24.12.2002 16:26
Г. ЗАИКОВ, доктор химических наук
Сколько же топлива осталось на земле?
Бурно развивающаяся промышленность в XX столетии требовала все больших энергетических затрет. Добыча угля, нефти, а затем и природного газа шла всевозрастающими темпами. Когда-то эти источники энергии казались неистощимыми. Правда, освоение новых месторождений становилось делом все более трудным: за углем, нефтью, газом приходилось идти все дальше на север и восток, устремляться все глубже в недра Земли, а стоимость их все повышалась.
В 1973...1974 годах разразился нефтяной кризис. Резко поднялись цены на нефть. Главные тому причины носили политический характер. Но, привлекая к себе обостренное внимание, кризис повлек за собою также и дискуссии о перспективах добычи энергетического сырья. В их ходе утверждалось, что нефти и газа в недрах планеты осталось лишь на несколько десятилетий: нефти √ около 80 миллиардов тонн, газа √ около 65 триллионов кубометров.
Чтобы оценить эти цифры, заметим, что ежегодное мировое потребление нефти ныне составляет около 3 миллиардов тонн, газа √ около 2 миллиардов кубометров.
Эти выводы (слишком пессимистические, как мы увидим ниже) имели и свои положительные последствия. Лозунгом дня стало максимальное сбережение энергетических ресурсов. Ученые и инженеры стали уделять Больше внимания разработкам все менее энергоемких технологических процессов, создали и продолжают создавать все более экономичные двигатели (автомобильные, самолетные и т.д.), ищут новые источники энергии и способы их освоения. В перечне этих источников √ сланцы, нефтяные пески, древесина, торф, отходы сельскохозяйственного производства.
Остановимся ради примера на растительном энергетическом сырье. Основное его достоинство в том что оно представляет собой возобновляемый источник энергии. Каждый год на нашей планете зеленая биомасса прирастает на 117 миллиардов тонн (в сухом весе), в том числе на 80 миллиардов тонн в лесах, на 18 миллиардов тонн в саванне и степях, на 9 миллиардов тонн на обрабатываемых полях, на столько же в пустынях, в тундре и на болотах. Энергия, которой обладает такое количество биомассы, составляет 1,75╥1021 джоулей, что эквивалентно примерно 40 миллиардам тонн нефти. Общие же запасы растительной биомассы на Земле насчитывают более 1800 миллиардов тонн, что эквивалентно 640 миллиардам тонн нефти.
Когда нефтяной кризис миновал, эксперты повторно принялись за оценки. Спокойно и неторопливо поразмыслив, подсчитав запасы топлива на Земле более точно, ученые сошлись во мнении, что нефти в недрах планеты на самом деле больше, чем казалось в середине 70-х годов: порядка 200 миллиардов тонн, из них твердо разведанных запасов √ около 110 миллиардов тонн. Поэтому мировой объем нефтедобычи в ближайшее время может оставаться на теперешнем уровне (около трех миллиардов тонн в год) и даже несколько повышаться. И если раньше, в годы кризиса, считалось, что максимум нефтедобычи придется на 80-е годы, далее она пойдет на убыль и к 2080 году на Земле не останется ни капли нефти, то теперь картина вырисовывается в более отрадном свете. Согласно материалам Международной конференции КЭМРОН (Гаага, 1984 г.), максимум добычи нефти придется на 10-е годы будущего века и в это время ее будет добываться на 25 процентов больше, чем сегодня, однако к 2120...2130 году запасы нефти истощатся полностью.
Полагают, что нефть еще длительное время будет оставаться основным источником энергии. Ее добыча, конечно, будет все усложняться. Уже сейчас треть всей нефти добывается со дна морей, и именно этот способ будет превалировать, хотя он дорог и становится все дороже. Если двадцать лет назад техника позволяла доставать нефть в море с глубины 200 метров, то десять лет назад эта цифра удвоилась, а сейчас имеется возможность бурить подводные нефтяные скважины на глубину до двух километров.
Еще более оптимистичны прогнозы относительно природного газа по сравнению с теми, что давались в 70-х годах. Общие его запасы сейчас считаются равными 250 триллионам кубометров, причем твердо разведанные √ 80...90 триллионам кубометров. Максимальное количество газа будет, вероятно, добываться в 2040 году √ в два раза больше, чем сегодня. Потом начнется спад, но еще в 2150 году, как полагают эксперты, газ будет добываться в размерах 15...20 процентов от добычи сегодняшней.
