Резкий скачок цен на нефть в очередной раз вызвал к жизни дискуссии о будущем развитии топливной сферы и о том, как мир будущего будет обеспечивать свои потребности в топливе.
Пока высказаны, в основном, мнения апокалипсического свойства, — что человечество в будущем ожидает истощение нефти, и связанное с этим сокращение потребление энергии и экономический регресс. Более оптимистично настроенные эксперты высказывают мысль о постепенном изменении топливного баланса, когда из потребления выбывают одни виды топлива и на их место встают другие. В начале ХХ века уголь вытеснил дрова из потребления топлива, а в конце ХХ века, нефть и газ вытеснили уголь. В качестве альтернатив высказывается идея увеличения доли возобновляемых источников энергии, а также использование угля.
Между тем, нельзя не заметить, что обсуждение перспектив будущего энергетики ведется в чрезмерно узком коридоре возможных решений, и попросту не рассматриваются многие другие возможности, которые можно использовать для удовлетворения энергетических нужд.
Немного об основах
Практически вся энергетика мира строится на основе одной, очень простой химической реакции. Это реакция окисления углерода, при которой выделяется тепловая энергия в количестве 96 ккал/моль (молярная масса углерода составляет 12,01 грамм).
Поскольку углерод входит в состав практически всех видов топлива, используемых человеком, в особенности тех его видов, которые использовались с незапамятных времен (дрова и уголь), то эта реакция является главной для энергетики.
Правда, с тех пор как человек научился добывать нефть и газ, возможности энергетики расширила другая реакция: окисление водорода, дающая тепловой энергии 34,8 ккал/моль (молярная масса водорода составляет 1,007 грамм).
Потому сжигание углеводородных соединений более эффективно, чем только углеродного топлива.
Человечеству крупно повезло, потому что природа предоставила в его распоряжение большое количество веществ, которые содержали в себе углерод и водород в больших количествах (в угле до 96% углерода), и которые можно было использовать в качестве топлива. Без этих веществ никакой цивилизации не состоялось бы. Мы до сих пор пользуемся этим природным даром.
К чему мы вспомнили экзотермические реакции? К тому, что обычно дальше по этому направлению мысль экспертов не идет, и дальнейшее рассуждение плавно сворачивает на проблему запасов углеродного и углеводородного топлива. То есть, обсуждается вопрос: сколько нам еще осталось от щедрот природы?
Но мы сейчас пойдем в противоположном направлении и продолжим обсуждать экзотермические реакции. Если становится ясно, что запасы природного углеродного и углеводородного топлива в перспективе, возможно, исчерпаются, то совершенно логично посмотреть, что еще есть в запасе из экзотермических реакций.
Таблица термодинамических констант веществ дает на этот вопрос исчерпывающий ответ. К счастью, таких химических реакций довольно много, и среди них есть такие, которые выделяют большое количество энергии.
Скажем, много энергии выделяет окисление различных металлов. Окисление алюминия — 204,3 ккал/моль (молярная масса алюминия — 26,9 грамм). Окисление кальция — 154,8 ккал/моль (молярная масса кальция — 40 грамм). Окисление магния — 146,5 ккал/моль (молярная масса магния — 24,3 грамма)
Неплохой тепловой эффект дает окисление неметаллов:
Можно также назвать реакцию образования нитрата аммония (аммиачной селитры) из реакции безводного аммиака и концентрированной азотной кислоты — 89,2 ккал/моль (молярная масса — 80 грамм). Полученное вещество обладает целым рядом полезных свойств, в частности, выделением большого количества энергии при разложении, на чем основано применение нитрата аммония во взрывчатке.
Иными словами, химические свойства различных веществ дают возможность получать тепловую энергию из различных экзотермических реакций. К слову сказать, многие экзотермические реакции давно используются в практическом применении. Окисление алюминия является одним из источников энергии в столь распространенном виде взрывчатки, как аммонал. Широко применялся порошок магния или тонкая магниевая лента в фотовспышках и пиротехнике. О сфере современного применения различных экзотермических реакций можно написать отдельное, весьма объемное сочинение.
Но вот чего, пожалуй, не рассматривалось, так это использования вот этого большого списка экзотермических реакций в энергетических целях. Скорее всего, сказалась определенная инерция мышления и отсутствие связи между термохимией и энергетическими проблемами человечества. Но если связать эти два предмета, то у современных химиков есть шансы разработать относительно доступные методы использования энергии различных экзотермических реакций для нужд генерации тепловой и электроэнергии, и вписать свои имена в список самых выдающихся химиков.
Халява кончается!
Человечество до сих пор жило, как уже говорилось, за счет шикарного подарка от природы — огромного количества углеродного и углеводородного топлива. Для получения этого топлива не требовалось значительных (по сравнению с полученной в результате сжигания энергией) затрат энергии на получение, разве что на добычу и транспортировку, ну и еще, впоследствии, на определенную обработку (распиливание дров, сортировка, просеивание угля, перегонка нефти и так далее).
