метана как сырья для азотных удобрений) в цепочке от производства удобрений до их логистики, применения, образования и утилизации отходов.

Поскольку подавляющая часть выбросов ПГ обусловлена процессами энергопотребления, рост энергоэффективности играет определяющую роль в воздействии на уровень эмиссии. За период 1990–2017 гг. энергоемкость ВВП России снизилась на 30%, энергоемкость мирового ВВП – на 35%. Это было ключевым фактором сдерживания выбросов СО₂, тогда как вклад процесса снижения углеродоемкости потребляемой энергии (зависит от топливной структуры) пока остается существенно менее значимым. В перспективе ведущая роль фактора энергоэффективности сохранится [3].

Цель работы – анализ сопряженных процессов потребления энергии и выбросов парниковых газов в системе “производство минеральных удобрений – транспортировка – внесение в агроэкосистемах – утилизация агроотходов” и оценка факторов энергоэффективности. При этом размеры выбросов ПГ на всех этапах жизненного цикла можно рассматривать как меру энергоэффективности.

ПРОИЗВОДСТВО УДОБРЕНИЙ

Производство минеральных удобрений, как часть химической промышленности (и в то же время тяжелой промышленности), является одной из наиболее энергоемких отраслей и может играть решающую роль в реализации обязательств по энергосбережению и сокращению выбросов. Показано, что среди факторов, которые могут привести к снижению выбросов CO₂ в тяжелой промышленности Китая, должны учитываться структура промышленности, инвестиции в основной капитал и исторически сложившиеся размеры эмиссии поллютантов. При этом энергоэффективность является ключевым фактором сокращения выбросов углекислого газа. Реализация политики обязательного сокращения выбросов может снизить выбросы CO₂ [4].

На долю химической промышленности в России приходится ≈2% потребления первичных энергоресурсов страны и 2.5% общего объема выбросов парниковых газов, из которых 60% составляют выбросы от производственных процессов и сжигания топлива. Оставшиеся 40% относятся к косвенным выбросам, связанным с потреблением электроэнергии и тепла. Ожидается, что на протяжении 2-х ближайших десятилетий отрасль продолжит быстрый рост, и для ограничения роста энергопотребления ей необходимо будет внедрять рентабельные меры по энергосбережению. При реализации всех выявленных мер в 2030 г. выбросы парниковых газов могут быть меньше сегодняшнего уровня. Однако в отсутствие указанных изменений выбросы возрастут приблизительно на 85%.

Повышение энергоэффективности предполагает установку более энергоэффективного оборудования на химических заводах, оптимальное использование катализаторов и применение более эффективных технологий, снижающих энергопотребление. Самой высокой рентабельностью и наиболее значительным потенциалом отличается комплекс мер по повышению энергоэффективности оборудования химических предприятий (двигателей конвейеров, смесительных машин и др.). С их помощью можно добиться экономии энергоресурсов в размере 6.3 млн т условного топлива (у. т.) и сократить выбросы на 6.5 млн т CO₂-экв/ год в 2030 г. Также необходима реализация целого ряда мер по совершенствованию производственных процессов и катализаторов, которые помогут снизить интенсивность выбросов в химических процессах. Важнейшим представляется улавливание и/или разрушение закиси азота (N₂O) в отходящих газах при производстве азотной кислоты. С помощью определенных технологий фильтрации (каталитического разложения или каталитического восстановления) удается ускорить разложение N₂O в отходящих газах. Реализация этой меры, хотя и позволит сократить выбросы, но является высоко затратной. Далее, необходимо изменение структуры топливного баланса химической отрасли с целью перехода на топливо, выделяющее меньшее количество парниковых газов при сжигании. В ряде регионов мира это потребует перехода химических предприятий с нефти и угля на газ. Можно также рассматривать внедрение технологии улавливания и хранения углекислого газа. Это развивающаяся технология, которая, как ожидается, позволит улавливать углекислый газ, выделяющийся при сгорании топлива и в ходе производственных процессов на химических предприятиях (например, при производстве аммиака).

Еще одним фактором, определяющим энергоэффективность производства минеральных удобрений и снижение выбросов ПГ, является учет климатических рисков. К ним относятся риски, связанные с изменениями в природных процессах и явлениях в результате изменения климата (физические факторы). Также они связаны с принятием политических, экономических, финансовых и иных решений правительствами, международными организациями, финансовыми структурами, объединениями производителей и потребителей, другими общественными организациями с целью снижения темпов климатических изменений. Это может быть обеспечено на основе сокращения выбросов парниковых газов путем введения углеродного регулирования, ограничений на использование ископаемого топлива и потребление электроэнергии, полученной из невозобновляемых источников энергии (переходные факторы). При этом следует подчеркнуть, что в настоящее время климатические изменения происходят прежде всего за счет природных процессов (изменение солнечной активности, изменения угла наклона орбиты Земли, вулканическая активность и пр.). Антропогенные процессы играют подчиненную роль [5].

В ПАО “ФосАгро” в 2020 г. на основании принципов устойчивого развития, опубликованных в Кодексе поведения контрагента, была разработана система оценки поставщиков по ESG-критериям, включающим вопросы охраны окружающей среды, социальной ответственности и управления качеством. Оценка основывается на данных анкеты “Показатели устойчивого развития по закупкам”, содержащей 61 ESG-показатель, и механизме учета этих показателей в зависимости от категории поставщиков/подрядчиков. Данная система оценки включает в себя критерии/требования для 6-ти основных направлений устойчивого развития, что позволяет оценить деятельность контрагентов с разных сторон: экологии, охраны труда, управления персоналом, разрешительной документации, контроля качества, качества управления.

Увеличение использования “зеленой” электроэнергии является частью климатической стратегии ПАО “ФосАгро”, в рамках которой только для парниковых газов к 2028 г. планируется снижение эмиссии на 14% от базового уровня 2018 г. во всех 3-х охватах. При этом удельная эмиссия парниковых газов первого охвата уже снижена за период с 2018 по 2021 г. на 16%, в то время как валовая эмиссия за этот период сократилась почти на 4% при непрерывном росте производства.

В состав мероприятий по повышению энергоэффективности ПАО “ФосАгро” также входит пошаговый переход к возобновляемым источникам энергии. В 2021 г. осуществлен ввод в действие 1-го комплекса из 2-х солнечных электростанций по 40 кВт. В настоящее время обеспеченность электроэнергией собственного производства достигла 40.3%. Компания планирует снизить выбросы ПГ до 794.7 тыс. т СО₂-экв к 2028 г. в охвате 1 и до 893.3 тыс. т СО₂-экв в охвате 2 [1].