Что же касается угля, то Он не вызывает беспокойства у экспертов. Его добыча растет и будет продолжать расти. В 1979 году во всем мире угля было добыто свыше 2,8 миллиарда тонн. К 2000 году, как вытекает из приведенных оценок, эта цифра превзойдет отметку 9 миллиардов тонн. Так можно добывать уголь еще добрую сотню лет, поскольку даже твердо разведанные его запасы сейчас превышают триллион (тысячу миллиардов) тонн.
Нефть из угля
Уголь √ надежный источник энергии, но, к сожалению, не самый удобный. Жидкое топливо наиболее технологично, менее загрязняет окружающую среду, наконец, к нему привыкли и приспособились в самых различных отраслях техники: например, почти все количество топлива, потребляемого сегодня в развитых странах на транспорте, Получают из нефти.
Такое сопоставление источников энергии уже давно привело ученых к идее создать способы переработки угля в жидкое топливо, эквивалентное нефти.
Вот один из наиболее усиленно разрабатываемых сегодня способов. В присутствии кислорода и водных паров уголь сжигают. Газ представляет собой смесь водорода и окислов углерода. Далее в присутствии катализаторов компоненты этой смеси вступают между собой в реакцию гидрогенизации. В итоге получается метиловый спирт (метанол, как кратко называют его химики; заметим попутно, что он представляет собой четвертый по объему мирового производства и, стало быть, очень важный продукт органической химии). Из метанола же можно получить настоящий заменитель нефтяного топлива √ смесь углеводородов, сходную по своим характеристикам с высокосортным нефтяным топливом. Для этого необходимо провести определенную перестройку молекул метанола на катализаторах. По ходу перестройки в качестве побочного продукта получается много воды. Ее нужно отделить от образующегося топлива. Вопрос этот нелегкий, но принципиально уже решен, хотя и таким путем, что получаемый заменитель нефти еще очень дорог. Нужно искать более дешевые способы а заодно работать над повышением эффективности и долговечности катализаторов, увеличением выхода целевых продуктов и т д. Проблемы тут не только технологические, но и научные, требующие активного участия химиков. Надо лучше знать структуру угля, природу существующих в нем химических связей, его реакционную способность. Все это позволит подбирать наилучшие катализаторы и направлять реакции по оптимальным путям.
В последние годы больших успехов в области газификации углей и получения жидкого топлива добились ученые из Московского института горючих ископаемых. Во всем мире получили признание применяемые в подобных процессах селективные цеолитные катализаторы, в разработку которых внес весомый вклад академик Х.М. Миначев, работающий в Институте органической химии АН СССР. Фирма ╚Мобил Ойл╩ получает на цеолитных катализаторах топливо высокого качества, которое невозможно получить иными способами. Из 1000 тонн метанола при этом образуется 438 килограммов углеводородов и 562 килограмма воды. В конечном итоге можно получать и высокооктановый бензин, и керосин, и дизельное топливо.
Известен и прямой способ сжижения углей Здесь сначала готовится кашица из измельченного угля с добавкой нефти Затем при высоких температурах и давлениях в присутствии катализатора (а в некоторых вариантах процесса √ еще и водорода).
В этом направлении ученые продвинулись вперед настолько, что уже имеются полупромышленные установки, реализующие этот процесс. Они построены в США, ФРГ, а также в Австралии (в сотрудничестве с японскими фирмами). Однако до сих пор еще нет ни одного рентабельного завода по сжижению углей прямым способом. Показателем рентабельности был бы тот факт, что подобный завод обеспечивал бы себя энергией и водородом, который необходим для доводки углеводородных молекул до нужной величины и структуры. Для этого необходимо чтобы выход жидкого продукта был не менее 50 процентов. Другая важная и пока не решенная проблема √ отделение продуктов реакции от непрореагировавшего угля и золы Неясно также, как использовать обширные отходы процесса.
Большого внимания заслуживают сланцы и нефтяные пески как будущие источники энергии Ведь их хватило бы человечеству на добрую тысячу лет В освоении сланцев ведущее место в мире занимает наша страна фундаментальные принципы получения ценных продуктов из сланцев (не только для энергетики, но также для нефтехимии и органического синтеза) заложены работами эстонских ученых и ученых из Ленинградского технологического института.
