Prospects for achieving carbon neutrality by economically developed countries

Full Text

2023-й год оказался самым теплым в истории инструментальных наблюдений и завершился установлением поразительного рекорда среднеглобальной температуры, превысившей (по данным CRU) доиндустриальный (1850–1900 гг.) уровень на 1.46°С. При этом прежний рекорд 2016 г. был превышен сразу на 0.17°С, что является беспрецедентным событием за всю эпоху инструментальных наблюдений. Климатически значимая средняя за десятилетие (2014–2023 гг.) аномалия среднеглобальной температуры составила 1.21°С, и, таким образом, мир оказался в шаге от достижения рубежа в 1.5°С, что однозначно рассматривается мировым сообществом как крайне нежелательное событие. При сохранении достигнутых в последние 30 лет скоростей потепления примерно в 0.2°С за декаду следует ожидать, что критический рубеж будет преодолен уже в середине 2030-х гг.

Мировое сообщество в последние 30 лет предпринимает значительные усилия для борьбы с опасным потеплением, и центральное место в них занимают мероприятия по сокращению эмиссии парниковых газов (ПГ), вплоть до достижения т.н. климатической нейтральности, когда эмиссия ПГ уравновешивается их стоком в естественные или антропогенные резервуары [1–9].

В своих недавних работах [10–12] авторы исследовали возможности решения Россией поставленной задачи в области охраны климата – достижения к 2060 г. углеродной нейтральности национальной экономики. Нами было показано, что, несмотря на существенный потенциал снижения выбросов парниковых газов в различных отраслях экономики [13–15], наша страна пока значительно отстает от развитых экономик мира по темпам снижения «углеродного следа», что серьезно затрудняет своевременное достижение поставленных задач. К таким же выводам приходят авторы других исследований [16–20].

В настоящей работе мы постараемся найти ответ на вопрос, способны ли страны, которые в настоящее время являются лидерами декарбонизации мировой экономики, достичь своих амбициозных целей в установленные ими сроки (табл. 1).

 

Таблица 1. Добровольные обязательства по снижению эмиссии парниковых газов сторон Рамочной конвенции ООН по изменениям климата (РКИК) по данным UNFCCC (2024)

Сторона РКИК	Базовый год	Эмиссия, в % к базовому году*		Год достижения
		в 2030 г.	в 2050 г.	пика эмиссии	климатической нейтральности
США	2005	72–74 (48–50)	20 (0)	2007	2050
ЕС	1990	60 (45)	5 (0)	1990	2050
Канада	2005	70 (55–60)	20 (0)	2007	2050
Япония	2005	76 (54)	0	2013	2050
Норвегия	2005	45–50	0	2004	2050
Австралия	2005	72–74	0	2018	2050
*Примечание. Указаны первоначальные (2016 г.) и актуальные (в скобках, по состоянию на 01.03.2024) обязательства стран-участниц РКИК.

 

Для детального анализа нами были выбраны шесть представителей из числа наиболее развитых промышленных стран: США и ЕС (включая Великобританию) как крупнейшие экономики мира, Канада и Норвегия как ведущие экспортеры нефтегазовых энергетических ресурсов, Австралия, для которой уголь является основой национальной энергетики и важной статьей экспорта, и, наконец, Япония – как технологически высокоразвитая страна, почти лишенная собственных природных энергоресурсов. Основные энергетические показатели избранных для исследования стран приведены в табл. 2. Данные табл. 2 показывают, что, несмотря на постепенное и неуклонное снижение их доли потребления всех видов энергии, избранные страны продолжают занимать видное место в мировом энергобалансе, в сумме представляя около 90% энергетики Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР).