Но теперь, поскольку человечество уже стало отчетливо ощущать конец этой природной «халявы», тогда как энергетические потребности не уменьшаются, то приходится менять свое отношение к топливу. Первый сдвиг, о чем говорилось выше, — это рассматривание вообще всех экзотермических реакций в качестве потенциального источника энергии.
Второй сдвиг — это переход от использования природной щедрости к производству топлива из того, что есть. На этом стоит остановиться подробнее.
Ответ на вопрос, почему экзотермические реакции не использовались в качестве источника энергии, достаточно прост и лежит на поверхности. Большинство веществ, указанных в таблице термодинамических констант, не существует в природе в химически чистом виде. К примеру, все легкие металлы давно прореагировали с кислородом и существуют в виде самых разнообразных соединений. Алюминий также встречается в природе в соединениях. Для их использования в качестве источника энергии, их предварительно нужно выделить из соединений, получить в виде, в котором можно будет снова произвести реакцию окисления с получением энергии.
То есть, это проблема синтезирования, или вообще искусственного получения топлива из разных соединений. Большинство подобных реакций требуют определенных затрат энергии на разложение соединения.
Но в условиях, когда достаточно было просто выкопать или выкачать топливо из земли, или просто срубить дерево, сформировался какой-то панический страх перед затратами энергии на производство топлива. Это сугубо иррациональное отношение теперь камуфлируется в облик «экономической эффективности», и имеет форму утверждения, что синтезирование топлива якобы экономически неэффективно.
Хрестоматийный пример: процесс Фишера-Тропша, или процесс получения из монооксида углерода и водорода жидких углеводородных соединений, применяемых для производства синтетических масел или топлива.
Этот процесс был изобретен в Германии в 1923 году, и активно использовался в нацистской Германии для производства синтетического топлива.
Но теперь кто только не ругает процесс Фишера-Тропша, кто только не говорит, что процесс дорогой, капиталоемкий и сложный. Утверждалось, что синтетическое топливо конкурентоспособно при цене за нефть свыше 40 долларов за баррель. Теперь цена нефти дошла до 90 долларов за баррель, но что-то инвесторы не побежали вкладывать в заводы синтетического топлива по методу Фишера-Тропша. Этот метод применяется только в трех странах: ЮАР, Малайзии и Китае.
Вот классический пример иррационального отношения к топливным проблемам, в котором пристрастие к халяве в сочетании с паническим страхом перед затратами, маскируется под «экономическую эффективность».
Поскольку халява кончается, подход к делу надо менять.
Энергетический баланс
В общем и целом, в затратах энергии на производство топлива нет ничего особенно страшного и невыгодного. Все зависит от постановки дела, и еще в начале ХХ века появился метод балансирования и составления энергетических балансов, которые определяются как
«баланс добычи, переработки, транспортировки, преобразования, распределения и потребления энергетических ресурсов и энергии в народном хозяйстве от источника их получения до использования энергии потребителем; выражает количественное соответствие между расходом и приходом энергии, включая изменение запасов энергетических ресурсов».
Новые условия, когда топливо не берется из месторождений, а производится из различного нетопливного сырья (например, минералов), внесут изменения и в балансы, в которых в расходной части будет указано не только потребление, но и расходы энергии на производство топлива. Приходная часть энергобаланса — это чистая разница между полученной энергией от сжигания топлива и израсходованной энергией на его производство. Иными словами, приходная часть такого энергобаланса — чистый приток энергии, который может быть использован.
Несмотря на то, что в ряде случаев требуются значительные расходы на подготовку топлива, тепловой эффект экзотермической реакции окисления оказывается настолько большим, что превышает затраты.
Возьмем два примера: ацетилен (С2Н2) и алюминий и сколько энергии требуется для получения вещества и сколько получается от его сжигания.
Для ацетилена, получаемого из карбида кальция, расходы на получение исходного сырья составляют 446 ккал/100 грамм (43,6 ккал — на декарбонизацию известняка и получение негашеной извести, 402,4 ккал — на обжиг извести и получение карбида кальция). Сжигание ацетилена дает 926 ккал/100 грамм.
Итак:
Итого полученной энергии: 480 ккал/100 грамм.
Сжигание ацетилена дает в два раза больше энергии, чем было израсходовано на получение сырья для генерации ацетилена.
Теперь алюминий. Как обычный человек, так и большинство специалистов скажут, что получение металлического алюминия — это страшно энергоемкое производство и жечь алюминий — это невыгодно.
Но и это не так.
