Можно ли уменьшить концентрацию углекислого газа в атмосфере

ХИМИЯ МОЖНО ЛИ УМЕНЬШИТЬ КОНЦЕНТРАЦИЮ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА В АТМОСФЕРЕ М. С. САФОНОВ, Г. В. ЛИСИЧКИН Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

M. S. SAFONOV , G. V. LISICHKIN

© Сафонов М.С., Лисичкин Г.В., 2001

Various, potentially feasible, methods to reduce the carbon dioxide concentration in the Earth atmosphere are described. It is shown that the CO2 content in the atmosphere can be reduced by means of various energy-saving methods, as well as by gradual replacement of organic fuel with the alternative energy sources which contain no carbon dioxide.

40

Рассмотрены различные потенциально возможные способы понижения концентрации углекислого газа в атмосфере Земли. Показано, что уменьшить концентрацию СО2 в атмосфере можно за счет использования различных приемов энергосбережения, а также путем постепенной замены ископаемого органического топлива на альтернативные безуглекислотные источники энергии.

Приведенные на рис. 1 данные неопровержимо свидетельствуют о том, что за последние 200 лет концентрация СО2 выросла на 30% по сравнению с доиндустриальным уровнем. В соответствии с многочисленными прогнозами если не принимать никаких мер, то к середине XXI века вследствие дальнейшего развития энергетики, транспорта и промышленности произойдет удвоение концентрации углекислого газа в атмосфере по сравнению с 1800 годом. Концентрация СО2, ppm

IS IT POSSIBLE TO REDUCE CARBON DIOXIDE CONCENTRATION IN ATMOSPHERE?

Диоксид углерода является постоянным компонентом атмосферного воздуха. Его концентрация в доиндустриальную эпоху составляла около 0,03% (280 ppm). Однако интенсивный рост промышленности в XIX и особенно XX столетии привел к заметному повышению концентрации СО2 в атмосфере. На рис. 1 показан рост концентрации углекислого газа в атмосфере за последнее тысячелетие. В процессе сжигания топлива в топках электростанций и двигателях внутреннего сгорания в атмосферу выбрасывается огромное количество углекислого газа – в пересчете на углерод 6 гигатонн в год, что составляет вполне значимую величину по сравнению с естественным кругооборотом углерода (∼160 Гт/год), обусловленным массообменом атмосферы с океаном и биосферой.

360 340 320 300 280 800

www.issep.rssi.ru

1200

1600

2000 г.

Рис. 1. Изменение концентрации СО2 в атмосфере Земли в течение последних 1000 лет. Измерения, относящиеся к 1000–1900 годам, выполнены по пузырькам воздуха в кернах льда Антарктиды; прямые измерения в течение последнего столетия

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 7 , № 7 , 2 0 0 1

ХИМИЯ УСИЛЕНИЕ ПАРНИКОВОГО ЭФФЕКТА И ДРУГИЕ НЕГАТИВНЫЕ ПОСЛЕДСТВИЯ Водяные пары, углекислый газ, метан и некоторые другие содержащиеся в атмосфере газы поглощают инфракрасное тепловое излучение с поверхности Земли, нагреваемой солнечным светом. В результате происходит разогрев атмосферы, который и называют парниковым эффектом. Интересно, что возможность нарушения теплового баланса Земли в результате накопления углекислого газа, получающегося при производстве энергии, была предсказана еще в 1896 году великим шведским ученым Сванте Аррениусом. Не следует думать, что парниковый эффект – это какое-то новое, не наблюдавшееся раньше явление. Он действует на Земле с тех пор, как появилась атмосфера. Без парникового эффекта средняя температура поверхности Земли была бы ниже 0°С. В наше время эта температура составляет примерно 10°С. Считается, что усиление парникового эффекта может привести к катастрофическому нарушению климатического равновесия, сдвигу климатических поясов, таянию полярных льдов с последующим повышением уровня Мирового океана и затоплением низменных частей суши. Кроме того, можно ожидать возрастания неустойчивости погодных явлений вследствие увлажнения атмосферы (ливни, ураганы, наводнения). Справедливости ради надо отметить, что не все ученые едины в своих оценках влияния техногенной эмиссии СО2 на климат Земли. Некоторые специалисты полагают, что наблюдавшиеся и ранее колебания температуры земной поверхности связаны с естественными природными причинами, такими, как периодическое изменение светимости Солнца, прохождение Солнечной системы через пылевые облака, периодические изменения орбиты Земли и наклон земной оси. Однако даже в том случае, если воздействие выбросов диоксида углерода на климат окажется меньше, чем мы сейчас предполагаем, удвоение его концентрации должно вызвать существенные изменения в биосфере. Изменение соотношения О2 /СО2 может оказать сильное влияние на биологическое равновесие в тонком биосферном слое планеты, поскольку кислород и углекислый газ являются ключевыми субстратами важнейших жизненных процессов. Опасность современной экологической ситуации таится в том, что к резкому изменению состава атмосферы быстрее всего будут адаптироваться простейшие виды организмов; отсюда высокая вероятность появления новых форм болезнетворных микроорганизмов. Этот фактор риска в полной мере может быть отнесен к последствиям сжигания ископаемого органического топлива.