Стратегией энергоэффективности определены следующие цели (табл. 1):

• сокращение выбросов парниковых газов при увеличении производства продукции;
• повышение энергетической и экологической эффективности основных технологических процессов;
• снижение энерго- и углеродоемкости выпускаемой продукции;
• выход на новые формирующиеся рынки зеленой продукции.

Таблица 1. Перечень и основные характеристики действующих метрик, которые были введены для мониторинга показателей деятельности в рамках климатической стратегии ПАО “Фосагро”

Как результат, удельное потребление энергии на единицу производимой продукции и полуфабрикатов снизилось с 5.58 ГДж/т в 2018 г. и составляло в 2021 г. 5.06 ГДж/т. При этом произошло снижение потребления всех видов природного топлива, даже потребление наиболее экологически чистого природного топлива – метана снизилось за этот период до 0.075 м³/т продукции.

В 2022 г. Кировский филиал ПАО “ФосАгро” (г. Киров, Россия) увеличил объем “зеленой” электроэнергии, используемой в производстве, до 300 млн кВт ч. Таким образом, 17.8% его продукции в прошлом году было выпущено с использованием “зеленой” электроэнергии, выработанной на гидроэлектростанциях ТГК-1. ПАО “ФосАгро” последовательно работает над снижением углеродного следа своей продукции. В том числе это касается требований к поставщикам товаров и услуг.

Рассмотрим еще несколько примеров российских предприятий, производящих минеральные удобрения. Например, ПАО “Минеральные удобрения” (г. Пермь, Россия) является одним из крупнейших производителей азотных удобрений Урала и Западной Сибири. Оно производит аммиак безводный сжиженный, аммиак водный технический, карбамид, а также жидкую низкотемпературную двуокись углерода и жидкую двуокись углерода высокого давления.

Для этого предприятия было предложено строительство фотоэлектрической солнечной электростанции на его территории, которая предназначена для генерации электрического тока с последующим его использованием в пределах внутренней электросети предприятия. Эта электростанция может устанавливаться как на крыше здания, так и на поверхности свободных земельных участков. Возможна установка аккумуляторных батарей, которые обеспечат стабильную работу резервированной нагрузки в случае отключения внешнего питания [6].

Другой пример направлен на оценку входящих и выходящих продуктов. На одном из крупнейших производителей азотных удобрений в Пермском регионе выполнен сбор данных о материальных потоках производства аммиака [7]. Расчет углеродного следа производства аммиака на рассматриваемом предприятии выполнен в соответствие с методическими указаниями, утвержденными в России (Приказ Минприроды РФ № 300 от 30 июня 2015 г.). Согласно данному документу, обязательному учету на производстве аммиака подлежит такой парниковый газ, как диоксид углерода (СО₂). Установлено, что в год производство образует 2.433 млн т СО₂. Согласно расчетным данным, на 1 т аммиака приходится 2.027 т СО₂, что удовлетворяет требованиям критериев проектов устойчивого (в том числе “зеленого”) развития в РФ – совокупный выброс меньше 2.104 т СО₂/т аммиака. Но для уточнения величины совокупного выброса требуется более детальное рассмотрение источников электроэнергии, а также анализ косвенных выбросов СО₂ на 1 т аммиака (охват 2). В табл. 2 показано, что расход природного газа на 1 т аммиака составляет 1275 м³, при этом выбросы СО₂ равняются 1.45 кг, что меньше требуемого показателя.

Таблица 2. Материальные потоки при производстве 1 т аммиака (АО “Азот” ОХК “Уралхим”, г. Березники) [8]

По результатам оценки выбросов СО₂, а также согласно анализу технологии и данным об основных материальных потоках получения аммиака, выявлены основные направления разработки “зеленых” проектов, позволяющие снизить углеродный след от производства аммиака на рассмотренном предприятии:

• переработка извлеченной фракции СО₂ (например, вовлечение в процесс производства карбамида, использование для создания защитной среды при сварке металлов, для сушки литейных форм, для пожаротушения);
• разработка и внедрение технологий, позволяющих снижать потребление сырья при производстве аммиака (например, установка выделения горючих газов из фракции CO₂ в отделении очистки от СО₂, реконструкция компрессора синтезгаза и паровой турбины);
• повышение энергоэффективности как следствие отмеченных выше факторов.

Резюмируя приведенные в этом разделе материалы можно заключить, что в настоящее время производство минеральных удобрений вследствие технологических процессов даже с использованием нормативно-технической документации (НДТ) связано с эмиссией ПГ. Однако повышение энергоэффективности производства влечет за собой неминуемое сокращение выбросов ПГ.

ЛОГИСТИКА УДОБРЕНИЙ

Транспортная логистика – это оптимизация управления транспортировкой грузов, т. е. выполнения операций перемещения и хранения сырья, полуфабрикатов, объектов незавершенного производства, готовой продукции из мест происхождения в места потребления. К примеру, при перемещении товарных партий минеральных удобрений от производителей и коммерческих посредников к потребителям используют комбинацию автомобильного, железнодорожного и водного видов транспорта (специализированные вагоны и транспортные средства). Основная цель транспортной логистики в АПК, как и логистики в целом, – снижение затрат на физическое товародвижение. Эта цель достигается путем соблюдения следующих основополагающих принципов: максимально полное использование грузоподъемности или грузовместимости транспортных средств, организация доставки грузов без складов (по технологии кросс-докинга), кратность транспортной единицы груза единицам заказа, отправки и складирования (например, использование контейнера), стандартизация тары, экономия от масштаба и дальности перевозки грузов, т. к. в этом случае расходы на 1 т-км минимальны, концентрация грузопотоков на отдельных каналах распределения товаров и отказ от неэкономичных каналов, доставка грузов по технологии “точно в срок”. Реализация этих принципов на практике позволяет добиться максимальной экономической эффективности для транспортного, производственного или торгового предприятия. Это также определяет энергоэффективность транспорта минеральных удобрений и оптимизирует выбросы ПГ.

Автомобильный транспорт производит значительное количество выбросов ПГ, таких, как диоксид углерода (CO₂), метан (CH₄) и закись азота (N₂O). Расчеты выбросов от транспортных средств основаны на данных об общем потреблении топлива. Удельная теплота сгорания и коэффициенты выбросов для каждого типа топлива должны быть рассчитаны с учетом специфики используемого топлива. С учетом протяженности перемещения минеральных удобрений оценивают как энергопотребление, так и выбросы ПГ.

