Топливо, энергия и карбонизация

Показатель техногенности цивилизации

По мере развития человечества появлялись все новые и новые способы использования энергии солнца, в том числе благодаря теп­лоносителям – для обогрева помещений, а также для выработки электричества на солнечных электростанциях. Виды топлива тоже множились – от древесины и угля до урана, применяемого при термоядерных реакциях.

Способы производства и использования энергии – одна из основных характеристик уровня развития общества. Потребление энергии на душу населения – главный показатель техногенности цивилизации.

Углерод не случайно является основой ископаемого топлива, а также наиболее важным элементом на Земле в веществах с высоким содержанием энергии. Это следствие особых химических свойств его электронной оболочки – числа электронов в атоме и их орбиталей. Однако разведанные запасы ископаемого топлива ограничены: при сегодняшней и ожидаемых скоростях потребления энергии, по мнению ученых разных стран, они могут истощиться в ближайшие 100–150 лет.

При выборе видов топлива важно знать их теплотворную способность, обычно выражае­мую в единицах удельной теп­лоты сгорания (Мдж⁄кг): для угля это 30, для нефти – 40, для природных газов – 50 Мдж⁄м³, для водорода – 120 Мдж⁄м³. При распаде ядра урана-235 выделяется 83 млн Мдж⁄кг. Другими словами, энергия, выделяемая из 1 кг урана-235, эквивалентна энергии, получаемой при сжигании 100 тонн угля, или 60 тонн нефти, или 48 000 кубических метров природного газа, или около 20 000 кубических метров водорода.

Кроме невозобновляемых источников энергии человечество научилось использовать энергию солнца, ветра, электрохимических источников тока, в том числе топливных элементов, а также геотермальную энергию (в странах, расположенных на побережье Тихого океана). Последние виды энергии являются возобновляемыми (ВИЭ), то есть их можно использовать бесконечное число раз. Разумеется, до тех пор, пока будет светить Солнце и греть нашу Землю, температура ядра которой составляет около 20 млн градусов, а также пока наша любимая планета будет продолжать свое вращение.

По брутто подсчетам ученых, наша Земля еще около 500 млн лет будет сохранять свои нынешние условия для проживания Homo sapience и животных (воздух, воду, температуру) и только в следующие 500 млн начнет греться сильнее и к концу того периода – очень сильно (выше 100 градусов), так как баланс в реакциях термоядерного синтеза на Солнце с участием водорода и гелия сместится в сторону гелия, у которого теплотворная способность гораздо выше.

Казахстан добывает около 90 млн тонн нефти в год. Из них 70,5 млн тонн идет на экспорт, остальное перерабатывается в основном на трех нефтеперерабатывающих заводах – Павлодара, Атырау и Шымкента. С учетом действующих темпов добычи сырой нефти длительность использования «нефтяной подушки» может составить еще около 70–100 лет.

Кроме нефти Казахстан добывает около 60 млрд кубометров газа. Выработка электроэнергии в нашей республике составляет около 115 млрд кВт.ч на 222 элект­рических станциях различной формы собственности с общей мощностью около 2 464 Мвт. Как видно из этих показателей, Казахстан является вполне самодостаточной страной и занимает 17-е место среди ведущих стран по интегральной мощи (доклад МЛСУ – Международной лиги стратегического управления). Потребление первичной энергии в РК (совокупность различных видов энергии и топлива) является одной из самых высоких в СНГ – 150,1 ГДж на душу населения. Это вдвое больше, чем в среднем по миру, и почти втрое больше, чем в других, не входящих в ОЭСР, странах.

Очистка до допустимых пределов

Однако для дальнейшего роста экономики страны и повышения благосостояния народа необходимо и дальше наращивать выработку электроэнергии. Для решения этой проблемы запланировано возведение трех новых ТЭЦ, увеличение доли ВИЭ и строительство АЭС (атомной электростанции). Кстати, можно отметить, что Казахстан занимает первое место в мире по продаже урана.