ПРОТОКОЛ КИОТО На межправительственном уровне на конференции ООН по окружающей среде и развитию в Рио-де-Жанейро в 1992 году была принята Конвенция о климате и признана необходимость согласованных мероприятий по сокращению антропогенных выбросов углекислого и других парниковых газов. В декабре 1997 года в Киото (Япония) на III конференции участников Рамочной конвенции ООН по изменению климата был принят протокол, требующий сократить за период до 2008– 2012 годов выбросы парниковых газов на 5% ниже уровня 1990 года. Страны, не превышающие установленный уровень выбросов (к ним относится в нынешний период экономического кризиса и Россия), получают право продажи своих квот. Таким образом ясно, что понижение концентрации диоксида углерода в атмосфере является актуальной задачей, решение которой необходимо для устойчивого развития человеческой цивилизации. Вопрос состоит в том, как это сделать. УТИЛИЗАЦИЯ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА В ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВАХ Для начала попробуем применить чисто химический подход: рассмотрим возможность организации промышленного производства, которое бы потребляло углекислый газ. Сформулируем требования к такому производству. 1. Поскольку суммарный поток техногенного СО2 составляет гигантскую величину – 22 млрд т/год, необходимо, чтобы мощность планируемого производства составляла заметную долю от этой величины. Это должно быть исключительно крупномасштабное производство, так как в противном случае его воздействие не будет заметно. 2. Продуктами такого производства должны быть устойчивые материалы или вещества долговременного пользования, иначе вследствие разложения или окисления вновь получится углекислый газ. Предпочтительно связывать СО2 в стабильные неорганические соединения. 3. Энергоемкость производства должна быть невысокой, иначе поток связываемого углекислого газа будет компенсироваться его эмиссией при производстве требуемой энергии. Теперь попытаемся проанализировать известные сегодня химико-технологические процессы с позиций сформулированных весьма жестких требований. Оказывается, что необходимых нам химических производств не существует. Так, синтез азотного удобрения карбамида (мочевины) 2NH3 + CO2 = H2N–CO–NH2 + H2O,

С А Ф О Н О В М . С . , Л И С И Ч К И Н Г. В . М О Ж Н О Л И У М Е Н Ь Ш И Т Ь К О Н Ц Е Н Т РА Ц И Ю У Г Л Е К И С Л О ГО ГА З А В АТ М О С Ф Е Р Е

41

ХИМИЯ хотя и может быть организован в весьма крупном масштабе – связанный азот нужен почвам повсеместно, – но при ассимиляции мочевины микроорганизмами фермент уреаза вновь превращает мочевину в аммиак (который усваивается растениями) и углекислый газ, возвращающийся в атмосферу. Неоднократно высказывалась точка зрения, будто углекислотная конверсия природного газа позволяет утилизировать промышленные выбросы СО2 и таким образом способствует смягчению проблемы накопления СО2 в атмосфере. Но проследим до конца весь путь превращений углекислого газа. Углекислотный способ превращения метана во вторичное топливо – метанол и монооксид углерода – и процесс последующего сжигания вторичного топлива описываются следующими уравнениями: СН4 + СО2 = 2СО + 2Н2 , СО + 2Н2 = СН3ОН, СН3ОН + СО + 2О2 = 2СО2 + 2Н2О, СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О Брутто-превращение метана выражается той же короткой схемой, что и прямое его сжигание. Легко показать, что к этой же брутто-схеме сводятся и варианты паровой и пароуглекислотной конверсии метана с последующим сжиганием полученных топлив: СН4 + Н2О