Методика расчета выбросов от сжигания топлива от автомобильного транспорта подразделяется на 2 части: оценка эмиссий двуокиси углерода и оценка эмиссий других газов. Оценка выбросов CO₂ лучше всего рассчитывается на основе количества и типа сгораемого топлива и содержания углерода в нем. Количество окисленного углерода практически не варьирует в зависимости от применяемой технологии сжигания топлива. Оценка выбросов других газов с парниковым эффектом более сложна, т. к. зависит от типа автомобиля, топлива, характеристик эксплуатации транспортного средства, типа технологии контроля за выхлопными газами.

Оценка выбросов диоксида углерода от сжигания топлива автомобильным транспортом. Расчет выбросов диоксида углерода от сжигания топлива в двигателях внутреннего сгорания рекомендуют проводить на основе учета видов топлива и типов двигателя. Выбросы углекислого газа по этому методу оценивают следующим образом. Сначала оценивают потребление каждого вида топлива по типам транспорта (легковой, грузовой, автобусы, спецмашины), затем – общие выбросы СO₂ путем умножения количества потребленного топлива на фактор выбросов для каждого типа топлива и типа транспорта по формуле:

Е = М × К1 × ТНЗ × К2 × 44/12,

где Е – годовой выброс СО₂ в весовых единицах (т/ год); М – фактическое потребление вида топлива за год (т/год); К1 – коэффициент окисления углерода в топливе (показывает долю сгоревшего углерода) (табл. 3); ТНЗ – теплотворная нетто-величина (Дж/т) (табл. 3); К2 – коэффициент выбросов углерода (т С/ Дж) (табл. 3); 44/12 – коэффициент для пересчета выбросов углерода С в двуокись углерода СО₂.

Таблица 3. Коэффициенты для пересчета сожженного топлива в выбросы СО₂ для автотранспорта

На основании этих данных рассмотрим пример оценки влияния конструкции тракторов на выбросы ПГ. В табл. 4 приведены сравнительные расчеты при выполнении транспортных работ в составе тракторов Doutz-Fahr Agrotron L720 и “Беларус 2022” с прицепом ПСТ-12, тракторов John Deer 6110B и “Беларус 82.1” с прицепом 2ПТС-6 в пределах фермерского хозяйства. Тракторы Doutz-Fahr Agrotron L720 и “Беларус 2022” одного тягового класса, отличаются более совершенной коробкой перемены передач (КПП) у зарубежного аналога, способной реализовать высокие эксплуатационные свойства. Также более совершенна КПП у трактора John Deer 6110B, она имеет 4 диапазона по 6 передач, что способствует более рациональному использованию эксплуатационных свойств по сравнению с трактором “Беларус 82.1” [9].

Таблица 4. Показатели, характеризующие транспортные агрегаты и выбросы ПГ

Представленные расчеты показывают, что на выброс ПГ существенное влияние оказывает система машин в целом, а также отдельно взятые тракторы, зерно- и кормоуборочные комбайны и другие энергетические средства. При этом очень важное значение имеет правильное комплектование агрегатов как с точки зрения снижения расхода топлива, снижения выбросов СО₂, СН₄, NO_x, так и негативного воздействия на почву – переуплотнение, эрозия, необоснованное применение СЗР и др.

Рассмотрим также сравнение транспортных параметров, определяющих расход энергии и выбросы ПГ, при 2-х различных системах выращивания пшеницы [10]. Известно, что оптимизированную оценку жизненного цикла проводят для сравнения потенциала глобального потепления (ПГП) и использования первичной энергии при производстве и доставке пшеницы, выращиваемой по традиционной и органической технологии в США. Оценивают различия в воздействии сельскохозяйственных ресурсов, выращивания зерна и транспортных процессов.

Оценка логистики и детальный анализ транспортных цепей с учетом расстояний были проведены с помощью интернет-интерфейса указания маршрутов по шоссе. В табл. 5 приведено потребление первичной энергии (Дж) и потенциал глобального потепления (ПГП, измеряемый в г CO₂-экв/100-летний период времени) при оптимизированной системе производства и доставки пшеницы в количестве 670 г, необходимых для 1 кг буханки хлеба. Оценены традиционная система выращивания пшеницы с использованием минеральных удобрений и органическая система.

Таблица 5. Оценка величин использования энергии и глобального потенциала потепления при применении 2-х систем выращивания пшеницы

Поэтому можно заключить, что хотя органическая система выращивания пшеницы требует несколько меньшего использования энергии и сопровождается меньшими показателями ПГП, эти различия в целом не существенны. Показано, что ПГП буханки органического пшеничного хлеба весом 1 кг примерно на 30 г CO₂-экв меньше, чем у обычной буханки. Однако необходимо учитывать и транспортное плечо. Так при более длинных транспортных маршрутах доставки зерна пшеницы (>420 км) различия между 2-мя сравниваемыми системами выращивания практически исчезают. Кроме того, важное значение имеют другие факторы, например, накопление углерода в почве и выбросы закиси азота из двух систем.

ПРИМЕНЕНИЕ УДОБРЕНИЙ В АГРОЭКОСИСТЕМАХ

В последние годы энергоемкость сельхозпроизводства снижалась, но доля энергозатрат в себестоимости неуклонно возрастала. Например, стоимость потребленных энергоресурсов в себестоимости основных видов сельхозпродукции в среднем составляла 26– 35% (в 1985–1990 г. – 7–15%). Высокие показатели энергозатрат свидетельствуют об опережающем росте стоимости энергоносителей и низкой эффективности использования топливно-энергетических ресурсов, что отрицательно сказывается на себестоимости продукции (табл. 6).

Таблица 6. Энергоемкость производства сельхозпродукции в России [11]

Существенными источниками выбросов в сельском хозяйстве России выступают прямой выброс закиси азота из сельскохозяйственных почв (52 557.0 тыс. т СО₂-экв) и выбросы CH₄ при внутренней ферментации домашних животных (39 090.4 тыс. т СО₂-экв), при этом по сравнению с 1990 г. их объемы соответственно сократились на 38.4 и 62.8%. В 2019 г. вклад закиси азота в общие сельскохозяйственные выбросы составил 59.6, СН₄ – 39.5, СО₂ – ≈0.8% (табл. 7) [12].

