Хімія і постачання людства енергією
Г. Заїка, доктор хімічних наук
Скільки ж палива залишилося на землі?
Бурхливо розвивається промисловість в XX столітті вимагала все більших енергетичних затре. Видобуток вугілля, нафти, а потім і природного газу йшла всезростаючі темпами. Колись ці джерела енергії здавалися невичерпними. Правда, освоєння нових родовищ ставало справою все більш важким: за вугіллям, нафтою, газом доводилося йти все далі на північ і схід, спрямовуватися все глибше в надра Землі, а вартість їх все підвищувалася.
В 1973. 1974 роках вибухнула нафтова криза. Різко зросли ціни на нафту. Головні тому причини носили політичний характер. Але, привертаючи до себе загострену увагу, криза спричинила за собою також і дискусії про перспективи видобутку енергетичної сировини. У їх ході стверджувалося, що нафти і газу в надрах планети залишилося лише на кілька десятиліть: нафти - близько 80 мільярдів тонн, газу - близько 65 трильйонів кубометрів.
Щоб оцінити ці цифри, зауважимо, що щорічне світове споживання нафти нині становить близько 3 мільярдів тонн, газу - близько 2 мільярдів кубометрів.
Ці висновки (занадто песимістичні, як ми побачимо нижче) мали і свої позитивні наслідки. Гаслом дня стало максимальне збереження енергетичних ресурсів. Вчені й інженери стали приділяти Більше уваги розробкам все менш енергоємних технологічних процесів, створили і продовжують створювати все більш економічні двигуни (автомобільні, літакові і т.д.), шукають нові джерела енергії та способи їх освоєння. У переліку цих джерел - сланці, нафтові піски, деревина, торф, відходи сільськогосподарського виробництва.
Зупинимося заради прикладу на рослинному енергетичному сировину. Основна його перевага в тому що воно являє собою поновлюване джерело енергії. Щороку на нашій планеті зелена біомаса приростає на 117 мільярдів тонн (в сухій вазі), в тому числі на 80 мільярдів тонн в лісах, на 18 мільярдів тонн в савані і степах, на 9 мільярдів тонн на оброблюваних полях, на стільки ж в пустелях , в тундрі і на болотах. Енергія, яку має таку кількість біомаси, становить 1,75 × 10 21 джоулів, що еквівалентно приблизно 40 мільярдам тонн нафти. Загальні ж запаси рослинної біомаси на Землі налічують понад 1800 мільярдів тонн, що еквівалентно 640 мільярдам тонн нафти.
Коли нафтової криза минула, експерти повторно взялися за оцінки. Спокійно і неквапливо поміркувавши, підрахувавши запаси палива на Землі більш точно, вчені зійшлися в думці, що нафти в надрах планети насправді більше, ніж здавалося в середині 70-х років: близько 200 мільярдів тонн, з них твердо розвіданих запасів - близько 110 мільярдів тонн. Тому світовий обсяг нафтовидобутку в найближчим часом може залишатися на нинішньому рівні (близько трьох мільярдів тонн на рік) і навіть кілька підвищуватися. І якщо раніше, в роки кризи, вважалося, що максимум нафтовидобутку доведеться на 80-е роки, далі вона піде на спад і до 2080 року на Землі не залишиться ні краплі нафти, то тепер картина вимальовується в більш Відрадному світлі. Згідно з матеріалами Міжнародної конференції КЕМРОН (Гаага, 1984 р), максимум видобутку нафти припаде на 10-е роки майбутнього століття і в цей час її буде добуватися на 25 відсотків більше, ніж сьогодні, проте до 2120. 2130 році запаси нафти вичерпаються повністю.
Вважають, що нафта ще тривалий час залишатиметься основним джерелом енергії. Її видобуток, звичайно, буде все ускладнюватися. Уже зараз третина всієї нафти добувається з дна морів, і саме цей спосіб буде превалювати, хоча він доріг і стає все дорожче. Якщо двадцять років тому техніка дозволяла діставати нафту в море з глибини 200 метрів, то десять років тому ця цифра подвоїлася, а зараз є можливість бурити підводні нафтові свердловини на глибину до двох кілометрів.