В настоящее время в нашей республике более 80% элект­роэнергии вырабатывается с использованием угля, 7% – с использованием природного газа, 8% – гидроэлектростанциями и 5% – с помощью ВИЭ (солнечная энергия, преобразованная в элект­ричество, и электроэнергия от ветростанций). Анализ технико-экономических показателей электроэнергетических сооружений показывает целесообразность сохранения ТЭЦ, работающих на угле, запасы которого в Казахстане огромны.

Экологические проблемы с необходимостью очистки печных газов ТЭЦ можно решить. В мире давно существуют барботажные методы очистки выходящих печных газов, содержащих вредные примеси, токсичные (ядовитые) химические соединения (сера, азот), в том числе оксид углерода – СО, в народе называемый угарным газом. В нашей лаборатории АО «Институт топлива, катализа и электрохимии им. Д. В. Сокольского» (Алматы) разработана новейшая технология полной очистки с автоматическим дозированием активных компонентов – нейтрализаторов.

Создана промышленная установка КСО-1 (комплексная система очистки), обеспечивающая очистку промышленных отходящих газов (от золы на 100%) и от вредных и ядовитых примесей до 95–97%, то есть до допустимых пределов норматива. Из отходов при этом можно выделить минеральные (азотистые) удобрения, оставшуюся массу можно использовать в качестве стройматериалов.

Наши ученые и инженеры прошли стажировку и обмен опытом в научно-производственных центрах ФРГ и Японии (известная компания Mitsubishi Power Ltd).

Мы, ученые РОО НАН РК, поддерживаем решение Главы государства Касым-Жомарта Токаева об огра­ничении карбонизации атмосферы диоксидом углерода, которая может влиять на потепление атмосферы Земли. Как известно, происходит интенсивное таяние вечных льдов Антарктиды и Арктики, Гренландии, высокогорных и шельфовых ледников. Запланированы и реализуются в Казахстане мероприятия по строительству АЭС, промышленному производству «зеленого водорода», получаемого путем электрохимического разложения молекул воды, возведению промышленных установок ВИЭ для использования энергии солнца и ветра. Кроме них ведется строительство мини-гидроэлектростанции, промышленных электрохимических производств для превращения энергии химических процессов в электрические и так далее. Все они встречены мировой общественностью весьма позитивно.

Однако надо сказать и о том, что некоторые западноевропейские радетели «зеленой» природы не совсем корректны, когда причинами потепления Земли и ее атмосферы называют только карбонизацию. В составе воздуха содержится только 0,03% двуокиси углерода – СО2, и его содержание на практике колеблется лишь в сотых долях (азот – 78%, кислород – 21% и инертные газы – 1,0%, в том чис­ле СО2 – 0,03%). И это не может влиять так сильно, чтобы вызвать глобальное потепление.

Нынешняя атмосфера, вода, зеленый покров Земли пребывают без изменений вот уже более миллиона лет. Когда еще не было человека, случались обширные лесные пожары от молний. Поскольку тушить их было некому, огромные зеленые массивы горели до обильных дождей и выпадания снега. В результате воздух предельно насыщался диоксидом углерода. Однако заметного изменения климата не происходило.

По мнению большинства ученых, температурные колебания, вызывавшие на Земле мерзлоту, жаркую погоду, потопы, имели место и в прошлом, судя по артефактам археологии и истории нашей планеты. Общая тенденция к потеплению возможна из-за усиления солнечного нагрева в результате смещения равновесия от водорода в сторону гелия, из-за цепных ядерных реакций термоядерного синтеза в составе Солнца. Атом гелия в два раза тяжелее водорода, имеет два электрона и при протекании реакции термоядерного синтеза с его участием выделяется больше энергии.

В ядре Земли тоже идут цепные реакции ядерного деления. При делении ядер более тяжелых элементов (металлов) экзоэнергетический процесс выделяет большее количество кинетической и тепловой энергии. Разумеется, замерить и получить количественные показатели ядерных процессов на Солнце (ядерный синтез) и в ядре Земли (ядерное расщепление) прямым измерением невозможно, но предположить косвенными методами вполне реально. Поэтому все проблемы перекладывать на карбонизацию воздуха некорректно, хотя нужно признать, что она нежелательна с точки зрения экологии. К тому же перевод ТЭЦ с угля на газ в 2-3 раза дороже и повлияет на стоимость электроэнергии и тепла. И при этом проблема карбонизации не снимается, так как газы тоже содержат атомы углерода.