Топливные плантации
Для получения жидкого топлива, заменяющего нефть, разумеется можно использовать не только уголь Голландский химик С. де Витт доказывает что вполне успешные результаты достижимы, если брать за основу некоторые виды тропических растений. В практических опытах до сих пор удалось получить за год чуть более кубометра эрзац-нефти с гектара, засеянного такими растениями. Однако ученые полагают, что биотехнология позволит повысить ╚урожайность╩ нефтяных плантаций в два-три раза.
Если расценивать подобные эксперименты в плане обобщения, то можно предвидеть, что в будущем многие десятки тысяч гектаров малоценных земель и лесов станут источниками жидкого топлива.
Переработка зеленой биомассы в топливо заключается в газификации древесины и ферментации сахаров. В качестве целевого продукта необязательно иметь в виду лишь углеводороды. Известны и другие органические вещества, которые по своим энергетическим свойствам близки к нефти: эфиры, кетоны или спирты (метанол, этанол, бутанол). Спирты имеют очень высокое октановое число, что является важнейшей целью при разработке заменителей высококачественного топлива.
Ферментацией отходов сахарного тростника только в 1981 году в Бразилии было получено 4,2 миллиона литров этанола. На этом топливе работают все автобусы крупнейших бразильских городов Сан-Паулу и Рио-де-Жанейро, а также многие автомобили в целом по стране. В США этанол получают из отходов кукурузы. На Филиппинах масло кокосовых орехов смешивают с дизельным топливом. В 1982...1983 годах это позволило сэкономить стране 2,2 процента дизельного топлива.
В ряде стран из сельскохозяйственных отходов получают метан, который затем используют в качестве топлива. На филиппинском острове Лусон так работает котельная, подающая горячую воду в сто домов круглый год.
В период с 1977 по 1982 год Япония снизила количество нефти, которое идет на топливо, с 74,5 до 62 процентов, а к 1990 году надеется довести этот показатель до 50 процентов. Здесь из рисовой соломы получают этанол, из сельскохозяйственных отходов √ ацетон и бутанол. Значительны успехи биотехнологии в США, ФРГ, Англии, Франции. В лабораторные условиях здесь получают из биомассы метанол, этанол, этилен, пропилен, бутадиен, метан, ароматические соединения и другие виды альтернативного по отношению к нефти топлива.
Перспективы практического развития этих экспериментальных разработок неравноценны. Метанол можно получать из любого сырья, содержащего углерод и водород, √ из угля и древесины, природного газа и сланцев, торфа и отходов переработки нефти. Этанол как топливо близок по своим характеристикам к метанолу, но дороже, поскольку его производство отличается большей энергоемкостью. Бутанол √ топливо с более высокими характеристиками, но его производство сложнее. Какой из упомянутых процессов получит наибольшее признание в будущем, покажет время.
Еще одно достоинство грецких орехов
Сейчас осваиваются такие ресурсы, которые до недавнего времени вообще не рассматривались как источники энергии. В ход пошли ╚альтернативы альтернативам╩ √ от миндальной скорлупы до персиковых косточек. И не без успеха. ╚Сан даймонд гроверс оф Калифорния╩ производит 4,5 мегаватт электроэнергии за счет сжигания скорлупы грецких орехов √ побочного продукта их переработки. Таким образом, в течение года экономится 11 тысяч тонн нефти. Как заявил один из руководителей компании, ╚грецкий орех дает превосходное и не загрязняющее окружающую среду топливо, оно не содержит серы и дает очень мало золы╩. Фирма ╚Имотек инкорпорейшн╩ вырабатывает 8,5 мегаватта электроэнергии путем сжигания миндальной скорлупы, косточек персиков и слив.
Еще один нетрадиционный источник энергии √ бытовые отходы. В мире более 100 миллионов тонн таких отходов сжигается в печах с регенерацией энергии. Это, конечно, мизерное количество по сравнению с мусором, который все еще вывозится на свалки, представляя немалую опасность для окружающей среды. Небезопасно, впрочем, и простое сжигание мусора: при современном уровне очистки отходящие газы не утрачивают своей вредности. В настоящее время химики многих стран работают над совершенствованием фильтров, улавливающих вредные вещества из газов. Из газообразных продуктов, сжигания мусоре необходимо удалять сажу, хлористый водород, окислы азота, двуокись серы и т.д. Что касается методов улавливания, то они уже разработаны. Вопрос лишь в том, как сделать их более дешевыми, надежными, долго работающими.