Таблица 7. Источники выбросов парниковых газов в сельском хозяйстве России в 1990–2019 гг., млн т СО₂-экв

Экологически безопасным и устойчивым методом ведения сельского хозяйства выступает органическое сельское хозяйство, ключевыми особенностями которого являются использование технологий вторичной переработки органического углерода в питательные вещества: прямая переработка навоза, эффективное компостирование, утилизация остатков. Применение органических удобрений исключает выбросы парниковых газов при внесении минеральных удобрений и при их производстве. Благоприятно сказываются на энергоэффективности и выбросах ПГ такие агротехнологии как мульчирование, уменьшение эрозии почв и повышение их плодородия, увеличение оборота углерода за счет рециркуляции питательных веществ. В животноводстве смягчить выбросы ПГ может использование энергетически насыщенных кормов в рационе питания, изменение продолжительности, времени и места приема пищи и питья животных. Однако при органических системах земледелия, как правило, снижается производство товарной продукции по сравнению с традиционными системами, использующими минеральные удобрения.

В целом, ресурсосберегающее земледелие базируется на таких принципах, как минимальная механическая обработка почвы, предшествующая высадке семян, а также при внесении удобрений, уборке урожая и других операциях; сохранение растительных остатков на поверхности почвы (мульчирование), позволяющее защитить почву от водной и ветровой эрозии, повысить ее продуктивность, улучшить физические, химические и биологические свойства почвы; использование дифференцированных севооборотов для борьбы с сорняками, болезнями и вредителями, улучшения продуктивности земель под воздействием отдельных культур; эффективное управление пастбищными угодьями и др. Комплексное управление почвой, водными и биологическими ресурсами способствует сохранению, улучшению и повышению эффективности их использования.

Наиболее энергоемким технологическим процессом является обработка почвы, на которую в среднем расходуется 30–40% потребляемой энергии [13]. Снижение этих затрат, например, использование разработанного авторами предплужника, кинематически связанного с поворотной рамой плуга, позволяет уменьшить как энергетические затраты, так и выбросы ПГ на 10% при проведении вспашки.

Исследования по влиянию обработок почвы на запасы гумуса, проведенные в черноземной зоне Сибири (Россия), показали, что оптимальной является дифференцированная обработка почвы, при которой содержание гумуса в слое 0–30 см за 39 лет изменилось с 8.12 до 8.56%. Использование постоянной отвальной обработки почвы приводило к снижению содержанию гумуса в слое 20–30 см с 7.73 до 7.23%, однако его увеличение отмечено в слое 0–20 см с 8.38 до 8.52%. Безотвальная и нулевая обработки приводили к повышению содержания гумуса в слое 0–10 см, однако привели к снижению содержания гумуса в слоях почвы как в 0–20 см, так и в 0–30 см. Исходя из этого, можно сделать вывод, что переход на технологии No-Till в этой зоне для усиления секвестрации углерода в черноземной почве является малоэффективным приемом, хотя это и способствует энергоэффективности вследствие снижения затрат на пахоту [14–18].

Снижению выбросов парниковых газов способствует также сокращение потребления ископаемых топливно-энергетических ресурсов, применение возобновляемых источников энергии в органическом сельском хозяйстве, прежде всего солнечной и ветряной энергии. Использование жидкого биотоплива (биодизеля из масличных культур) или в смеси с обычным топливом однозначно имеет преимущества по сравнению с обычным топливом по выбросам загрязняющих веществ в атмосферу. Кроме того, с одной стороны, углекислый газ поглощается при выращивании самих масличных культур, но, с другой стороны, их возделывание приводит к прямым и косвенным выбросам парниковых газов. Важное значение имеет фактор смены землепользования. Поэтому масличные культуры в умеренном климате также нужно выращивать с применением органических технологий для удовлетворения собственных энергетических потребностей.

Аналогичные данные получены при оценке эмиссии N₂O и CO₂ на плантациях тропической масличной пальмы. Установлено существенное влияние почвенных условий выращивания, при этом применение удобрений не всегда приводило к увеличению эмиссии ПГ [19].

На основании многолетних исследований был оценен баланс углекислого газа в севооборотах с сахарной свеклой [20]. Авторы рассчитали, что этот показатель складывался из поглощения СО₂ основной и побочной продукцией, растительными остатками, а также закрепления при гумификации навоза, фиксации карбонатами почвы, поступления с осадками из атмосферы (приходные статьи); разложения растительных остатков и гумуса, дыхания почвы (увеличивались при внесении минеральных удобрений), известкования, разложения части навоза, выноса поверхностными и подземными водами, минерализации гумуса (расходные статьи). Сухое вещество сахарной свеклы при урожайности 55.0–60.0 т/га в условиях ЦЧР (Россия) способно связывать основной продукцией (корнеплодами) ≈24.8–28.5 т CO₂/га. Основные агроприемы возделывания культуры (запашка ботвы и растительных остатков, известкование, внесение навоза и минеральных удобрений) способствуют эмиссии в атмосферу порядка 8.7– 11.7 т CO₂/ га/ год, при этом происходит связывание в органическом веществе почвы (при условии внесения навоза) порядка 4.4– 11.2 т CO₂/ га/ год (по разным оценкам). Снижение минерализации запасов гумуса, органических удобрений, растительных остатков с помощью рациональной обработки почв, внесения научно обоснованных доз удобрений, оптимизации почвенной кислотности способно снизить эмиссию CO₂ в почвах свекловичных севооборотов. По предварительным расчетам, баланс углекислого газа при возделывании и переработке сахарной свеклы в ЦЧР является либо отрицательным (т. к. большое количество CO₂ связывается продукцией), либо близким к равновесному, т. е. свекловодство не является загрязнителем атмосферы выбросами CO₂, а при определенных условиях оно, возможно, соответствует требованиям карбонового земледелия.

Значительное количество исследований выполнено для оценки влияния различных энергоэффективных агротехнологий и улучшенных “зеленых” удобрений на эмиссию парниковых газов из почвы в агроэкосистемах. Например, применение азотных удобрений с добавлением гуминовой кислоты приводит к контролируемому высвобождению азота, что сопровождается повышением урожайности и усвояемости азота, повышением эффективности использования азота и сокращением выбросов парниковых газов [21].