 

Таблица 2. Объемы потребления и добычи различных энергоресурсов по данным [21]

Энергоноситель		Год	Ед. изм.	Канада	США	Норвегия	Австралия	Япония	ЕС28	6 стран	ОЭСР	Мир в целом
Потребление	Нефть	1990	ЭДж	3.47	33.50	0.38	1.35	10.67	29.03	78.40	85.2	135.64
		2022		4.27	36.15	0.36	2.07	6.61	24.80	74.26	88.0	190.69
		1990	%: от мира	2.6%	24.7%	0.3%	1.0%	7.9%	21.4%	57.8%	62.8%
		2022		2.2%	19.0%	0.2%	1.1%	3.5%	13.0%	38.9%	46.1%
	Газ	1990	ЭДж	2.30	18.61	0.08	0.60	1.81	12.46	35.87	36.0	70.13
		2022		4.38	31.72	0.14	1.50	3.62	14.95	56.31	64.7	141.89
		1990	%: от мира	3.3%	26.5%	0.1%	0.9%	2.6%	17.8%	51.1%	51.3%
		2022		3.1%	22.4%	0.1%	1.1%	2.5%	10.5%	39.7%	45.6%
	Уголь	1990	ЭДж	1.14	19.22	0.03	1.60	3.27	19.09	44.34	45.6	93.26
		2022		0.39	9.87	0.03	1.55	4.92	7.19	23.94	28.9	161.47
		1990	%: от мира	1.2%	20.6%	0.0%	1.7%	3.5%	20.5%	47.5%	48.9%
		2022		0.2%	6.1%	0.0%	1.0%	3.0%	4.5%	14.8%	17.9%
	АЭС	1990	ЭДж	0.74	6.20	–	–	1.99	8.12	17.05	17.7	20.44
		2022		0.78	7.31	–	–	0.47	5.91	14.47	16.1	24.13
		1990	%: от мира	3.6%	30.4%	–	–	9.7%	39.7%	83.4%	86.7%
		2022		3.2%	30.3%	–	–	1.9%	24.5%	60.0%	66.8%
	ГЭС	1990	ЭДж	3.15	3.11	1.29	0.16	0.93	3.09	11.72	13.1	22.98
		2022		3.7	2.4	1.2	0.16	0.70	2.65	10.88	13.2	40.68
		1990	%: от мира	13.7%	13.5%	5.6%	0.7%	4.0%	13.4%	51.0%	57.1%
		2022		9.2%	6.0%	2.9%	0.4%	1.7%	6.5%	26.7%	32.5%
	ВИЭ	1990	ЭДж	0.05	0.73	^	0.01	0.13	0.21	1.13	1.2	1.73
		2022		0.59	8.43	0.16	0.70	1.53	9.99	21.40	23.5	45.18
		1990	%: от мира	2.6%	42.5%	0.1%	0.5%	7.4%	12.2%	65.4%	71.6%
		2022		1.3%	18.7%	0.4%	1.6%	3.4%	22.1%	47.4%	52.1%
Добыча	Нефть	1990	млн т	92.76	416.62	82.14	30.28		129.70	751.49	917.1	3157.93
		2022		273.98	759.46	88.95	17.49		52.99	1192.88	1331.8	4407.19
		1990	%: от мира	2.9%	13.2%	2.6%	1.0%	0.0%	4.1%	23.8%	29.0%
		2022		6.2%	17.2%	2.0%	0.4%	0.0%	1.2%	27.1%	30.2%
	Газ	1990	млрд м3	103.45	483.38	25.29	20.61		190.21	822.93	833.5	1969.72
		2022		185.02	978.55	122.85	152.82		79.29	1518.52	1589.1	4043.82
		1990	%: от мира	5.3%	24.5%	1.3%	1.0%	0.0%	9.7%	41.8%	42.3%
		2022		4.6%	24.2%	3.0%	3.8%	0.0%	2.0%	37.6%	39.3%
	Уголь	1990	млн т	68.33	933.56		213.14	8.26	1080.05	2303.34	2331.3	4764.25
		2022		45.09	539.40		443.43	0.70	369.21	1397.82	1507.2	8803.37
		1990	%: от мира	1.4%	19.6%	0.0%	4.5%	0.2%	22.7%	48.3%	48.9%
		2022		0.5%	6.1%	0.0%	5.0%	0.0%	4.2%	15.9%	17.1%
Примечание. Пересчет электроэнергии, выработанной на ГЭС, АЭС и за счет ВИЭ, в первичную энергию производился методом оценки затрат органического топлива на ее эквивалентную выработку на ТЭС с учетом среднемирового КПД тепловой генерации – 36% в 1990 г. и 40.7% в 2022 г.

