Оценка загрязнения окружающей среды в течение жизненного цикла наземной ветроэлектростанции в Арктике

Начиная со второй половины XX века в мире наблюдаются климатические изменения, которые вызваны как естественными, так и антропогенными причинами. К естественным относятся изменение солнечной активности, смещение орбиты и угла наклона планеты, вулканическая активность, смещение тектонических плит, к антропогенным — хозяйственная деятельность человека в различных отраслях. В результате наложения друг на друга естественных и антропогенных факторов скорость климатических изменений, происходящих на планете за последние 70 лет, значительно увеличилась [1].

По данным Национального управления океанических и атмосферных исследований США, концентрация диоксида углерода (СО₂) в атмосфере в мире в 1980 г. составляла 337,19 г/т, а в 2024 г. достигла 422,77 г/т [2]. Следствием этого стало увеличение температуры воздуха, воды и поверхности на планете [3–5]. Средняя температура воздуха на планете с 1850 г. по июнь 2025 г. выросла более чем на 1,5 °С, а в Арктике по сравнению с 1940 г. — на 2,8 °С [4][6].

Согласно прогнозам [7][8], если существующие тренды сохранятся, то повышение температуры продолжится. При климатическом прогнозировании и создании климатических моделей в международной практике используются различные социально-экономические сценарии (англ. Shared Socio-economic Pathways (SSP). Всего на сегодня для прогнозирования климатических изменений применяется 5 сценариев (SSP1 — устойчивое развитие; SSP2 — средний путь; SSP3 — фрагментация; SSP4 — неравенство; SSP5 — классический сценарий) [7]. Эти сценарии учитывают изменения в численности населения, экономическом росте, уровне образования, урбанизации и скорости технологического развития, которые повлияют в краткосрочной и долгосрочной перспективах на выбросы парниковых газов (ПГ). При наиболее благоприятном сценарии SSP1 средняя температура воздуха на поверхности планеты в 2100 г. повысится на 2,6 °С, а при наименее благоприятном сценарии SSP5 — на 8,5 °С.

Согласно прогнозам, из-за последствий происходящих климатических изменений уровень Мирового океана будет продолжать повышаться. В своем климатическом сценарии с низким уровнем выбросов ПГ (сценарий SSP1) Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) прогнозирует, что уровень моря в 2100 г. будет на 0,28–0,55 м выше уровня 1995–2014 гг. В сценарии с наибольшим уровнем выбросов ПГ (сценарий SSP5) диапазон увеличивается с 0,63 до 1,01 м [8].

В зависимости от рассматриваемого сценария к 2100 г. площадь вечной мерзлоты может сократиться на 25–69 % [7]. Это может ускорить глобальное потепление, так как в вечномерзлых грунтах содержится большое количество таких ПГ, как углерод и метан.

По прогнозам МГЭИК, в глобальном масштабе в конце XXI века доля интенсивных тропических циклонов увеличится до 10 % при сценарии с низким уровнем выбросов ПГ (сценарий SSP1) и более чем на 30 % в сценарии с высоким уровнем выбросов ПГ (сценарий SSP5) [8].

В сценарии с самыми высокими выбросами ПГ периоды сильной жары будут повторяться девять раз в десять лет и будут на 5 °C интенсивнее. Повышение температуры в городах будет более значительным, учитывая плотность застройки, инженерную инфраструктуру и тепловую инерцию зданий. Согласно прогнозам, как в краткосрочной, так и в долгосрочной перспективах периоды сильной жары станут более частыми и интенсивными. Без адаптации к изменяющимся условиям к 2050 г. более 350 млн чел. могут подвергнуться смертельному тепловому воздействию [8].

Для снижения загрязнения окружающей среды и борьбы с климатическими изменениями 12 декабря 2015 г. под эгидой Организации Объединенных Наций (ООН) 194 странами мира было принято Парижское соглашение по климату (далее Парижское соглашение), направленное на существенное сокращение глобальных выбросов ПГ и ограничение повышения глобальной температуры в XXI веке до 2 ⁰С при одновременном поиске средств для еще большего ограничения этого повышения до 1,5 ⁰С [9]. После принятия Парижского соглашения различные международные организации начали разрабатывать дорожные карты по достижению углеродной нейтральности к 2050 г. Так, например, Международное энергетическое агентство (МЭА) разработало дорожную карту для энергетического сектора, которая предусматривает увеличение доли ветроэлектростанций (ВЭС) и солнечных электрических станций (СЭС) в производстве энергии к 2050 г. до 70 % [10]. На момент написания статьи более 100 стран мира взяли обязательства достичь углеродной нейтральности к 2050 г. [11].

