Ликбез №52: Выбросы и поглощение

В середине ноября в блоге французской Électricité de France (EDF) была опубликована статья о результатах исследования, проведенного по заказу госкомпании. Итогом научной работы стал вывод, что гидроэнергетика – главный на сегодня ВИЭ в мире – не всегда и не везде полезна для климата, как принято считать (само исследование можно скачать по этой ссылке). Энергия водного потока, которая лежит в основе работы ГЭС, априори обладает меньшим «углеродным следом», чем киловатты, выработанные из ископаемого топлива. Но, в зависимости от климатических условий расположения водохранилища, оно может выбрасывать и большие объемы не только СО2, но и метана (СН4), еще более мощного парникового газа (ПГ). 

«Более 100 водохранилищ из 1500, что мы исследовали и на которые приходится половина мировой гидроэнергетики, сегодня имеют «углеродные следы», равные или даже превосходящие ископаемое топливо. Фактически, они способствуют глобальному потеплению», - пишут в блоге EDF. Больше всего таких водоемов, что неудивительно, в жарких Африке и Индии – и это очень плохо, потому что именно в этих частях света прогнозируется и основной прирост новых мощностей ГЭС (только в Индии – на 230% между 2015 и 2040 годами). По прогнозам МЭА, к 2040 году мощности ГЭС в мире могут возрасти почти на 80%. «И может так выйти, что проекты, направленные на сокращение выбросов ПГ, будут непреднамеренно их увеличивать. Новые гидроэнергетические проекты должны не вредить, а помогать в борьбе с потеплением Минимизация воздействия на климат должна стать приоритетной задачей при проектировании, строительстве и географическом размещении новых ГЭС», - говорится в исследовании.

Хотя про водохранилища ГЭС в России в этой работе ничего не сказано, заявления о том, что и отечественная гидроэнергетика тоже может оказаться вредной для климата, порой раздаются и у нас. Но стоит ли впадать в панику? У России во всем – «особый путь», и в случае с выбросами от наших водохранилищ – это совсем не фигура речи. В распоряжении «Кислород.ЛАЙФ» есть результаты, пожалуй, наиболее масштабного из исследований, проведенного в 2018 году МГУ им. М.В. Ломоносова по заказу Ассоциации «Гидроэнергетика России». Главной целью этой НИР была выработка методики оценки выбросов ПГ и поглощающей способности пресноводных водохранилищ ГЭС России. Причем на основе методики МГЭИК, по которой в кадастрах антропогенных выбросов рассчитывают балансы ПГ в различных классах затапливаемых земель. 

Главный итог работы исследователей: водохранилища ГЭС в России в целом являются углеродо-нейтральными объектами.

Вклад таких водоемов в мировую эмиссию метана оценивается в диапазоне от одного до семи процентов, при доле в общей площади 29-36%. В российском масштабе – в жалкие 0,4% (от 35 млн тонн в год, согласно Национальному кадастру). Ежегодные суммарные выбросы метана в пересчете на CO2-экв. (3,52 млн тонн) и углекислого газа от разложения затопленной органики (1,13 млн тонн) в России полностью компенсируются объемом чистого стока углерода в донные осадки водохранилищ (5,21 млн тонн). Почему же так сложилось? Об этом – в ликбезе.

Все как в обычном озере

Для начала – немного теории. Водохранилища, как и все водоемы, живут по одним и тем же природным законам, хотя и отличаются от озер более высокой динамичностью развития в начальный период своего существования. В целом протекание биологических процессов в рукотворных морях – идентично с процессами в экосистемах естественных водоемов. В начале жизни водохранилища, после его накопления, в водохранилищах фиксируется бурное развитие жизни во всей ее красе и разнообразии, связанное с поступлением в воду большого количества питательных веществ из затопленной растительности и почв. Продолжительность начального периода специалисты связывают, в основном, с географическим положением и особенностями водоемов. Но обычно формирование стабильной экосистемы растягивается на 10-20 лет, а пик продуктивности приходится только на первые годы. 