Детальный обзор ретроспективного применения удобрений в Китае приведен в работе [22]. Была проведена количественная оценка выбросов ПГ при производстве и внесении азотных минеральных удобрений при выращивании пшеницы и кукурузы в различных провинциях и сельскохозяйственных регионах Китая. Авторами показано, что в период 2015–2017 гг. усредненные дозы азота под пшеницу и кукурузу на высокогорных полях Китая были равны 222 и 197 кг/га соответственно. При этом в целом было внесено под эти культуры 12.63 млн т/год. В масштабе страны выбросы парниковых газов, связанные с производством минеральных азотных удобрений, оценивались в 41.44 и 59.71 млн т CO₂/год для изученных культур. В то же время при внесении этих удобрений эмиссия N₂O вследствие процессов денитрификации, по оценкам авторов, составила 35.82 и 69.44 Gg/год. Сделан вывод, что производство и применение минеральных азотных удобрений для пшеницы и кукурузы на китайских пахотных землях является важным источником выбросов парниковых газов в сельском хозяйстве.

Был также проведен полевой эксперимент для изучения влияния стабилизированного азотного удобрения в сочетании со свиным навозом на урожайность риса и выбросы закиси азота (N₂O) и метана (CH₄) [23]. Были изучены 4 способа применения различных комбинаций минеральных и органических удобрений: мочевина (U), свиной навоз (PM), PM + U, PM + стабилизированное азотное удобрение (мочевина + 1% NBPT (N-(n-бутил) тиофосфорный триамид), 1% PPD (фенилфосфородиамидат) и 2% DMPP (3,4-диметилпиразолфосфат)) или PM + U + I. Показано, что по сравнению с вариантом PM, вариант PM + U значительно увеличивал совокупные выбросы N₂O, но при внесении PM + U + I не выявлено существенных отличий от PM по кумулятивным выбросам N₂O. Это свидетельствовало, что применение стабилизированного азотного удобрения в сочетании с PM эффективно снижало выбросы N₂O. Суммарная эмиссия CH₄ при внесении PM + U + I была меньше, чем при внесении PM и PM + U. Следовательно, стабилизированное азотное удобрение в сочетании с PM может эффективно снижать и выбросы CH₄. Урожайность риса в вариантах PM + U и PM + U + I существенно не отличалась от урожайности в вариантах внесения U и PM. Соответственно, сделан вывод, что местное традиционное внесение азота и возврат PM могут обеспечить достаточное количество азота для роста риса. Суммарный размер эмиссии ПГ в масштабе производства (yield-scaled emissions, YSE) в варианте PM был самым высоким, в то время как в варианте PM + U + I произошло значительное снижение величин YSE.

Выявлено, что эмиссия N₂O из агроземов никогда не превышала 5 мг N₂O/га/сут, если почва содержала <10 мг доступного N_мин/кг почвы. Внесение в почвы азота с удобрениями практически всегда приводило к увеличению кумулятивного потока N₂O из почв. Максимально большие кумулятивные потоки N₂O из почв были отмечены при внесении навоза крупного рогатого скота, что было связано не только с поступлением в почвы большого количества доступного N, но также и с поступлением доступного C и влаги. Внесение в почвы навоза приводило к увеличению пространственной неоднородности эмиссии N₂O из почв, что существенно увеличивало ошибку измерений. Эмиссионный фактор (ЭФ), рассчитанный как доля азота, потерянного в форме N₂О, в % от общего количества азота, внесенного с удобрениями, для дерново-подзолистой супесчаной почвы в разные годы исследования был наибольшим для почв, получающих высокие дозы N с минеральными удобрениями (от N90) и варьировал в разные годы от 0.5–1.8%. При внесении зеленых или органических удобрений ЭФ в проведенных экспериментах не превышал 0.62% [24].

Резюмируя этот раздел, следует подчеркнуть, что в современной литературе накоплен огромный массив данных оценки эмиссии ПГ при выращивании различных культур в различных регионах мира. В рамках данного обзора можно отметить, что рациональное внесение минеральных удобрений так же, как и их различных комбинаций с органическими, приводит к увеличению урожаев выращиваемых культур и росту продуктовой безопасности. В то же время применение удобрений приводит практически повсеместно к во многом неизбежному росту эмиссии различных парниковых газов. Например, при внесении азотных удобрений происходит увеличение углерод- и азотминерализующей способности почвенного органического вещества (ПОВ). Это сопровождается ростом эмиссии как углекислого газа, так и оксидов азота. Аналогичный эффект проявляется при денитрификации как внесенного азота минеральных удобрений, так и минерализуемого азота ПОВ. В рисовых агроэкосистемах выбросы этих ПГ дополняются эмиссией метана. В целом агроэкосистемы являются чистым источником СО₂. Поэтому вопрос о связи величин выбросов ПГ и энергоэффективности в агроэкосистемах обязательно должен рассматриваться в контексте роста урожайности выращиваемых культур.

УТИЛИЗАЦИЯ ОТХОДОВ

Во всем мире ежедневно образуется большое количество сельскохозяйственных отходов (AWs) в связи с ростом населения, численность которого в 2022 г. превысила 8 млрд. Необходимо разработать стратегию их своевременного использования. Это также повысит устойчивость сельского хозяйства и продовольственную безопасность. AWs генерируются из различных источников, среди которых растительные остатки, агропромышленный комплекс, животноводство и аквакультура. Основным компонентом растительных остатков и агропромышленных отходов является целлюлоза (наиболее распространенный биополимер), лигнин и гемицеллюлоза (лигноцеллюлозная биомасса). Отходы и их переработка являются глобальной проблемой. Необходимо решение, основанное на рециклинге. При этом рециклинг может быть направлен либо на получение энергии, либо на возврат в биогеохимический круговорот биофильных элементов, накопленных в отходах. Это будет способствовать как энергоэффективности сельского хозяйства в целом, так и снижению выбросов ПГ [25].

Использовав в качестве примера систему накопления сельскохозяйственных отходов в провинции Цзянси (Китай), было исследовано, в какой степени данные оценки потоков ресурсов и показатели, характеризующие снижение выбросов парниковых газов, могут быть использованы для выработки политических мер в области устойчивого использования агроотходов [26]. Показано, что, когда доля агроотходов увеличивается с 4.41 до 8.61%, текущий потенциал снижения выбросов парниковых газов впоследствии увеличивается примерно в 3.3 раза. При этом максимальный потенциал снижения выбросов ПГ может составлять 16.44 × 10⁸ т CO₂-экв в этой провинции.

Сельскохозяйственные отходы в значительной мере связаны с биоразлагаемым бытовым мусором. В этом мусоре запасается большое количество азота. Было отмечено, что биоразлагаемый бытовой мусор, например, в Китае в основном включал пищевые отходы, макулатуру и древесную щепу в количестве 31.56, 29.55 и 6.45 × 10⁶ т/год соответственно. Поэтому запасы азота в Китае в этих отходах составляли 65.31 × 10⁴, 6.80 × 10⁴ и 3.81 × 10⁴ т/год. Запасы азота в пищевых отходах давали 86% от общего объема запасов азота в биоразлагаемом бытовом мусоре, что эквивалентно 11% от объема фактического поглощения минеральных азотных удобрений (6.20 × 10⁶ т/год) сельскохозяйственными растениями в Китае [27].