СО + 3Н2 СН3ОН + Н2 СО2 + 3Н2О,

СН4 + 1/3(СО2 + 2Н2О) 4/3СН3ОН

2O2

4/3 (СО + 2Н2)

2O2

4/3(СО2 + 2Н2O)

Таким образом, в любых вариантах из 1 моля метана в итоге продуцируется 1 моль СО2 . Значит, процессы получения топлива с использованием углекислого газа не могут понизить его содержание в атмосфере. Другое дело, что дальнейшее усовершенствование процессов паровой и углекислотной конверсии природного газа остается важной технологической задачей повышения эффективности использования топлива. ЗАХОРОНЕНИЕ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА Нельзя ли избавиться от избытка СО2 , закачав его в глубинные геологические структуры? На некоторых нефтяных месторождениях в США этот прием успешно используют для повышения нефтеотдачи. Известно, что при добыче нефти около половины ее остается в залежи из-за понижения пластовой энергии. Чтобы вытеснить нефть из продуктивного горизонта, в него за-

42

качивают горячую воду, пар, растворы поверхностноактивных веществ или углекислый газ. Казалось бы, таким способом можно решить сразу две задачи: увеличить добычу нефти и понизить эмиссию техногенного СО2 в атмосферу. Однако емкость нефтяного месторождения (даже крупного) относительно невелика по сравнению с эмиссией СО2 , и расчеты показывают, что для достижения значимых результатов надо, чтобы на всех основных нефтяных месторождениях Земли интенсивно использовали этот способ увеличения нефтеотдачи. Поскольку в настоящее время мировые запасы нефти еще велики, нефтяные компании пока могут обходиться без широкого применения углекислого газа. Емкость газовых месторождений выше, чем нефтяных. Напомним, например, что в лучшие годы на Оренбургском месторождении природного газа его добывалось около 40 млрд м3 в год. Понятно, что пока идет добыча природного газа, закачивать в продуктивный горизонт диоксид углерода нельзя, но после исчерпания запасов газа такая возможность возникает. В литературе обсуждаются также различные проекты закачивания СО2 в океанские глубины, в том числе в геологические пласты, находящиеся под дном моря. Перед реализацией крупномасштабных проектов захоронения СО2 встает несколько проблем: концентрирование его из дымовых газов энергоустановок; дальний трубопроводный транспорт СО2 ; сама технология захоронения. Первая проблема решаемая. Разработаны схемы газотурбинных установок, использующих в качестве окислителя не воздух, а кислород, а в качестве рабочего тела в замкнутом контуре – продукты окисления топлива, в результате на выходе установки получается концентрированный СО2 . Важно, что такая схема имеет помимо экологических еще и термодинамические преимущества [1]. Однако развертывание сети сбора, транспортировки и захоронения СО2 равносильно созданию самостоятельной промышленной отрасли, сравнимой по масштабам с самой нефтегазовой промышленностью, что представляется экономически неразрешимой задачей. Таким образом, в настоящее время задача понижения концентрации углекислого газа в атмосфере путем его захоронения не может быть решена. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО ТОПЛИВА Прежде всего заметим, что если количество СО2 , образующегося при сгорании каменного угля, мазута и природного газа, отнести к единице освобождаемой энергии, то окажется, что самым выгодным топливом является природный газ. Поэтому расширение использования в

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 7 , № 7 , 2 0 0 1

ХИМИЯ качестве топлива природного газа представляет собой важный путь понижения эмиссии СО2 . Понятно, что, чем эффективнее используется топливо, тем меньше удельная величина выбросов углекислого газа в атмосферу. Поэтому кардинальным направлением снижения эмиссии СО2 является энергосбережение. Кратко рассмотрим теоретические основы проблемы повышения эффективности использования энергоресурсов. Термодинамика различает два вида потерь энергии: потери количества энергии, определяемые по первому закону термодинамики, и потери качества энергии, характеризуемые вторым законом. К первому типу относятся потери, связанные с переходом энергии в окружающую среду. Минимизация этих потерь, обусловленных, например, плохой теплоизоляцией теплотрасс, жилых и производственных помещений, неэкономным электроосвещением, неполной утилизацией тепла дымовых газов, в большей степени есть задача производственной и бытовой культуры. Борьба с потерями второго типа основывается на фундаментальном теоретическом подходе к вопросам совершенствования технологических систем. Для количественного выражения потерь качества энергии введена особая термодинамическая функция – эксергия, определяемая через классические термодинамические функции как E = H − T0S, где Т0 – температура окружающей среды, H – энтальпия, S – энтропия. Для систем с конечным числом входов и выходов материальных потоков (к таковым относится большинство технологических систем) из второго закона термодинамики строго следует, что полная работа, которая потенциально может быть произведена при преобразовании совокупного материального потока из состояния 1 (исходные вещества) в состояние 2 (конечные продукты), выражается как W(1