Как и озера, водохранилища действуют как отстойник, в котором мутность воды уменьшается по направлению к плотине. Из всех источников осадкообразующего материала основными являются продукты эрозии водосбора, поступающие в водоем в течение всей его жизни, и продукты размыва берегов, уменьшающиеся по мере завершения процесса формирования чаши водоема. Стадию «молодости» неизбежно сменяет период стабилизации, сопровождающейся снижением биопродуктивности водоема. Последующие изменения экосистемы связаны с сезонами года, водностью (расходами воды ГЭС и не только), водообменом, особенностями водопользования и т.п. То есть как рукотворными, так и природными воздействиями. 

В ходе различных исследований, которыми было охвачено порядка 100 водохранилищах в более чем 24 странах мира, везде были зафиксированы выбросы ПГ – и не только СН4 и СО2, но даже закиси азота; в частности, в водохранилищах тропических регионов с большими временно затапливаемыми зонами. Это не удивительно, поскольку ПГ в водохранилищах, как и в естественных водоемах, образуются при аэробном и анаэробном разложении органики. Это может быть затопленная растительность – древесина, торф, гумус почв (частично такая органика разлагается, частично – консервируется в донных отложениях), или выносы питающих водоем рек. А также – продукты фотосинтеза в самом водохранилище. 

Основными источниками выбросов СО2 в водохранилище является именно разлагаемая органика, при этом происходит и частичное поглощение углерода – за счет фотосинтеза фитопланктона. Помимо этого, водохранилище консервирует в донных отложениях существенные объемы углерода, которые, в свою очередь, служат источником выбросов метана. Этот газ является как продуктом метаболизма при минерализации легкоокисляемых органических вещества в водной толще, так и конечным продуктом деструкции органических веществ в донных отложениях анаэробными бактериями.

Как отмечает руководитель исследования, завкафедрой общей экологии Биологического факультета МГУ, д.б.н. и профессор Дмитрий Замолодчиков, на интенсивность эмиссий и поглощения оказывают влияние фактор времени, прошедшего с момента заполнения водохранилища, климатическая зона, в которой оно находится, а также такое понятие, как трофность водоема (его биологическая продуктивность). 

В олиготрофных водоемах (расположенных в холодном климате и в горах) вода наиболее чистая и прозрачная, в эвтрофных, а тем более гипер-эвтрофных (к счастью, в России таких немного) – загрязнена различными элементами, в том числе соединениями азота и фосфора. Потоки ПГ сильны именно в таких водоемах, преобладающих в умеренном климате Европейской части страны; в целом на эвтрофные и мезотрофные водохранилища приходится 47,2% и 15,4% общей площади. В бореальном климате (в Сибири) преобладают олиготрофные водоемы (почти 32% общей площади). 

В рамках исследования трофность выявляли по гидрохимическим данным, взятым из ежегодника «Качество поверхностных вод РФ» за 2016 год. Всего ученые МГУ проанализировали 157 гидроэнергетических водохранилищ России с общей площадью зеркала воды более 73,5 тыс. кв. км. Но в итоговые таблицы включено 211 объектов, в том числе и напорные водоемы деривационных станций, расположенные в разных климатических зонах (опять же, по методике МГЭИК). Интересно, что для градации по климатическим и биологическим характеристикам ученые использовали Google Earth Engine. 

Итоговые оценки и показали, что эмиссии ПГ в водохранилищах России невелики, особенно в сравнении с объемом энергии, вырабатываемой на ГЭС. И что поглощение углерода донными осадками полностью компенсирует эмиссии метана, выраженные в CO2-эквиваленте. «Этот вывод опровергает утверждения некоторых научных источников о значимости эмиссий ПГ из водохранилищ и необходимости переоценки атмосферного эффекта гидроэнергетики. Эти утверждения могут быть справедливы в отношении гидроэнергетики тропических регионов, однако они не вполне уместны по отношению к областям бореального и холодного умеренного климата», - сказано в техническом отчете по итогам НИР.

Спасибо климату

Главная причина того, что в российских водохранилищах ГЭС баланс эмиссии и поглощения отрицательный (за редким исключением), определяется их возрастом и климатической зоной расположения. Порядка 60% от всей площади водохранилищ расположены в зоне холодного умеренного влажного климата (по классификации МГЭИК).