Еще одной важной проблемой является рециклинг животноводческих отходов. Для этого важны оценки содержания азота (N) и фосфора (P) в твердом органическом удобрении, получаемом из навоза крупного рогатого скота, например, на Северо-Западе России [28]. В исследовании сравнивали следующие подходы: нормативные показатели для России, данные, рассчитанные методом баланса массы, средние экспериментальные данные содержания N и P в навозе крупного рогатого скота, анализ содержания азота и фосфора в органическом удобрении. Рассматривали выбранный животноводческий комплекс с 1250 головами и выходом навоза 70 т/сут. Установлена разница между расчетными и экспериментальными данными, которая составляла максимум 10%, но экспериментальные данные и установленные нормы отличались более чем на 15%. Следовательно, даже увеличение содержания питательных веществ в органическом удобрении на 10% позволяет увеличить площади удобряемых сельскохозяйственных угодий с 451 до 526 га.

Для проведения расчета выбросов парниковых газов от животноводческих ферм необходимы исходные данные о поголовье скота. Расчеты были проведены для животноводческой фермы, в которой имеется 6 тыс. голов КРС [29]. Расчетным способом определена эмиссия метана от систем хранения биомассы КРС на животноводческой ферме, которая составила 27 600 кг СН₄/год. В пересчете на СО₂-экв эмиссия метана была равна 579.6 т/год. Эмиссия N₂O при хранении и использовании биомассы для изученной животноводческой фермы была равна 845.17 N₂O кг/год. В пересчете на СО₂-экв это составило 262.0 т/год. Сумма выбросов СH₄ и N₂O в СО₂-экв от систем сбора и хранения биомассы для этой фермы составила 841.6 т СО₂-экв/год.

По разработанной авторами программе расчета выхода биогаза из отходов животноводческих ферм рассчитано суточное производство биогаза. Для данной животноводческой фермы суточный выход биогаза составил 9850 м³/сут или 3.4 млн м³/год.

Переработка органических отходов в сельском хозяйстве способствует циркулярной экономике, возвращая в почву питательные вещества и уменьшая потребность в удобрениях на минеральной основе [30]. Также использование навоза позволяет создавать органические системы с регулируемым и оптимизируемым потоком ПГ [31]. В табл. 8 показаны коэффициенты ПГ для пастбищных экосистем.

Таблица 8. Коэффициенты выбросов парниковых газов (ПГ) для пастбищных экосистем, ед. CO₂-экв/кг

Основной вклад в образование отходов в России создают пищевая и перерабатывающая промышленность. При анализе данных Министерства сельского хозяйства за 2015–2017 гг. выявлено, что на 15 635 тыс. т сельскохозяйственных культур приходится ≈335 тыс. т первичных и вторичных отходов, получаемых в результате технологических процессов преобразования сырья в пищевую продукцию [43]. Авторами приведены данные расчетов и подбора оптимального варианта использования отходов сельского хозяйства с получением наибольшей энергоэффективности и минимальными показателями углеродного следа.

Одним из альтернативных вариантов использования отходов является сжигание сухого остатка в качестве топливных палет. Были рассмотрены физические свойства соломистых остатков. Плотность соломистого остатка массой 400 кг и объемом в 1 м³ будет составлять 0.4 кг/л. При этом масса сухого вещества составит 100 кг. Были найдены данные теплоты сгорания (МДж/т) для представленных видов остатков растительного сырья. Коэффициент пересчета выбросов СО₂ при сжигании древесных отходов составляет 0.068 т СО₂/т древесных отходов [44]. На основе расчетов показано, что суммарное количество образующейся энергии при сгорании общей суммы отходов может составить 151.93 млн ГДж/год (табл. 9).

Таблица 9. Количество энергии, образующейся при сжигании разных видов растительного сырья

Применив полученные данные, можно рассчитать, что сжигание 1 т растительного сырья (соломистых остатков) соответствует сжиганию 424 м³ природного газа – невозобновимого ископаемого топлива. Авторами проведен пересчет в энергетические единицы на основе коэффициентов выбросов диоксида углерода для разных видов сжигаемого топлива (табл. 10).

Таблица 10. Сравнительная оценка выбросов СО₂ при сжигании природного газа и растительного сырья с учетом коэффициентов выбросов

Стоит учесть, что сжигание отходов сельского хозяйства дает нулевой ПГП, т. к. СО₂, поступивший в воздух при горении, ранее был поглощен из атмосферы в процессе роста.

Еще одним из возможных методов переработки отходов сельского хозяйства является анаэробное сбраживание. Данный процесс представляет собой уменьшение исходного объема отходов c использованием биологической переработки в условиях безвоздушного пространства с последующим образованием биогаза. Анаэробное сбраживание зачастую связано с рекуперацией метана (CH₄) и сжиганием с целью получения энергии.

Таким образом, на 200 млн т отходов сельского хозяйства приходится 1739.7 млн МВт/ч/год чистой энергии (с учетом обслуживания самого комплекса теплом и электроэнергией, а также возможностью продажи потребителю). Средняя выработка ТЭЦ составляет порядка 3.5 млрд кВт ч/год [44]. Следовательно, показатели выработки электроэнергии меньше в 4 раза для биокомплекса, однако в генерации энергии участвует растительное сырье, а не ископаемое топливо, что позволяет в значительной мере использовать объем отходов сельскохозяйственного сырья. Проведенные расчеты показали, что наиболее энергоэффективными способами являются сжигание топливных брекетов из отходов (≈152 ПВт ч/год), а также генерация биотоплива (1740 ГВт ч/год).

При этом показано, что можно дополнительно использовать каталитические добавки, и это положительно влияет на процесс горения, а также снижает эмиссии поллютантов [45]. Авторы исследования рассчитали, что применение предлагаемых каталитических добавок (CaO и KMnO₄) значительно повышает среднюю температуру в камере сгорания, делает процесс горения более эффективным и более полным с уменьшением выбросов оксидов углерода. В лучшем варианте добавление CaO уменьшило выбросы CO на 41%, и аналогичным образом добавление KMnO₄ в гранулы из биомассы уменьшило выбросы CO на 45%.