2) = E1 − E2 − D,

где Е1 и Е2 – эксергия перерабатываемых веществ в состояниях 1 и 2; D – потери эксергии. Последние равны производству энтропии в системе, умноженному на Т0 , и обусловлены необратимостью протекающих в системе процессов [2]. Чем выше потери эксергии, тем в большей степени обесцениваются запасы химической, тепловой или механической энергии, первоначально содержащейся в сырьевом потоке. Эксергетический анализ выполняет роль индикатора неиспользованных энергетических ресурсов. Подсчитывая потери эксергии в различных системах, в которых осуществляются те или иные преобразования вещества и энергии, можно выделить наиболее неэффективные в термодинамическом отношении технологии и наиболее слабые их звенья.

Показательно, что даже в такой высокоразвитой стране, как Япония, уровень потерь эксергии чрезвычайно велик. Так, по данным [3], эксергия расходуемых Японией первичных энергоресурсов составляет 18 эксаджоулей (1 ЭДж = 1018 Дж), в то время как эксергия конечных продуктов производства, поступающих к потребителю, равна 3,8 ЭДж, то есть потери эксергии составляют около 80%. Наибольшие потери эксергии приходятся на тепловые электростанции с паротурбинным циклом, для которых коэффициент преобразования эксергии топлива в электроэнергию равен 38%, на транспорт и обеспечение бытовых потребностей: электроосвещение, отопление, кондиционирование воздуха. Огромные потери эксергии происходят по той причине, что для поддержания комфортных температурных условий достаточно было бы использовать энергоносители самого умеренного потенциала (по отношению к окружающей среде), а расходуется высокопотенциальное химическое топливо. Анализ структуры производства энтропии в химическом процессе № 1 техносферы – сжигании органического топлива – показывает, что одним из главных источников потерь эксергии являются неравновесные условия окисления топлива. Из-за крайне неравновесных условий окисления топлива в топках паротурбинных и камерах сгорания газотурбинных энергоустановок (а сегодня это два основных типа устройств для генерации электричества) теряется от 30 до 40% эксергии топлива. Для того чтобы траекторию процесса окисления органического топлива приблизить к равновесной, надо использовать три фактора: 1) повышение температуры (что давно применяется по мере появления новых жаропрочных материалов); 2) осуществление промежуточной пароуглекислотной каталитической конверсии топлива с последующим окислением продуктов конверсии; 3) сопряжение каталитического окисления топлива с расширением реакционной смеси в едином процессе. Применение второго и третьего факторов теоретически позволяет снизить потери примерно до 16% [4] (при максимальной температуре в цикле 1500 К). Общий вывод, вытекающий из анализа термодинамических данных, состоит в том, что существуют огромные резервы повышения эффективности использования уже освоенных энергоресурсов, а значит, и снижения количества СО2 в расчете на единицу полезно использованной энергии. БЕЗУГЛЕКИСЛОТНАЯ ЭНЕРГЕТИКА Как следует из табл. 1, сегодня 86% энергии на нашей планете генерируется за счет горючих ископаемых. Согласно прогнозам, к середине XXI века потребление

С А Ф О Н О В М . С . , Л И С И Ч К И Н Г. В . М О Ж Н О Л И У М Е Н Ь Ш И Т Ь К О Н Ц Е Н Т РА Ц И Ю У Г Л Е К И С Л О ГО ГА З А В АТ М О С Ф Е Р Е

43

ХИМИЯ Таблица 1. Вклад различных энергетических ресурсов в мировую энергетику Источник энергии Уголь Природный газ Сырая нефть АЭС ГЭС Остальные источники

Мощность источника Доля от полной мощности, % энергии, 1012 Вт 3,00 2,81 4,39 0,75 0,81 0,05