Ще більш оптимістичні прогнози щодо природного газу в порівнянні з тими, що давалися в 70-х роках. Загальні його запаси зараз вважаються рівними 250 трильйонів кубометрів, причому твердо розвідані - 80. 90 трильйонів кубометрів. Максимальна кількість газу буде, ймовірно, видобуватимуться в 2040 році - в два рази більше, ніж сьогодні. Потім почнеться спад, але ще в 2150 році, як вважають експерти, газ буде добуватися в розмірах 15. 20 відсотків від видобутку сьогоднішньої.
Нафта з вугілля
Вугілля - надійне джерело енергії, але, на жаль, не найзручніший. Рідке паливо найбільш технологічно, менш забруднює навколишнє середовище, нарешті, до нього звикли і пристосувалися в самих різних галузях техніки: наприклад, майже вся кількість палива, споживаного сьогодні в розвинених країнах на транспорті, Отримують з нафти.
Таке зіставлення джерел енергії вже давно привело вчених до ідеї створити способи переробки вугілля в рідке паливо, еквівалентне нафти.
Ось один з найбільш посилено розробляються сьогодні способів. У присутності кисню і водяної пари вугілля спалюють. Газ є сумішшю водню і оксидів вуглецю. Далі в присутності каталізаторів компоненти цієї суміші вступають між собою в реакцію гідрогенізації. У підсумку виходить метиловий спирт (метанол, як коротко називають його хіміки; зауважимо попутно, що він являє собою четвертий за обсягом світового виробництва і, отже, дуже важливий продукт органічної хімії). З метанолу же можна отримати справжній замінник нафтового палива - суміш вуглеводнів, подібну за своїми характеристиками з високосортним нафтовим паливом. Для цього необхідно провести певну перебудову молекул метанолу на каталізаторах. По ходу перебудови в якості побічного продукту виходить багато води. Її потрібно відокремити від утворюється палива. Питання це нелегкий, але принципово вже вирішене, хоча і таким шляхом, що отримується замінник нафти ще дуже дорогий. Потрібно шукати більш дешеві способи а заодно працювати над підвищенням ефективності і довговічності каталізаторів, збільшенням виходу цільових продуктів і т д. Проблеми тут не тільки технологічні, але і наукові, що вимагають активної участі хіміків. Треба краще знати структуру вугілля, природу існуючих в ньому хімічних зв'язків, його реакційну здатність. Все це дозволить підбирати найкращі каталізатори і направляти реакції за оптимальними шляхами.
В останні роки великих успіхів в області газифікації вугілля і отримання рідкого палива домоглися вчені з Московського інституту горючих копалин. У всьому світі отримали визнання застосовуються в подібних процесах селективні цеолітні каталізатори, в розробку яких вніс вагомий вклад академік Х.М. Мінача, що працює в Інституті органічної хімії АН СРСР. Фірма «Мобіл Ойл» отримує на цеолітних каталізаторах паливо високої якості, яке неможливо отримати іншими способами. З 1000 тонн метанолу при цьому утворюється 438 кілограмів вуглеводнів і 562 кілограми води. В кінцевому підсумку можна отримувати і високооктановий бензин, і гас, і дизельне паливо.
Відомий і прямий спосіб скраплення вугілля Тут спочатку готується кашка з подрібненого вугілля з добавкою нафти Потім при високих температурах і тисках в присутності каталізатора (а в деяких варіантах процесу - ще і водню).
В цьому напрямку вчені просунулися вперед настільки, що вже є напівпромислові установки, що реалізують цей процес. Вони побудовані в США, ФРН, а також в Австралії (у співпраці з японськими фірмами). Однак до сих пір ще немає жодного рентабельного заводу зі зрідження вугілля прямим способом. Показником рентабельності був би той факт, що подібний завод забезпечував би себе енергією і воднем, який необхідний для доведення вуглеводневих молекул до потрібної величини і структури. Для цього необхідно щоб вихід рідкого продукту був не менше 50 відсотків. Інша важлива і поки не вирішена проблема - відділення продуктів реакції від непрореагировавшего вугілля і золи Неясно також, як використовувати великі відходи процесу.