Поиски будут продолжены

Для оздоровления и очистки воздушного бассейна в мегаполисах и городах в первоочередном плане надо обезвредить автомобильные выхлопные газы, в которых содержится оксид углерода – СО, то есть смертельно ядовитый угарный газ. Опытные водители хорошо знают, что если в закрытом гараже машина останется заведенной, то через 15 минут от накопившегося угарного газа человек может умереть. Нетрудно представить, какое загрязнение воздуха происходит этим смертельным газом, например, на улицах Алматы, по которым ежедневно курсирует более 2 000 автобусов и 550 000 автомобилей. Попробуйте мысленно сложить выхлопные трубки глушителей всех этих автомобилей воедино и прикиньте, сколько огромных труб ТЭЦ из них получится.

Для обезвреживания угарных газов учеными нашего института разработаны и испытаны самые различные катализаторы – вставки к глушителям. Они были испытаны в нескольких автопарках. Наши катализаторные втулки, прикреп­ленные к выхлопным трубкам автомобилей, обезвреживают выхлопной газ на 100%, переводя СО в СО2, то есть превра­щая ядовитый оксид углерода в безвредный диоксид углерода, которым обычно газируют питьевую воду, лимонад, шампанское.

Патенты на некоторые наши катализаторы закуплены Китаем, причем в качестве лучших катализаторов по сравнению с подобными из США и России. В нашем институте работает производственный цех по выпуску различных катализаторов.

В зарубежных странах, в государствах ЕС, в США, Японии, особенно в мегаполисах, обязательно проверяют выхлопные газы машин и в случае необходимости заставляют заменить катализатор, так как он со временем забивается сажей и масла­ми, особенно если бензин не очень качественный. И в наших городах-мегаполисах тоже необходимо принимать меры для пресечения отравления атмосфе­ры ядовитым угарным газом.

В настоящее время на наших трех нефтеперерабатывающих заводах производится авиационное топливо марок ТС-1 и РТ. Однако подавляющее большинство международных авиа­перевозчиков заправляются авиатопливом марки Jet А-1, которое у нас еще не производится. Наше же авиатопливо не прошло сертификацию, так как в республике нет специализированной организации по сертификации не только марки Jet А-1, но и ТС-1 и РТ.

В связи с этим Министерством энергетики прорабатывается воп­рос по созданию на базе нашего института, имеющего более чем полувековой опыт работы в данной отрасли, сертифицированной по международным требованиям лаборатории. По поручению Премьер-министра Олжаса Бектенова прорабатывается вопрос финансирования для дооснащения материально-технической базы нашего института и создания первого отечественного сертификационного центра авиационного топлива.

Ученые мира возлагают большие надежды на получение элект­роэнергии в ближайшем столетии от установок токомаков – реакторов для осуществления управляемого термоядерного синтеза. Пока удается осуществить такой синтез только в лабораторных условиях и в течение очень короткого промежутка времени, измеряемого секундами. Однако в случае решения человечеством этой проблемы будет реализована давняя мечта ученых всех времен создать perpetuum mobile – вечный двигатель.

В заключение можно отметить, что поиск новых видов топлива учеными мира будет продолжаться. Невозобновляемые виды (уголь, нефть, газ и другие горючие вещества) будут ограничены в связи с истощением их запасов. Возобновляемые источники, в первую очередь энергия солнца и ветра, будут использоваться все шире по мере разработки новых прецизионных материалов, внедрения обновленной техники и нанотехнологических процессов.

Только в условиях полной энергетической обеспеченности можно создать в стране нау­коемкую высокоэффективную экономику. Казахстан, обладая огромной территорией, богатыми природными запасами сырья, полезных ископаемых, высокоразвитым образованием и наукой, имеет все основания для создания благополучной и процветающей страны.