 

Избранные для исследования страны являются ключевым элементом современного постиндустриального общества, характеризуемого насыщением энергопотребления (рис. 1), когда приходящееся на душу населения потребление первичной энергии (нефть, газ, уголь, электроэнергия ГЭС, АЭС и ВИЭ) стабилизировалось на уровнях, в основном определяемых природно-географическими условиями [22]. Более того, в последние 15–20 лет во всех исследуемых странах наблюдается даже некоторое снижение этого показателя, вызванное не только структурными изменениями в экономике, повышением энергоэффективности, но также климатическими изменениями, в результате которых в странах умеренного и холодного климата происходит уменьшение затрат энергии на отопление.

 

Рис. 1. Удельное потребление первичной энергии на душу населения в развитых странах мира (BP, 2023).

 

За период 1990–2022 г. в топливно-энергетическом балансе развитых стран произошли значительные изменения (рис. 2а). Во всех странах заметно (в 1.5–3 раза) снизились объемы потребления угля и его доля в энергобалансе (за исключением Японии, где после аварии на АЭС Фукусима в 2011 г. выработка закрытых атомных станций была временно замещена угольными ТЭС) и в 1.5–2 раза выросла доля природного газа в национальном энергопотреблении. Также для всех этих стран характерен многократный рост использования ВИЭ. Доля безуглеродных источников энергии (ГЭС, АЭС и ВИЭ) в суммарном потреблении первичных энергоресурсов составила в 2022 г. более 70% в Норвегии, около 45% в Канаде, более 30% в ЕС и 15–20% в США, Японии и Австралии.

 

Рис. 2. Структура ТЭБ (а) и электрогенерации (б) в 1990 и 2022 гг. [21]; 2050 г. – сценарий STEPS МЭА [22] для ЕС, США и Японии, национальные программы Канады [24], Норвегии [25] и Австралии [26].

 

В электроэнергетике эти изменения еще более заметны (рис. 2б). Во всех рассматриваемых странах, кроме Японии, значительно (в 1.7–3.3 раза) сократилась доля угля в производстве электроэнергии и примерно в такой же мере увеличилась доля природного газа (в Канаде – в 6 раз), а также повысился вклад безуглеродной выработки (включая ГЭС и АЭС) за счет развития ВИЭ-генерации, достигнув более 80% в Канаде, более 60% – в Евросоюзе, около 40% в США и более 30% в Австралии. Даже в Норвегии, где практически вся электроэнергия и ранее вырабатывалась на ГЭС, получила развитие ветрогенерация, обеспечив увеличение средней выработки на 10%. Единственным аутсайдером в этом процессе является Япония, где возобновляемым источникам не удалось пока заместить выработку закрытых АЭС.

Согласно сценарию STEPS (Stated Policies Scenario) Международного энергетического агентства [23], предполагающему последовательную реализацию уже заявленных национальных программ декарбонизации, к 2050 г. доля безуглеродных энергоресурсов в ЕС достигнет 65%, а в США и Японии – 45% общего энергопотребления (рис. 2). Национальные программы низкоуглеродного развития энергетики Канады [24] и Норвегии [25] также предусматривают рост этих показателей до 45% и 85% соответственно (рис. 2). Австралия, хотя и заявила о своей цели достичь углеродной нейтральности к 2050 г. [27], пока так и не обнародовала свои планы по декарбонизации национальной энергетики, а правительственный прогноз развития национальной энергетики 2015 г. предполагал существенный рост потребления органического топлива без развития ВИЭ [26] (рис. 2а).