25,40 23,74 37,15 6,37 6,88 0,46

энергии на Земле возрастет примерно в 2,5 раза и вырастет от 12 ⋅ 1012 до ∼ 30 ⋅ 1012 Вт. Следовательно, эмиссия СО2 , если не предпринимать никаких мер, возрастет в той же мере. Напрашивается выход из складывающейся неблагоприятной ситуации: давайте развивать безуглекислотную энергетику, которая не связана со сжиганием ископаемого топлива, то есть будем строить атомные электростанции, гидроэлектростанции, интенсифицируем исследования и технологические разработки в области управляемого термоядерного синтеза и тех видов энергетики, которые называют альтернативными: солнечную, ветровую, геотермальную, приливно-отливную. Рассматривая перспективы того или иного источника энергии, заметим, что ключевой момент при анализе возможных вариантов развития любой системы – нахождение критериев отбора оптимальных вариантов. Для выбора перспективных направлений замещения ископаемого органического топлива иными первичными энергоносителями значимыми являются такие критерии: 1) потенциальная мощность источника; 2) удельные затраты конструкционных и функциональных материалов для реализации технологии преобразования данной формы энергии в универсальный энергоноситель – электричество; 3) суммарный ущерб, наносимый биосфере за весь жизненный цикл данной технологии, то есть за весь период эксплуатации технологического объекта, включая утилизацию физически и/или морально устаревшего оборудования и рекультивацию территории. Ни один из двух широко используемых сегодня видов безуглекислотной энергетики – гидроэнергетика и ядерная энергетика – не удовлетворяет перечисленным критериям. Гидроэнергия активно вырабатывается около столетия, и ее доля в мировой энергетике составляет 7%. К настоящему времени большая часть речных ресурсов уже освоена. Дальнейший рост производства гидроэнергии лимитируется, с одной стороны, весьма значи-

44

тельными капитальными затратами, необходимыми для строительства крупных ГЭС, с другой – тем обстоятельством, что перекрытие крупных рек сопряжено с неблагоприятными экологическими последствиями (что отчетливо видно на примере Волги, энергетический потенциал которой практически исчерпан). Поэтому следует ожидать, что доля гидроэнергии в суммарном производстве энергии увеличится лишь незначительно. Потенциальная мощность энергетики ядерного деления хотя и небезгранична, но все же очень велика. Однако стоимость электричества, вырабатываемого АЭС, оценивается в настоящее время по капитальным затратам на их строительство. Между тем в эту стоимость должны быть включены и затраты, которые придется нести следующим поколениям на демонтаж и захоронение отслужившего свой срок облученного оборудования АЭС и отработанных тепловыделяющих элементов. Не учитывается также цена риска расползания радиоактивного заражения окружающей среды в результате природных катаклизмов и технологических аварий, то есть современная ядерная энергетика не удовлетворяет третьему из приведенных выше критериев. Так называемая альтернативная энергетика пока еще составляет доли процента в общем энергетическом балансе Земли. Различные ее виды интенсивно развиваются, и можно надеяться, что через одно-два десятилетия стоимость альтернативного электричества сравняется с традиционным. Тем не менее на полномасштабную замену энергии горючих ископаемых таким энергоносителями, как ветер, тепло Земли и энергия морских приливов, рассчитывать нельзя [5]. Многочисленные неблагоприятные факторы, сопутствующие использованию энергии ветра, – необходимость отчуждения больших территорий для крупных ветроэлектростанций, высокая материалоемкость «ветряных мельниц», сложность аккумулирования энергии ветра, негативное влияние ветроустановок на окружающую среду (помехи для радиоволн, интенсивные звуковые колебания, в том числе в инфразвуковом диапазоне, изменение розы ветров) – в сочетании с недостаточным суммарным энергетическим потенциалом приводят к выводу о непригодности ветра для адекватной замены углеводородного топлива. Геотермальная энергия уже используется в тектонически активных районах (Исландия, Мексика, Япония, Камчатка), и масштабы ее утилизации, несомненно, будут расти. Однако рассчитывать на глобальное замещение горючих ископаемых геотермальными источниками не приходится из-за недостаточности энергетического потенциала этого источника, приуроченности его лишь к небольшому числу регионов, а также из-за серьезных экологических проблем, возникающих при отборе и сбросе необходимых для работы крупной