В соответствии с Указом Президента РФ от 4 ноября 2020 г. № 666 «О сокращении выбросов парниковых газов» в целях реализации Российской Федерацией Парижского соглашения от 12 декабря 2015 г. выбросы парниковых газов к 2030 г. должны быть сокращены до 70 % относительно 1990 г. [12]. Для исполнения этого указа Распоряжением Правительства РФ от 29 октября 2021 г. № 3052-р была утверждена Стратегия социально-экономического развития Российской Федерации с низким уровнем выбросов парниковых газов до 2050 года. В рамках реализации данной стратегии предусмотрено применение технологий с низкими выбросами парниковых газов в различных отраслях [13].

Энергетическая отрасль — одна из наиболее активно развивающихся отраслей в мире, которая оказывает влияние на климатические изменения. Согласно данным МЭА, в 2024 г. суммарный объём эмиссии CO₂, связанной с энергетикой, увеличился на 0,8 %, достигнув рекордного уровня в 37,6 Гт CO₂ (более 20 % от суммарных эмиссий CO₂) [17]. В табл. 1 приведены данные об эмиссии CO₂ в энергетической отрасли в мире в 2022–2024 гг.

В настоящее время наиболее развивающимися в энергетической отрасли являются возобновляемые источники энергии (ВИЭ), и их доля на конец 2024 г. составила более 40 % Среди ВИЭ наиболее развивающимися отраслями являются солнечная и ветровая энергетика. Установленная мощность ВЭС в мире составила в 2024 г. более 1000 ГВт, при этом рост установленной мощности ВЭС в 2024 г. составил около 120 ГВт [15]. По данным МЭА, установленная мощность СЭС в мире на конец 2024 г. составила более 2200 ГВт, при этом в 2024 г. было введено в эксплуатацию более чем 550 МВт (рост около 30 %) [12]. Производство электроэнергии на ВЭС в 2024 г. выросло на 182 ТВт·ч (рост на 7,9 %), на СЭС количество произведенной электроэнергии достигло 474 ТВт·ч (рост на 29 %) [14]. В России ветровая и солнечная энергетика, несмотря на существующие ограничения и проблемы, также активно развиваются, и в последние годы вводятся в эксплуатацию новые электростанции. По состоянию на конец 2024 г. установленная мощность ВЭС превысила 2,5 ГВт, а СЭС — более 2,0 ГВт [16]. По состоянию на июнь 2025 г. в России эксплуатируется более 40 ВЭС, а в Арктической зоне расположена Кольская ВЭС (самая мощная ВЭС в мире в Арктике) [16–18].

Площадь Арктической зоны РФ составляет 4,8 млн км² (порядка 28 % территории страны). Здесь проживает около 2,6 млн чел. [19]. Арктика имеет значительный потенциал для развития ветроэнергетики. Согласно данным Глобального атласа ветров, среднегодовая скорость ветра в Арктической зоне превышает 8 м/с, что является очень хорошим условием для эксплуатации ВЭС [20]. Многие районы Арктики относятся к зонам децентрализованного энергоснабжения, которые главным образом снабжаются электроэнергией от электростанций, работающих на ископаемом топливе, преимущественно на мазуте и угле, поставляемых в рамках северного завоза [21] и которые в процессе эксплуатации загрязняют окружающую среду эмиссиями различных загрязняющих веществ, в том числе СО₂. Для снижения уровня загрязнения окружающей среды в Арктике можно использовать ВЭС.

В мировой практике для оценки загрязнения окружающей среды применяется анализ жизненных циклов (АЖЦ) (англ. Life Cycle Analysis), который проводится с учетом требований международных стандартов. Для оценки загрязнения окружающей среды определяются эмиссии загрязняющих веществ в течение жизненного цикла ВЭС (строительство, эксплуатация и снятие с эксплуатации) [22][23].

В качестве основных экологических показателей в АЖЦ принимаются: потенциал глобального потепления, потенциал закисления и потенциал эвтрофикации. Потенциал глобального потепления — показатель, характеризующий воздействие парниковых газов на глобальное потепление (рассчитывается на основе эмиссии СO₂экв); потенциал закисления характеризует воздействие на окружающую среду от эмиссий загрязняющих веществ, способных образовывать кислоты (рассчитывается на основе эмиссии диоксида серы (SO₂экв). Потенциал эвтрофикации характеризует ухудшение качества воды в результате накопления в воде биогенных элементов (рассчитывается на основе эмиссии фосфатов (PO₄экв) [24].