Структурные изменения в топливно-энергетическом балансе развитых стран определили динамику углеродного коэффициента энергопотребления, под которым здесь понимается величина выбросов диоксида углерода (рис. 3а) из энергетических источников (включая сжигание органического топлива, а также утечки метана при его добыче и транспортировке), приходящаяся на единицу потребляемой первичной энергии. Безусловным лидером здесь являются 27 стран Евросоюза и Великобритания (объединенные в настоящей работе в группу ЕС28), углеродоемкость энергетики которых за период 1990–2022 гг. снизилась более чем на 20%. Удельные показатели выбросов в энергетике США уменьшились за этот период почти на 15%, а Австралии – менее чем на 10%. Углеродные характеристики энергопотребления Норвегии и Японии за последние два десятилетия практически не изменились, но вызвано это совершенно различными причинами. В Норвегии исторически сложившееся преобладание возобновляемых источников в энергобалансе уже сейчас обеспечивает минимальные в мире показатели выбросов парниковых газов в энергетике страны, в основном приходящиеся на транспорт, переход которого на безуглеродные источники энергии сейчас находится в активной продвинутой стадии. В Японии авария на АЭС Фукусима в 2011 г. прервала убывающий тренд карбоноемкости энергопотребления, когда она за 1990–2010 гг. снизилась более чем на 5%, до вполне достойного уровня в 1.75 т СО₂/т у.т. Однако закрытие японских АЭС и вызванный этим рост потребления органического топлива, преимущественно угля на ТЭС резко увеличили удельные выбросы диоксида углерода до 2 т СО₂/т у.т., и, несмотря на предпринимаемые усилия, в первую очередь за счет развития возобновляемой энергетики, вернуться к уровню 2010 г. пока не удалось.

 

Рис. 3. Изменение удельной (а) и валовой (б) энергетической эмиссии CO₂ по данным [21] с экстраполяцией, выполненной с темпами изменения последних 25 лет («инерционный» сценарий), а также сценарий STEPS МЭА [23] для ЕС, США и Японии, национальные программы Канады [24], Норвегии [25] и Австралии [26] (штриховые линии).

 

На рис. 3а также представлены «инерционные» сценарии динамики углеродной интенсивности энергопотребления до 2060 г., полученные экстраполяцией исторических рядов [21] с темпами изменения за последние 25 лет (для Японии – за последние 10 лет, после Фукусимской аварии). По этим сценариям к середине столетия углеродоемкость энергетики Норвегии будет находиться на минимальном уровне 0.5 т СО₂/т у.т., а остальных стран – в пределах 1.0–1.5 СО₂/т у.т.

Реализация существующих национальных программ трансформации энергетики [23–27] в исследуемых странах заметно ускоряет процессы декарбонизации энергетики, снижая углеродный коэффициент энергопотребления до 0.3 СО₂/т у.т. в Норвегии и до 0.7–1.2 в остальных странах (необходимо отметить, что энергетический сценарий 2015 г. для Австралии [26] вообще не предполагает какого-либо снижения углеродоемкости национальной энергетики).

Как видно из рис. 3б, даже по инерционному сценарию происходит заметное снижение выбросов диоксида углерода при сжигании топлива: к 2050 г. в ЕС их объемы будут составлять менее 40% от уровня 1990 г. (национальный максимум выбросов), в США, Канаде и Норвегии – 50, 70 и 80% соответственно от пикового значения 2005 г., в Австралии – 87% от максимума 2008 г. и в Японии – 74% от пика 2013 г. Однако сохранение исторических темпов декарбонизации энергетики даже близко не позволяет подойти к решению главной проблемы – снижению до нуля (или близкой к нему величины) углеродного коэффициента энергопотребления.

Действующие программы энергоперехода [23–27] существенно повышают темпы снижения выбросов диоксида углерода в ЕС, Норвегии и Японии (штриховые линии), доводя соответствующие значения эмиссии CO₂ в 2050 г. в 25, 40 и 45% от пиковых величин, но тем не менее сохраняя значительные и пока нескомпенсированные объемы выбросов этого парникового газа.