Еще одним примером рециклинга является производство биочара из агроотходов. Рассмотрим один из многочисленных примеров. Например, технология микроволновой торрефикации представляет собой новый метод нагрева органической массы, который позволяет теплу равномерно проникать в сырье [46].

Солома, навоз и другие сельскохозяйственные отходы, обрабатываемые с использованием процессов торрефикации, могут быть использованы в качестве сырья для производства биоугля. В свою очередь различные виды биоугля имеют широкий спектр применения, начиная от ремедиации загрязненных почв и заканчивая созданием новых удобрений на его основе. Это представляется энергоэффективным приемом снижения эмиссии ПГ.

Типичная экспериментальная система для микроволновой торрефикации показана на рис. 1.

Рис. 1. Принципиальная схема системы торрефикации с использованием микроволновой печи [50].

Система включает в себя микроволновую печь, реактор, конденсатор, питатель, устройство подачи газа, термопару и жидкостный фракционировщик [47]. Перед запуском процесса исходное сырье добавляют в реактор, через который продувают газ-носитель для удаления воздуха из устройства. В других модификациях инертный газ продувает пиролизный пар в конденсатор газа. Процесс легко контролируется и не требует устройств для смешивания или псевдоожижения. Кроме того, технология микроволновой торрефикации обладает высокой масштабируемостью и подходит для переработки многих видов биомассы в больших объемах [48, 49].

ОБСУЖДЕНИЕ

Производительность сельского хозяйства основана на процессе фотосинтеза, который формирует первичную продукцию. В производственной сельскохозяйственной сфере считается, что сочетание технологий по сокращению выбросов и увеличению накопления углерода в почве может позволить этому сектору достичь чистых отрицательных выбросов при сохранении высокой производительности. Однако установлено, что агроэкосистемы являются чистым источником эмитируемых ПГ [51, 52]. Современные агротехнологии возделывания пропашных культур ответственны за ≈5% выбросов парниковых газов в США и ЕС. В ряде стран (Россия, Китай, Индия и др.) эти величины даже больше. Чтобы сократить выбросы ПГ, значительные усилия сосредоточены на внедрении таких приемов как No-tillage, внесении больших доз органических и “зеленых” удобрений и в целом – на переходе к органическому низкоуглеродному земледелию. При этом потенциалом сокращения выбросов в значительной степени пренебрегали. Энергоэффективность также не всегда рассматривали в качестве ключевого процесса управления эмиссиями ПГ. По оценкам [53], а также других исследователей [54–58], благодаря сочетанию инноваций в цифровом сельском хозяйстве, генетике сельскохозяйственных культур и микробов, а также рекультивации возможно сокращение выбросов парниковых газов на 71% (1744 кг CO₂-экв/га) при выращивании пропашных культур в течение следующих 15 лет (рис. 2).

Рис. 2. Технические усовершенствования способствуют сильному снижению выбросов ПГ при производстве зерна. Числа – кг CO2-экв/га и разделены источником выбросов. Этапы (оптимизация, замещение и реорганизация) различаются по технической готовности стимулирующих инноваций. Реализация этапа оптимизации в значительной степени возможна с использованием существующих технологий, в то время как технологии этапа замещения могут быть доступны через 2–5 лет, технологии этапа реорганизации – через 5–15 лет.

Важно подчеркнуть, что рост величин энергоэффективности будет сопровождаться сокращением выбросов ПГ. Такая стратегия может снизить барьер для широкого внедрения, пройдя несколько этапов со значительными улучшениями. В конечном итоге это будет способствовать поддержке сельским хозяйством своей важнейшей социальной функции обеспечения общества продовольствием, в то же время принося экологические выгоды.

Одной из важнейших практик реализации такого подхода является производство и широкое применение необходимого ассортимента комплексных удобрений для сельского хозяйства [59]. Основные преимущества новых форм комплексных удобрений заключаются в первую очередь в сбалансированности минерального питания растений, которую очень трудно обеспечить при использовании простых, стандартных форм минеральных удобрений. Во-вторых, обеспечивается снижение энергозатрат на 65–70% на внесение удобрений в почву за счет уменьшения проходов технических средств по полю. Это особенно актуально в весенний период, т. к. при этом существенно снижается переуплотнение почвы, неизбежно возникающее при использовании энергонасыщенных тракторов и машин для внесения удобрений. Кроме этого, обеспечивается более высокая равномерность распределения удобрений по поверхности почвы, что определяет лучшие условия минерального питания растений. Переход в аграрной отрасли на широкомасштабное применение новых форм комплексных минеральных удобрений позволит вывести растениеводческую отрасль сельского хозяйства на новый, более высокий и качественный уровень развития и обеспечит дальнейшее повышение продуктивности сельскохозяйственных культур без увеличения в целом потребности в удобрениях. Важным фактором при этом является повышение энергоэффективности агроэкосистем в целом.

При этом основополагающей стратегией проведения исследований эмиссии углекислого газа как мере энергоэффективности на всех этапах для системы удобрений “производство – логистика – внесение – утилизация отходов” является оценка жизненного цикла как энергии, так и эмиссии ПГ (рис. 3).

Рис. 3. Оценка жизненного цикла выбросов парниковых газов при производстве и использовании азотных и фосфорных удобрений и взвешенные коэффициенты выбросов для основных процессов. Атмосферный азот (N2) соединяется с водородом с использованием энергии, получаемой из ископаемого топлива. Полученный NH3 реагирует с CO2, азотной, соляной или фосфорной кислотой с получением различных удобрений. Эти удобрения транспортируются различными способами перед внесением на пахотные земли. Сплошная линия – расход материалов и N-удобрений, пунктирная – обмен ПГ между цепочкой производства и использования удобрений, включая переработку агроотходов, и атмосферой.

Рассмотрим жизненный цикл, коэффициенты выбросов ПГ и использования различных источников энергии в системе “производство – логистика – внесение – утилизация отходов”. На основании данных [60], на каждую 1 т азота, произведенного и используемого на пахотных землях в Китае как в составе простых удобрений (мочевина), так и сложных (например, диаммофоса), выбрасывается в среднем 13.5 т CO₂-экв. При этом наибольшие величины эмиссии ПГ наблюдают в технологических процессах синтеза аммиака. Это связано с энергоемким характером процесса производства минеральных удобрений, так же и в целом с химической промышленностью, где технологические процессы требует высоких температуры и давления. Кроме того, важное значение имеет энергоемкость исходных теплоисточников. Например, уголь, используемый в ряде стран как основной источник энергии, имеет низкую энергоэффективность. Установки, работающие на угле, имеют коэффициент выбросов >5 т CO₂-экв/т NH₃-N^–1 по сравнению с <3 т CO₂-экв/т NH₃-N^–1 для установок, работающих на природном газе [60–63]. Также имеет значение и масштаб производства. Например, при использовании того же источника энергии крупномасштабные установки выделяют несколько меньше ПГ на единицу N, чем средне- или мелкомасштабные установки. Следующий этап включает блок “производство удобрений”, направленный на преобразование аммиака и фосфатов в различные N-P-удобрения; процессы имеют взвешенный коэффициент выбросов 0.9 т CO₂-экв/т N^–1, но широкий диапазон от 0.3 до >6 т CO₂-экв/т N^–1 [1, 52].