Наиболее холодные температуры – в резко континентальном климате Восточной Сибири, в зоне ГЭС на Ангаре и Енисее, большая часть которых принадлежит En+ Group. Эта компания вообще лидирует по площади водохранилищ при своих ГЭС (более 40,3 тыс. кв. км), хотя ей принадлежат лишь пять станций (включая одну в Карелии). Дело в том, что в составе Иркутского водохранилища обычно учитывают всю акватория озера Байкал, уровень которого регулируется плотиной на Ангаре. Однако ученые МГУ в своих расчетах использовали лишь значение затопленной Иркутским водохранилищем при поднятии уровня воды площади, то есть 600 кв. км. 

Водохранилища ГЭС «РуcГидро», наоборот, по большей части располагаются в наиболее теплых, южных областях Европейской части России (хотя есть и исключения в виде крупных водохранилищ в Сибири и на Дальнем Востоке). По их площади госхолдинг стоит на втором месте в России (27,9 тыс. кв. км), но по количеству ГЭС лидирует с огромным отрывом – их более 60.

На третьем месте ПАО «ТГК-1»: 36 ГЭС и около 18,2 тыс. кв. км общей площади водохранилищ в суровом климате Северо-Запада. «В более холодных условиях процессы разложения органического вещества замедлены, а вода содержит больше растворенного кислорода, и, следовательно, имеется меньше возможностей для формирования анаэробных условий. Все это приводит к тому, что эмиссии метана из российских водохранилищ в расчете на единицу площади намного меньше, чем в тропических регионах», - отмечают ученые. 

В целом суммарная эмиссия метана водохранилищами России составляет 140,72 тыс. тонн С в год. Больше половины из этого объема приходится на водохранилища при ГЭС «РусГидро», еще 27% – ПАО «ТГК-1». Выбросы СО2 от разложения затопленной органики ученые оценили в 308,68 тыс. тонн С в год. Интересно, что в водохранилищах на Ангаре и Енисее (ГЭС принадлежат En+ Group), а также в водоемах станций ТГК-1 на Северо-Западе таких эмиссий вообще не происходит, поскольку все они были созданы более 20 лет назад. Исключение – Богучанское, заполненной только к 2012 году. При этом поглощение CO2 донными отложениями водохранилищ превышает 1,4 млн тонн С в год. На водохранилища «РусГидро» приходится 49% поглощения, на ПАО «ТГК-1» – 21%.

Спасибо деду за победу

Фактор, определяющий незначительность эмиссий СО2 от разложения затопленных почв и растительности, связан со временем создания водохранилищ. Пик гидротехнического строительства в нашей стране пришелся на середину прошлого века, когда наполнялись водоемы мирового масштаба. «Молодые» водохранилища, созданных 20 и менее лет назад, занимают менее 5% от общей площади рукотворных морей, даже в сумме кратно уступая огромному Братскому. 

Как уже было сказано выше, в молодых водохранилищах еще продолжаются процессы разложения затопленной органики (гумуса почв, древесины), потому эмиссии ПГ в них более интенсивны. Поэтому Богучанское водохранилище, единственное в 10-ке крупнейших, имеет положительный баланс эмиссии и поглощения ПГ. Но в России в целом доминируют по площади водохранилища возрастом от 61 до 80 лет, созданные в 1930-1950-х годах. А по общему числу – водоемы возрастом от 41 до 60 лет, что соответствует 1960-1970 годам создания. «Вполне очевидно, что пики разложения затопленного органического вещества в большинстве водохранилищ России уже миновали, потому этот эмиссионный поток сравнительно невелик», - подчеркивает Дмитрий Замолодчиков. 

Интересно, что в своей НИР ученые затронули и тему ответственности за выбросы собственников ГЭС (в России - 59 компаний), которые оказывают «воздействие на состояние водохранилища, регулируя пропуск воды через плотину и осуществляя различные мероприятия в акватории водохранилища. Некоторые из этих мероприятий, например, связанные с утилизацией всплывшей древесины, оказывают влияние и на эмиссии и стоки ПГ в водохранилищах». Данный тезис нуждается в пояснении: расходы воды через гидроагрегаты ГЭС в России регулируют Росводресурсы, а не собственники станций. А все водохранилища являются федеральной собственностью, потому большая часть проводимых на них мероприятий, в том числе по той же очистке, является прерогативной госорганов. Это не значит, что от самой ГЭС ничего не зависит, но не стоит забывать, что в этом оркестре инструментов много, а дирижерская палочка - в руках государства.