Для проведения АЖЦ разработаны программные продукты. Наиболее известными из них являются SimaPro (Нидерланды) https://simapro.com; Sphera (Gabi) (США) https://sphera.com; OneClick LCA (Финляндия) https://oneclicklca.com, OpenLCA (Германия) https://www.openlca.org; iPoint (Umberto) (Германия) https://www.ipoint-systems.com/software/; Ecochain (Нидерланды) https://ecochain.com; Preoptima (Великобритания) https://www.preoptima.com. Для оценки жизненных циклов энергообъектов наиболее часто используются программные продукты SimaPro и Gabi. Следует отметить, что в строительной отрасли для унификации расчетов эмиссии загрязняющих веществ в течение жизненного цикла зданий и сооружений в зарубежной практике используется программный продукт LCAbyg https://lcabyg.dk/en/, который позволяет несколько упростить расчеты. В данной программе задается информация о материалах, параметрах и технических характеристиках элементов зданий и проводится расчет эмиссий СО₂. Вместе с тем в LCAbyg учитываются не все составляющие элементов зданий и сооружений, и такой подход не подходит и не применяется в настоящее время для энергообъектов.

В последнее время для определения эмиссий загрязняющих веществ в течение жизненного цикла в АЖЦ начали интегрироваться технологии информационного моделирования (ТИМ). В настоящее время такая интеграция и соответствующие расчеты проводятся в основном для зданий и сооружений. Суть такого подхода заключается в импорте цифровых моделей зданий и сооружений из программных продуктов, поддерживающих ТИМ в программные продукты АЖЦ для расчета эмиссий загрязняющих веществ [25–29]. Вместе с тем интеграция ТИМ в АЖЦ имеет многочисленные проблемы (табл. 2).

Несмотря на внедрение программного обеспечения и интеграцию с ТИМ, АЖЦ остается громоздким, трудоемким, не унифицированным и имеет ограничения по использованию. Например, для оценки загрязнения окружающей среды в течение жизненного цикла ВЭС необходимо выполнить несколько тысяч операций различной степени сложности. АЖЦ главным образом предназначен для проведения «детальных», результаты которых применяются для оптимизации параметров и технических характеристик рассматриваемых объектов, а также для составления экологических деклараций (англ. Environmental Product Declaration), которые используются преимущественно в маркетинговых целях. Для применения АЖЦ необходимо разрабатывать или иметь готовый детализированный проект объекта, вследствие этого его применение на предпроектных стадиях затруднено. АЖЦ не подходит для решения геоэкологических задач, включая оценку вклада в антропогенной составляющей в загрязнение окружающей среды и климатические изминения. Для решения геоэкологических задач и оценки вклада объектов различного функционального назначения и их совокупности в течение жизненного цикла в антропогенную составляющую загрязнения окружающей среды необходима унифицированная методика определения эмиссий загрязняющих веществ на основе укрупненных экологических показателей (далее укрупненных показателей).

В работе [30] было обосновано использование укрупненных показателей для определения эмиссий загрязняющих веществ (СО₂экв, SO₂экв, PO₄экв) в течение жизненного цикла ВЭС и составлена база данных по укрупненным показателям эмиссий загрязняющих веществ при производстве элементов ветроэнергетических установок и ветроэлектростанций (Свидетельство о государственной регистрации базы данных № 2023621868 от 07 июня 2023 г.) [31].

В работе [32] предложена новая методика определения эмиссий загрязняющих веществ в течение жизненного цикла ВЭС по укрупненным показателям и проведена ее апробация. В рамках методики был разработан алгоритм определения эмиссий загрязняющих веществ при производстве элементов ветроэнергетических установок (ВЭУ) и ВЭС, предложены формулы для их расчета на этапах жизненного цикла ВЭС и критерий экологической эффективности.

Для унификации расчетов эмиссий загрязняющих веществ в новой методике предложено следующее [32].

1. Определять эмиссии загрязняющих веществ при производстве элементов ВЭУ и ВЭС без детализации производственных процессов и применять для этого составленную базу данных по укрупненным показателям.
2. Определять эмиссии загрязняющих веществ при производстве строительных работ, проведении сервисного обслуживания, транспортировке элементов энергообъектов, демонтаже и утилизации энергообъектов также без детализации технологических и эксплуатационных процессов по укрупненным показателям в процентном отношении от эмиссий загрязняющих веществ при производстве элементов ВЭС.