Даже в современных условиях уголь обеспечивает 86% энергии, потребляемой в вышеуказанных процессах. Выбросы метана, связанные с добычей угля, оказывают эффект глобального потепления в размере 11.4 г CO₂-экв/МДЖ (10⁶ Дж) по сравнению с <2 г CO₂-экв/МДЖ при использовании природного газа или нефти [60, 62].

Взвешенный коэффициент выбросов может составлять 2.2 т CO₂-экв/т удобрений при добыче и транспортировке ископаемого топлива, используемого в промышленности по производству минеральных удобрений (включая 1.8 т CO₂-экв/т N^–1 от добычи энергии, используемой для синтеза аммиака, и 0.4 т CO²-экв/т N^–1 при его использовании для производства, например, N-Р-удобрений). Для условий Китая это составляет 16% от общего объема выбросов 13.5 т CO₂-экв/т N^–1 [60]. С учетом различных источников сырья эти величины могут широко варьировать: <1–>12 т CO₂-экв/т произведенных и использованных удобрений.

В процессе логистики и при транспортировке азотных и фосфорных удобрений коэффициенты эмиссии составляют в среднем 0.1 т CO₂-экв/т N^-1 (разброс величин – от <0.05–>0.25).

Оценки эмиссии ПГ при выращивании сельскохозяйственных культур значительно варьируют (<2– >9 т CO₂-экв/т N^–1). Например, размеры денитрификации азота могут быть в пределах от 5 до 90% от содержания минерального азота в почвах агроэкосистем [51]. Значительно варьируют также выбросы аммиака из щелочных почв, размеры вымывания нитратов и величины сухих и влажных выпадений. Для условий Китая коэффициент эмиссии составляет 5.2 т CO₂-экв/т N^–1, включая прямые выбросы N₂O (4.3 т CO₂-экв/т N^–1) в результате нитрификации и денитрификации в почве и косвенные выбросы (0.9 т CO₂-экв/т N^–1) [60].

В конце цепочки находятся выбросы парниковых газов при переработке и/или использовании агроотходов. Как отмечено выше, на переработку отходов существенно влияют используемые технологические процессы, имеющие очень большой разброс величин их энергоэффективности. Это сказывается и на величинах относительной эмиссии ПГ (от практически отсутствия до высоких величин (рис. 3)). Следовательно, величины эмиссии ПГ являются мерилом энергоэффективности в системе жизненного цикла минеральных удобрений “производство – логистика – внесение – утилизация отходов”.

В контексте глобального изменения климата и с учетом увеличения антропогенных выбросов парниковых газов устойчивость сельскохозяйственных систем может быть повышена за счет повышения эффективности использования энергоресурсов [64, 65]. Рассматриваются различные агротехнологические приемы сокращения выбросов ПГ и увеличения секвестрации углерода. При этом потенциалом сокращения выбросов в значительной степени пренебрегали. Энергоэффективность также не всегда рассматривали в качестве ключевого процесса управления эмиссиями ПГ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Приведенные в обзоре материалы свидетельствуют о ключевой роли энергоэффективности на протяжении всего жизненного цикла в системе “производство – логистика – внесение – утилизация отходов”. Величины эмиссии ПГ при этом выступают лишь в качестве меры данной энергоэффективности. Далее, переработка агропромышленных отходов и сырья с помощью различных процессов (компостирование, производство биоэнергии, биоуглей, биогеохимическое рециклирование питательных элементов) может также дать существенное снижение эмиссии ПГ. Это также может потенциально привести к выбросам парниковых газов в результате процессов компостирования и транспортировки материалов. Однако эти процессы дают положительный эффект как непосредственно за счет связывания углерода, так и косвенно благодаря предотвращению последствий удаления отходов, улучшению качества почвы и минимизации потерь почвы.

В целом увеличение энергоэффективности в рассматриваемом жизненном цикле удобрений от производства до утилизации агроотходов может существенно снизить роль сельскохозяйственного производства в эмиссии парниковых газов (ПГ). Следует особо подчеркнуть, что снижение потенциала эмиссии ПГ при производстве удобрений зависит от источника используемой энергии, и перевод энергоустановок с угля на газ, и тем более на возобновляемые источники энергии (ВИЭ), будет наиболее значимым. При выращивании сельскохозяйственной продукции большую роль играют факторы, связанные с применением современных систем земледелия, основанных на точном внесении удобрений, использовании электронных почвенных карт и повышении эффективности использования удобрений, в частности, азота и фосфора.

About the authors

V. N. Bashkin

Author for correspondence.
Email: vladimirbashkin@yandex.ru
Russian Federation, ul. Institutskaya 2, Moscow region, Pushchino 142290

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Schematic diagram of a torrefaction system using a microwave oven [50].

Download (155KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Technical improvements contribute to a strong reduction in GHG emissions from grain production. The numbers are kg CO2–eq/ha and are separated by the emission source. The stages (optimization, substitution and reorganization) differ in the technical readiness of stimulating innovations. The implementation of the optimization stage is largely possible using existing technologies, while replacement stage technologies may be available in 2-5 years, and reorganization stage technologies in 5-15 years.

Download (155KB)

Indexing metadata

4. Figure 3. Life cycle assessment of greenhouse gas emissions from the production and use of nitrogen and phosphorus fertilizers and weighted emission factors for the main processes. Atmospheric nitrogen (N2) combines with hydrogen using energy derived from fossil fuels. The resulting NH3 reacts with CO2, nitric, hydrochloric or phosphoric acid to produce various fertilizers. These fertilizers are transported in various ways before being applied to arable land. The solid line is the consumption of materials and N–fertilizers, the dotted line is the exchange of GHG between the chain of production and use of fertilizers, including processing of agricultural waste, and the atmosphere.

Download (259KB)

Indexing metadata