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 7 , № 7 , 2 0 0 1

ХИМИЯ ГеоТЭС гигантских объемов горячей и обычно минерализованной воды. Экологические трудности в случае крупномасштабной геотермальной энергетики усугубляются еще и тем, что выход геотерм сопровождается потоком токсичных газов. Что касается приливно-отливных ГЭС, то несколько экспериментальных станций функционируют в некоторых странах, в том числе и в Мурманской области в России. Строить такие сооружения целесообразно на морских побережьях с высоким уровнем приливов. Расчеты показывают, что для генерации мощностей порядка гигаватт необходимо строить в таких районах плотины длиной около 50 км, перегораживающие морской залив. Стоимость таких сооружений составит десятки миллиардов долларов. При этом опять-таки возникают экологические проблемы, связанные, например, с препятствиями для естественной миграции гидробионтов. К сказанному необходимо добавить, что широкомасштабное использование любого нового первичного источника энергии требует создания новой подотрасли промышленности, функционирование которой включает добычу сырья и его переработку, изготовление, а в итоге утилизацию оборудования. Ясно, что новая подотрасль станет новым дополнительным источником загрязнения окружающей среды. В научной и особенно в научно-популярной литературе много надежд возлагается на водородную энергетику (иногда даже употребляют термин “водородная экономика”), которая должна в предвидимом будущем получить широкое распространение. Энтузиасты водородной энергетики акцентируют внимание на ее экологической чистоте – при горении водорода образуется только вода. Не вдаваясь в детали, заметим только, что водород является вторичным энергоносителем, для его получения нужна первичная энергия и всерьез о крупномасштабном использовании водорода для энергетических целей можно будет ставить вопрос лишь после того, как появится технически реальный, экономически выгодный и экологически безопасный способ получения водорода без затрат органического топлива. Уже около 50 лет в развитых странах ведутся работы по управляемому термоядерному синтезу (УТС), который может служить практически неограниченным источником энергии. Несмотря на то что задача промышленного освоения энергии слияния легких ядер оказалась намного сложнее, чем это предполагалось вначале, полученные результаты показывают, что цель достижима. Самая большая экспериментальная термоядерная установка – Европейский токамак JET – уже работает на грани положительного выхода, когда полученная мощность термоядерных реакций в дейтериево-тритиевой плазме равна мощности, затрачиваемой

на ее нагрев. По-видимому, до промышленной реализации УТС должно пройти еще несколько десятилетий, но физики, работающие в этой области, уверены в успехе (см. [6, 8]). Заметим, что энергетика, основанная на УТС, свободна от эмиссии углекислого и других парниковых газов, но, как и любые другие виды энергетики, отнюдь не безгрешна в экологическом отношении. Крупномасштабный УТС влечет за собой необходимость утилизации трития, захоронения облученного оборудования (которое к тому же быстро корродирует в условиях экстремальных воздействий), а также тепловое загрязнение окружающей среды. СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОМАССЫ С позиций концепции устойчивого развития прямое либо опосредованное (через фотосинтез биомассы) использование поступающей на Землю солнечной энергии – в перспективе наиболее надежный и безопасный путь решения проблемы обеспечения энергией человеческой цивилизации [7]. Современные технологии прямого преобразования солнечной энергии (см. [9]) пока требуют значительных удельных затрат дорогостоящих материалов. Однако наблюдается неуклонный прогресс в понижении стоимости произведенной электроэнергии. Во многих южных странах солнечная энергия достаточно широко применяется для бытовых целей. Принципиальная трудность солнечной энергетики состоит в том, что энергия вырабатывается только в дневное время. Поэтому использование солнечного света для базового крупномасштабного производства энергии требует создания систем аккумулирования энергии, которые запасают энергию днем и отдают ее в темное время суток. Один из вариантов – аккумулирование энергии химическими энергоносителями. В географических зонах умеренной или низкой солнечной радиации, к каким относится и основная часть территории России, предпочтительным представляется использование дарованного природой механизма преобразования рассеянной солнечной энергии в высококонцентрированное топливо – растительную биомассу. Важно понимать, что сжигание биомассы не нарушает баланса диоксида углерода, так как при росте зеленое растение потребляет его из атмосферы, а при сжигании топлива углекислый газ образуется в том же количестве. Схема включения подсистемы энергетического использования биомассы в кругооборот углерода атмосфера – биосфера изображена на рис. 2.