Великої уваги заслуговують сланці і нафтові піски як майбутні джерела енергії Адже їх вистачило б людству на добру тисячу років В освоєнні сланців провідне місце в світі займає наша країна фундаментальні принципи отримання цінних продуктів зі сланців (не тільки для енергетики, але також для нафтохімії і органічного синтезу ) закладені роботами естонських вчених і науковців з Ленінградського технологічного інституту.
паливні плантації
Для отримання рідкого палива, що заміняє нафту, зрозуміло можна використовувати не тільки вугілля Голландський хімік С. де Вітт доводить що цілком успішні результати досяжні, якщо брати за основу деякі види тропічних рослин. У практичних дослідах досі вдалося отримати за рік трохи більше кубометра ерзац-нафти з гектара, засіяного такими рослинами. Однак вчені вважають, що біотехнологія дозволить підвищити «врожайність» нафтових плантацій в два-три рази.
Якщо розцінювати подібні експерименти в плані узагальнення, то можна передбачити, що в майбутньому багато десятків тисяч гектарів малоцінних земель і лісів стануть джерелами рідкого палива.
Переробка зеленої біомаси в паливо полягає в газифікації деревини та ферментації цукрів. В якості цільового продукту необов'язково мати на увазі лише вуглеводні. Відомі й інші органічні речовини, які за своїми енергетичними властивостями близькі до нафти: ефіри, кетони або спирти (метанол, етанол, бутанол). Спирти мають дуже високе октанове число, що є найважливішою метою при розробці замінників високоякісного палива.
Ферментацією відходів цукрової тростини тільки в 1981 році в Бразилії було отримано 4,2 мільйона літрів етанолу. На цьому паливі працюють всі автобуси найбільших бразильських міст Сан-Паулу і Ріо-де-Жанейро, а також багато автомобілів в цілому по країні. У США етанол отримують з відходів кукурудзи. На Філіппінах масло кокосових горіхів змішують з дизельним паливом. В 1982. 1983 роках це дозволило заощадити країні 2,2 відсотка дизельного палива.
У ряді країн з сільськогосподарських відходів отримують метан, який потім використовують як паливо. На філіппінському острові Лусон так працює котельня, що подає гарячу воду в сто будинків цілий рік.
Перспективи практичного розвитку цих експериментальних розробок нерівноцінні. Метанол можна отримувати з будь-якої сировини, що містить вуглець і водень, - з вугілля та деревини, природного газу і сланців, торфу та відходів переробки нафти. Етанол як паливо близький за своїми характеристиками до метанолу, але дорожче, оскільки його виробництво відрізняється більшою енергоємністю. Бутанол - паливо з більш високими характеристиками, але його виробництво складніше. Який зі згаданих процесів отримає найбільше визнання в майбутньому, покаже час.
Ще одна перевага волоських горіхів
Зараз освоюються такі ресурси, які до недавнього часу взагалі не розглядалися як джерела енергії. У хід пішли «альтернативи альтернативам» - від мигдальної шкарлупи до персикових кісточок. І не без успіху. «Сан Даймонд Гроверс оф Каліфорнія» виробляє 4,5 мегават електроенергії за рахунок спалювання шкаралупи волоських горіхів - побічний продукт їх переробки. Таким чином, протягом року економиться 11 тисяч тонн нафти. Як заявив один з керівників компанії, «волоський горіх дає чудову і не забруднює навколишнє середовище паливо, воно не містить сірки і дає дуже мало золи». Фірма «Імотек інкорпорейшн» виробляє 8,5 мегават електроенергії шляхом спалювання мигдальної шкарлупи, кісточок персиків і слив.
Ще один нетрадиційний джерело енергії - побутові відходи. У світі понад 100 мільйонів тонн таких відходів спалюється в печах з регенерацією енергії. Це, звичайно, мізерна кількість в порівнянні зі сміттям, який все ще вивозиться на звалища, представляючи чималу небезпеку для навколишнього середовища. Небезпечно, втім, і просте спалювання сміття: при сучасному рівні очищення відходять гази не втрачають своєї шкідливості. В даний час хіміки багатьох країн працюють над вдосконаленням фільтрів, що уловлюють шкідливі речовини з газів. З газоподібних продуктів, спалювання сміття необхідно видаляти сажу, хлористий водень, оксиди азоту, двоокис сірки і т.д. Що стосується методів вловлювання, то вони вже розроблені. Питання лише в тому, як зробити їх більш дешевими, надійними, довго працюють.