Для алюминия, расходы на получение слагаются из получения глинозема — 30 ккал/100 грамм, и выплавки самого алюминия — 143,9 ккал/100 грамм. Тогда как реакция сжигания алюминия дает 759,4 ккал/100 грамм.
Итак:
Итого полученной энергии: 585,5 ккал/100 грамм.
Здесь сжигание алюминия дает в 4,3 раза больше энергии, чем израсходовано на его получение.
Разумеется, все вышесказанное нельзя принимать как обещание скорого энергетического рая. К сожалению, в условиях избытка горячих голов, приходится делать и такие оговорки.
Во-первых, приведенные цифры касаются теоретической возможности, тогда как на практике затраты и получение энергии в подобных реакциях имеют иное соотношение из-за целого ряда обстоятельств. Во-вторых, методы получения энергии из различных экзотермических реакций потребуют серьезной научной разработки, разработки технологий и оборудования, весьма изощренных инженерных решений.
Так что, принимайте сказанное, как приглашение к обсуждению и разработке новых способов получения энергии.
Режущий газ
Впрочем, и углеводородные соединения еще не сказали своего последнего слова.
Переход к широкому использованию синтетического топлива открывает путь к использованию в энергетике таких углеводородов, которые сегодня имеют достаточно ограниченное применение.
Ацетилен в предыдущей главке появился совсем не случайно и не ради красного словца. Он имеет почтенную историю применения и огромное значение для сегодняшней экономики. 70% объема ацетилена используется в качестве сырья в органическом синтезе. 30% — в газосварочных горелках. Ацетилен, сжигаемый в кислороде, дает очень высокую температуру пламени — 3300 град. Цельсия, что позволяет ацетиленовой газосварочной горелке легко резать и сваривать металлы.
Эта способность ацетилена имеет колоссальное значение, поскольку изготовление целого ряда изделий и выполнение целого ряда производственных операций практически невозможно без применения ацетиленовой горелки.
Однако ацетилен обладает целым рядом других полезных свойств. У него необычайно высокая энергетическая ценность — 14000 ккал/куб.м. У природного газа энергетическая ценность почти в два раза ниже — 7800 ккал/куб.м.
Сам по себе газ довольно нестабилен и весьма взрывоопасен при нагреве и увеличении давления. Но у ацетилена есть три важных преимущества.
Во-первых, его можно производить из исходного сырья, сейчас не имеющего никакого энергетического значения — известняка.
Во-вторых, энергетическая ценность и высокая температура горения ацетилена резко снижает расход топлива.
В-третьих, получение ацетилена из карбида кальция безопасно, давно освоено, и может производиться на очень широком спектре генераторов мощностью от 0,3 до 2000 куб.м. газа в час с получением концентрированного ацетилена.
Иными словами, его можно синтезировать практически в любом необходимом месте, был бы под рукой только ацетиленовый генератор, запас карбида кальция и вода. Потому ацетилен может стать очень ценным газом в энергетике, в особенности в автономных энергетических установках.
Ацетиленовая энергетика будет представлять собой совокупность различных генераторов разной производительности, поскольку передавать ацетилен по трубам чрезвычайно рискованно — скачок давления в трубе вызовет взрыв. Транспортироваться же будет основное сырье для генерации газа — карбид кальция.
Зачем нужно этим заниматься?
Тем не менее, принимая во внимание огромный консерватизм, инерцию мышления, а также господство различных иррациональных страхов, стоит еще раз сказать, зачем нужно заниматься экзотермическими реакциями, синтетическим топливом, и какие выгоды это несет.
Первый и самый главный эффект от развития вышеописанного подхода состоит в том, чтобы увести человечество от рабской зависимости от природного углеродного и углеводородного топлива. В идеальном варианте практическим итогом развития по обозначенному направлению должно стать использование экзотермических окислительных реакций наиболее распространенных элементов: алюминий, железо, кальций, натрий, калий, магний, водород, сера, углерод.
Освоение таких способов получения энергии будет означать получение практически неисчерпаемого источника энергии (то есть такого источника, какой при определенных объемах расходования, не может быть исчерпан в течение тысяч лет).
Второй эффект состоит в том, что будет достигнута большая гибкость в способах и источниках получения энергии, и появится возможность подобрать наиболее оптимальный способ и источник под конкретную техническую задачу или под условия места.
Третий эффект состоит в том, что будет достигнута большая свобода человечества в выборе путей развития.
Сейчас, когда постоянно составляются прогнозы об исчерпании запасов нефти, газа и угля, навязывается мысль, что вот, человечество живет до определенного момента, а потом, когда топливо кончится, наступит катастрофа.
Освоение других экзотермических реакций позволяет уверенно смотреть в будущее: если будет исчерпан один источник энергии, то перейдем на другой. Разработка способов использования экзотермических реакций и производства самых разнообразных видов синтетического топлива имеет глобальное значение.