С А Ф О Н О В М . С . , Л И С И Ч К И Н Г. В . М О Ж Н О Л И У М Е Н Ь Ш И Т Ь К О Н Ц Е Н Т РА Ц И Ю У Г Л Е К И С Л О ГО ГА З А В АТ М О С Ф Е Р Е

45

ХИМИЯ Атмосфера Продовольствие CO2

CO2 Животноводство Растительная масса

Органический синтез

Энергетика, транспорт

Можно надеяться, что за период газовой паузы, продолжительность которой оценивается в 50–80 лет, будут осуществлены крупномасштабные проекты производства безуглекислотной энергии. Результатом развития земной энергетики должна стать питаемая Солнцем общепланетная безотходная система, в которой зациклены все потоки вещества и энергии. ЛИТЕРАТУРА

Материалы

1. Сафонов М.С., Грановский М.С., Пожарский С.Б. // Докл. АН. 1993. Т. 328, № 2. С. 202. Конверсия биомассы N, P, K Питательные вещества

CH3OH Синтетическое жидкое топливо

Рис. 2. Схема включения подсистемы энергетического использования биомассы в кругооборот углерода атмосфера – биосфера

3. Wall G. // Energy. 1990. Vol. 15, № 5. Р. 435. 4. Сафонов М.С., Грановский М.С., Пожарский С.Б. // Журн. физ. химии. 2000. Т. 74, № 5. С. 850. 5. Лисичкин Г.В. // Рос. хим. журн. 1997. Т. 41, № 6. С. 78. 6. Путвинский С.В. // Успехи физ. наук. 1998. Т. 168, № 11. С. 1235.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Итак, человечество располагает реальными возможностями борьбы с парниковым эффектом путем снижения концентрации углекислого газа в атмосфере. Вопервых, это повышение эффективности использования органического топлива, энергосбережение, кратное снижение потерь эксергии первичных и вторичных энергоресурсов в основных энергопотребляющих сферах экономики. Во-вторых, это развитие различных видов альтернативной энергетики с упором на широкое использование биомассы растений для производства жидкого топлива. Понятно, что замещение ископаемого топлива иными первичными энергоресурсами – сложнейшая общеэкономическая задача, которая требует нескольких десятилетий и может решаться только поэтапно. Уже начавшийся первый этап перехода к безуглекислотной энергетике получил название “газовой паузы”. Она состоит в постепенном увеличении доли природного газа по отношению к нефти и углю в топливном балансе. Как было упомянуто, метан является наиболее щадящим атмосферу топливом. Напомним, что запасы природного газа с учетом газовых гидратов превышают запасы всех других вместе взятых горючих ископаемых. Важной составляющей этого этапа будет замещение нефтяного транспортного топлива синтетическим, полученным из природного газа. Оптимизация процессов получения жидкого топлива из синтезгаза облегчит в дальнейшем вхождение в экономику топлива, произведенного из растительной биомассы.

46

2. Хейвуд Р. Термодинамика равновесных процессов: Пер. с англ. М.: Мир, 1983.

7. Сафонов М.С., Лисичкин Г.В. // Рос. хим. журн. 2000. Т. 44, № 4. С. 72. 8. Бойко В.И. Управляемый термоядерный синтез и проблемы инерциального термоядерного синтеза // Соросовский Образовательный Журнал. 1999. № 6. С. 97–104. 9. Андреев В.М. Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии // Там же. 1996. № 7. С. 93–98.

Рецензент статьи Б.Д. Сумм *** Михаил Семенович Сафонов, доктор химических наук, профессор, зав. кафедрой химической технологии химического факультета МГУ. Член рабочей группы по охране окружающей среды Европейской федерации инженерной химии. Область научных интересов – теоретические основы химической технологии, химическая макрокинетика, химическая энергетика. Автор трех книг, двух учебных пособий и более 200 научных публикаций и изобретений. Георгий Васильевич Лисичкин, доктор химических наук, профессор, зав. лабораторией органического катализа кафедры химии нефти и органического катализа химического факультета МГУ. Лауреат Ломоносовской премии, награжден медалью С.И. Вавилова, премией Совета Министров СССР. Область научных интересов – химия поверхности, гетерогенный катализ, экологические проблемы энергетики. Вместе с учениками и сотрудниками опубликовал шесть книг, около 400 статей, автор 70 изобретений.

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 7 , № 7 , 2 0 0 1