Таким образом, реализация национальных целей «климатической нейтральности (рис. 4) требует еще более радикальных мер снижения выбросов в энергетике и других отраслях экономики, а также увеличения стоков углекислого газа – в биологические резервуары (леса, болота, пахотные земли) или закачки его в геологические формации.

 

Рис. 4. Динамика суммарных выбросов (сплошные линии) и поглощения (штриховые линии) ПГ (относительно уровня антропогенных выбросов 1990 г.) (а) и удельных выбросов ПГ на душу населения (б) по данным UNFCCC (2024). Экстраполяция выполнена с темпами изменения последних 25 лет («инерционный» сценарий) и согласно актуальным национальным планам достижения климатической нейтральности и согласно актуальным национальным планам достижения климатической нейтральности (длинные штриховые линии).

 

Однако ни данные дистанционного зондирования Земли (рис. 5а), ни результаты национальных инвентаризаций земельных ресурсов (рис. 5б) не свидетельствуют о каком-либо значимом увеличении площади лесных земель. Во всех странах, кроме Австралии, за период 1990–2021 гг. произошло некоторое (на 5–15%) сокращение площади пахотных земель, в Австралии за это время они почти удвоились. Площадь лесов на исследуемых территориях оставалась практически неизменной, лишь в ЕС по данным инвентаризации отмечен их рост более чем на 20%, причем треть современных европейских лесов – результат посадок при лесовосстановлении (в Японии – более 40%). При относительно стабильной площади лесов и постоянной замене ненарушенных массивов менее продуктивными посадками не приходится рассчитывать, что они примут на себя дополнительную нагрузку по поглощению углерода из атмосферы. Ситуация дополнительно осложняется необратимыми потерями углерода из пахотных земель, ежегодно теряемых в результате продолжающейся урбанизации в масштабах 16–33 тыс. км в год [28]. Детальные расчеты [29] показывают, что биосфера уже сегодня близка к пределу своих возможностей по депонированию углерода.

 

Рис. 5. Изменение площади земель, покрытых древесной растительностью (по сравнению со значением 1992 г.), по спутниковым данным FAO, (а) и структуры землепользования, по данным национальных инвентаризаций FAO (б).

 

Что касается улавливания и захоронения диоксида углерода в различных геологических резервуарах, то теоретический потенциал этих технологий огромен и составляет сотни миллиардов тонн CO₂ (табл. 3), что даже по нижним оценкам способно обеспечить хранение избыточного CO₂ при современном уровне эмиссии в течение полутора столетий. Однако реализация подобных проектов сопряжена с многочисленными трудностями (экономическими, технологическими, экологическими), хотя и развивается бурными темпами в последнее десятилетие (рис. 6). Поэтому в настоящее время общая мощность нескольких сотен хранилищ различной степени завершенности в мире достигла лишь 310 млн т CO₂/год, из которых в эксплуатации находится только около 16%, обеспечивающих хранение лишь 49 млн т CO₂/год [31], что составляет менее 0.15% современной эмиссии. В табл. 3 представлены данные о перспективах развития технологий улавливания и хранения углерода (УХУ, CCS – от англ. Carbon Capture and Storage) до конца текущего десятилетия. Эти данные показывают, что наиболее активно эти технологии развиваются в Европе и США, а Норвегия является единственной страной мира, способной уже в 2030 г. улавливать не менее 75% своих выбросов CO₂. Сейчас наиболее затруднительным выглядит положение Австралии, располагающей всего 9 млн т CO₂/год мощностей УХУ, и Японии, не имеющей таких мощностей вовсе, но планирующей ввод к 2030 г. семи первых проектов неуказанного размера. В целом, можно констатировать, что для реализации планов по достижению климатической нейтральности ведущим странам ОЭСР необходимо в ближайшие 25 лет поддерживать ежегодные темпы ввода хранилищ CO₂ на уровне 20%, что не выглядит простой задачей, поскольку исторические темпы в последнее десятилетие (2013–2023 гг.) находились на уровне 11%.