Особлива увага приділяється зараз піролізу (термічного розкладання) сміття і лолученію з нього газоподібного палива. Поки тут великих успіхів немає, так як склад побутових відходів неоднорідний, і тому важко підбирати і регулювати оптимальний режим піролізу. Крім того, в смітті багато шкідливих домішок. Пропонується виділяти з нього найбільш горючі компоненти - папір, картон, пластики - і пресувати їх в брикети. Такі брикети по теплотворення порівнянні з бурим вугіллям.
Як вважають експерти, вдосконалена переробка побутових відходів (як в енергію, так і сировину) дозволить тільки Західній Європі досягти щорічної економії близько 14 мільярдів доларів. Поділ відходів повинно відбуватися вже на дому: в одні контейнери потрібно скидати харчові відходи, в інші - папір і т.д. Такий шлях, передбачає високу свідомість населення щодо охорони навколишнього середовища та економії сировини та енергії.
Теплі будинки без опалення
Випромінювання Сонця в наші дні займає в балансі енергетиків таке ж становище, як нафта в середині минулого століття, коли переважали вугілля, торф і дрова.
Однак уже сьогодні струм, що виробляється Сонцем, вливається тонкою цівкою в енергетичний потік для потреб людства. Кремнієві пластинки перетворять сонячне світло в електроенергію. Фахівці переконані, що до 2060 року частка енергії Сонця на світовому енергетичному ринку перевищить 50 відсотків.
На вершинах Гімалаїв сонячні батареї заряджають нікель-кадмієві акумулятори альпіністів. У пустелях Єгипту вони живлять іригаційні насоси, а в Віддалених районах Австралії - електричні огорожі для овець. У будинках японських селян вони гріють воду і дають електрострум. Сонячні печі для підігріву води прижилися в середньоазіатських республіках нашої країни.
До недавнього часу через високу вартість сонячних елементів вони застосовувалися або в космонавтиці, або в місцевостях, віддалених від ліній електропередач, або в особливих видах виробів, де витрати енергії мінімальні. Зараз ціна на ці елементи швидко падає: за останні 10 років вона знизилася в 3,5 рази. У цьому заслуга хіміків, які розробили нові способи отримання кремнієвих сонячних елементів.
Зазвичай сонячні елементи виготовляють з монокристалічних кремнієвих стрижнів, вирощуваних в лабораторії. Їх поділяють на маленькі пластинки, які потім збирають в панелі. Зараз все більша увага приділяється полікристалічного та аморфному кремнію. Йому надають форму плівки товщиною 1 мікрометр. ККД елементів на аморфному кремнії складає 6. 10 відсотків, а на монокристалі - 12. 16 відсотків, але перші значно дешевше, так як для їх створення не потрібно матеріал високої чистоти.
Цілком ймовірно, що для наших квартир і виробничих приміщень в найближчому майбутньому не знадобиться стільки тепла, як сьогодні. Зараз ведеться розробка нового будівельного матеріалу, покликаного забезпечити 50-відсоткову економію теплової енергії при обігріві будівель. Найважливіша властивість нового матеріалу полягає в тому, що він пропускає сонячне світло, але затримує тепло. Стінки будівлі, вкриті прозорими панелями з цього матеріалу, обігріваються сонячною енергією. При цьому не відбувається зворотного віддачі тепла. Шлях накопиченої теплової енергії відкритий тільки всередину будівлі. Навіть в холодну пору Сонце буде поставляти значну частину тепла, необхідну для обігріву будівлі.
У статті порушені лише деякі питання постачання людства енергією. Не слід думати, ніби хіміки не беруть участі в розробці інших, які не згаданих тут джерел енергії. Наприклад, ядерна енергетика починає освоювати торій. Тут необхідна допомога радиохимиков. Стан води у водосховищах, зобов'язаних своєю появою гідроенергетиці, - предмет турбот гідрохіміків. Словом, хіміки вносять значний вклад в реалізацію енергетичної програми людства.
Наука і життя. 1986. №3.