Особое внимание уделяется сейчас пиролизу (термическому разложению) мусора и лолучению из него газообразного топлива. Пока здесь больших успехов нет, так как состав бытовых отходов неоднороден, и поэтому трудно подбирать и регулировать оптимальный режим пиролиза. Кроме того, в мусоре много вредных примесей. Предлагается выделять из него наиболее горючие компоненты √ бумагу, картон, пластики √ и прессовать их в брикеты. Такие брикеты по теплотворности сравнимы с бурым углем.
Как полагают эксперты, усовершенствованная переработка бытовых отходов (как в энергию, так и сырье) позволит только Западной Европе достичь ежегодной экономии порядка 14 миллиардов долларов. Разделение отходов должно происходить уже на дому: в одни контейнеры нужно сбрасывать пищевые отходы, в другие √ бумагу и т.д. Такой путь, предполагает высокую сознательность населения в отношении охраны окружающей среды и экономии сырья и энергии.
Теплые дома без отопления
Излучение Солнца в наши дни занимает в балансе энергетиков такое же положение, как нефть в середине прошлого века, когда преобладали уголь, торф и дрова.
Однако уже сегодня ток, вырабатываемый Солнцем, вливается тонкой струйкой в энергетический поток для нужд человечества. Кремниевые пластинки преобразуют солнечный свет в электроэнергию. Специалисты убеждены, что к 2060 году доля энергии Солнца на мировом энергетическом рынке превысит 50 процентов.
В феврале 1983 года американская фирма ╚Арко Солар╩ начала эксплуатировать первую в мире солнечную электростанцию мощностью 1 мегаватт. Эта же компания приступила к строительству фотоэлектрической станции в Калифорнии, мощность которой должна достичь 6,5 мегаватта.
На вершинах Гималаев солнечные батареи заряжают никель-кадмиевые аккумуляторы альпинистов. В пустынях Египта они питают ирригационные насосы, а в Отдаленных районах Австралии √ электрические ограждения для овец. В домах японских крестьян они греют воду и дают электроток. Солнечные печи для подогрева воды прижились в среднеазиатских республиках нашей страны.
До недавнего времени из-за высокой стоимости солнечных элементов они применялись либо в космонавтике, либо в местностях, отдаленных от линий электропередач, либо в особых видах изделий, где затраты энергии минимальны. Сейчас цена на эти элементы быстро падает: за последние 10 лет она понизилась в 3,5 раза. В этом заслуга химиков, разработавших новые способы получения кремниевых солнечных элементов.
Обычно солнечные элементы изготавливают из монокристаллических кремниевых стержней, выращиваемых в лаборатории. Их разделяют на маленькие пластинки, которые затем собирают в панели. Сейчас все большее внимание уделяется поликристаллическому и аморфному кремнию. Ему придают форму пленки толщиной 1 микрометр. КПД элементов на аморфном кремнии составляет 6...10 процентов, а на монокристалле √ 12...16 процентов, но первые значительно дешевле, так как для их создания не требуется материал высокой чистоты.
Вполне вероятно, что для наших квартир и производственных помещений в ближайшем будущем не понадобится столько тепла, как сегодня. Сейчас ведется разработка нового строительного материала, призванного обеспечить 50-процентную экономию тепловой энергии при обогреве зданий. Важнейшее свойство нового материала заключается в том, что он пропускает солнечный свет, но задерживает тепло. Стенки здания, покрытые прозрачными панелями из этого материала, обогреваются солнечной энергией. При этом не происходит обратной отдачи тепла. Путь накопленной тепловой энергии открыт только внутрь здания. Даже в холодное время Солнце будет поставлять значительную часть тепла, необходимую для обогрева здания.
В статье затронуты лишь немногие вопросы снабжения человечества энергией. Не следует думать, будто химики не участвуют в разработке других, не упомянутых здесь источников энергии. Например, ядерная энергетика начинает осваивать торий. Здесь необходима помощь радиохимиков. Состояние воды в водохранилищах, обязанных своим возникновением гидроэнергетике, √ предмет забот гидрохимиков. Словом, химики вносят значительный вклад в реализацию энергетической программы человечества.
Ранее опубликовано:
Наука и жизнь. 1986. ╧3.
Дата публикации:
16 декабря 2002 года
Материалы, полученные путем компьютерного моделирования, будут отлавливать мышьяк
добавить ресурс
.gif){kind=small}
Переработка мусора:
ТБО и другие проблемы современности:
© Дизайн Студии РОМАрт, 2004.