 

Таблица 3. Оценки геологических ресурсов для захоронения CO₂ [32], мощность хранилищ для захоронения CO₂ S и их доля s в предполагаемой нетто-эмиссии ПГ в 2030 г. [31]

Страна	Геологические ресурсы для захоронения CO2, млрд т CO2			S2030, млн т CO2 / год	σ2030, %
	суша	шельф	всего
США	551–3872	261–1836	812–5708	200–250	4–5
ЕС27+1	161–1129	141–991	302–2120	70–80	2.5–3
Канада	206–1445	112–790	318–2235	15	3
Япония	4–26	5–34	9–60	0	0
Норвегия	–	85	85	30–40	75–85
Австралия	334–2349	261–1835	595–4184	9–19	1.5–3

 

Рис. 6. Проекты по захоронению углекислого газа в мире в 2020 г. [30] и динамика их мощностей (млн т СО₂/год) [31].

 

ВЫВОДЫ

1. Существующие темпы декарбонизации и развития индустрии улавливания и хранения углерода не позволяют гарантировать достижения климатической нейтральности к 2050 г. даже в ведущих экономиках мира. Наилучшими в этом отношении выглядят шансы Евросоюза и Норвегии, наихудшими – Австралии и Канады.
2. Центральной проблемой в достижении климатической нейтральности становится быстрое и масштабное внедрение технологий УХУ во всех ее возможных проявлениях. Все исследованные страны, кроме Японии, располагают собственными возможностями для захоронения углерода на период более ста лет.
3. Для достижении климатической нейтральности ведущим странам ОЭСР к 2050 г. необходимо будет обеспечить ежегодное захоронение не менее 6 млрд т CO₂, что почти в 25 раз превосходит их современные мощности (действующие, строящиеся и находящиеся в стадии проектирования).
4. Несмотря на то, что проблема изменения климата вербально занимает едва ли не лидирующее место в мировой повестке, действительные результаты усилий в этой области далеки от декларируемых. Удержать потепление в пределах 1.5°С сейчас уже нереально и при нынешних темпах декарбонизации, достигнутых даже мировыми лидерами, скоро и оборона второго критического рубежа в 2°С окажется под угрозой.

БЛАГОДАРНОСТИ

В работе использованы данные Рамочной конвенции ООН по изменениям климата (РКИК, https://unfccc.int/), базы данных для глобальных исследований атмосферы Европейской Комиссии (EDGAR, https://edgar.jrc.ec.europa.eu), Организации ООН по лесному и сельскому хозяйству (FAO, http://www.fao.org/faostat/en/#data), Демографической службы ООН (https://population.un.org/wpp/), Всемирного института улавливания и захоронения углерода (https://www.globalccsinstitute.com).

ИСТОЧНИКИ ФИНАНСИРОВАНИЯ

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда в НИУ «МЭИ» (проект № 20-19-00721-П) в части энергетических исследований, в ИНЭИ РАН (проект № 21-79-30013) в части расчетов выбросов парниковых газов и в НИТУ «МИСИС» (проект № 23-19-00398) в части исследования улавливания, захоронения и поглощения парниковых газов.

About the authors

V. V. Klimenko

National Research University «MPEI»; National University of Sciences and Technology «MISIS»; Energy Research Institute of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: nilgpe@mpei.ru

Academician of the RAS

Russian Federation, Moscow; Moscow; Moscow

A. V. Klimenko

National University of Sciences and Technology «MISIS»

Email: nilgpe@mpei.ru

Academician of the RAS

Russian Federation, Moscow

A. G. Tereshin

National Research University «MPEI»; National University of Sciences and Technology «MISIS»

Email: nilgpe@mpei.ru
Russian Federation, Moscow; Moscow

References

Supplementary files