Подробное обоснование изложенных выше положений новой методики и предложенных процентных отношений для определения эмиссий загрязняющих веществ приведено в ранее опубликованных работах [27][32–39].

В этой статье приведены результаты расчетов эмиссий загрязняющих веществ по новой методике с применением укрупненных показателей в течение жизненного цикла Кольской ВЭС, расположенной в Мурманской области. На рис. 1 представлена фотография Кольской ВЭС, а в табл. 3 приведены ее основные технические характеристики.

В табл. 4 даны значения укрупненных показателей при производстве элементов ВЭУ и ВЭС, принятые по составленной базе данных [31].

Количество производимой электроэнергии Кольской ВЭС при проведении расчетов принято согласно данным, приведенным в [42], и равно 750·10⁶ кВт·ч в год. Срок эксплуатации Кольской ВЭС принят по аналогии с другими ВЭС и составляет 25 лет.

Результаты расчета эмиссий загрязняющих веществ в течение жизненного цикла Кольской ВЭС приведены в табл. 5, а в табл. 6 — на 1 кВт·ч произведенной электроэнергии.

Для сравнения: эмиссия СО₂экв, г/кВт·ч в течение жизненного цикла тепловых электростанций (ТЭС) на угле составляет 910–1250 г/кВт·ч произведенной энергии, а для ТЭС на природном газе — 410–725 г/кВт·ч [43].

Также был выполнен расчет эмиссии СО₂экв, которая может быть предотвращена при выборе в качестве источника электроснабжения Кольской ВЭС по сравнению с использованием для производства электроэнергии ТЭС на различном топливе. Расчет проводился по новой методике, предложенной в [32], и в соответствии c нормативными правовыми документами [44][45]. Из результатов расчета следует, что использование в качестве источника электроснабжения Кольской ВЭС позволяет предотвратить от 9,1 до 15,85 млн т эмиссии СО₂экв (рис. 2).

Также в соответствии с методикой, предложенной в [32], были определены коэффициенты экологической эффективности для Кольской ВЭС. Согласно полученным результатам, эмиссия СО₂экв в течение жизненного цикла ВЭС меньше эмиссии СО₂экв при производстве электроэнергии на ТЭС на каменном угле в 90–136 раз, на мазуте — в 74–112 раз и природном газе — в 51–79 раз (в зависимости от типа топлива, используемого на ТЭС, и рассматриваемых процессов на этапе снятия ВЭС с эксплуатации).

Применение укрупненных показателей позволяет значительно упростить и унифицировать определение эмиссий загрязняющих веществ в течение жизненного цикла ВЭС. При наличии соответствующих данных и обосновании использование укрупненных показателей возможно и для других типов энергообъектов. В дальнейшем применение укрупненных показателей позволит не только проводить экспресс-оценку загрязнения окружающей среды в течение жизненного цикла энергообъектов, но и определять вклад целых отраслей в загрязнение окружающей среды, что позволит оценивать вклад антропогенной составляющей в загрязнение окружающей среды и ее влияние на климатические изменения. На основе этих расчетов могут быть разработаны и внедрены инструменты, которые позволят минимизировать воздействие антропогенных источников загрязнения окружающей среды на климатические изменения.

Вклад авторов

Михеев Павел Юрьевич — постановка задачи, обоснование актуальности, структурирование статьи, формулирование выводов.

Страхов Александр Сергеевич — анализ существующих методик, расчет эмиссий загрязняющих веществ в течение жизненного цикла наземной ветроэлектростанции.

Агафонов Сергей Александрович — сбор и анализ данных, оценка геоэкологического эффекта от использования наземной ветроэлектростанции в качестве источника электроснабжения.

Author contribution statement

Pavel Yu. Mikheev — problem statement, substantiation of relevance, research design, formulation of conclusions.

Aleksander S. Strakhov — analysis of existing methods, calculation of pollutant emissions during the life cycle of an onshore wind farm.

Sergei A. Agafonov — data collection and analysis, assessment of the geoecological effect of using onshore wind farm as a source of electricity supply.

Финансирование

Исследование выполнено Санкт-Петербургским политехническим университетом Петра Великого в рамках гранта Российского научного фонда № 23-78-10190 «Моделирование цифровой и логистической инфраструктуры в интересах устойчивого развития Арктики» https://rscf.ru/project/23-78-10190.

Funding

The research was supported by the Russian Science Foundation No. 23-78-10190 “Modeling digital and logistics infrastructure for sustainable development in the Arctic» https://rscf.ru/project/23-78-10190