Архив Июль-Август 2004 - «Кислородная недостаточность»

Сжигая органическое топливо для получения энергии, мы меняем не только облик планеты, но и состав атмосферы. С 1990 г., когда 49 нобелевских лауреатов сочли глобальное потепление наиболее серьезной экологической угрозой в истории человечества, парниковый эффект привлекает к себе столько внимания, сколько никогда не уделялось ни одной научной проблеме. Генеральный директор Национального углеродного фонда, профессор, член-корреспондент РАЕН Николай Ткаченко убежден, что внимание направлено не на тот объект.

Губит людей вода

Хотя еще лет 20 назад все знали, что главные источники парникового эффекта - водяной пар (его в атмосфере Земли 0,3%, а вклад в парниковый эффект - почти 70%) и аэрозоли, ныне этот факт никак не отражен в международных документах о климате. Воды же мы потребляем ежегодно свыше 6 000 км³, причем большую часть - безвозвратно, ибо почти все процессы -как природные, так и искусственные - относятся к «мокрым», т.е. протекают с ее поглощением. Это, в свою очередь, повышает влажность воздуха и его теплоемкость, ведет к изменениям циркуляции, дополнительному испарению, образованию облаков, осадков и т.д. Наш расход - это 16% годового стока всех рек планеты и 20% массы водяного пара в атмосфере, иными словами, совсем не слабое возмущение. А ведь есть еще и прямое испарение воды, например, в сельском хозяйстве, мелиорации и т.п.

Можно ли не «замечать» это, говоря об изменениях климата? Оказывается, можно. В последнее время даже в изданиях ООН встречаются, мягко говоря, странные утверждения типа: «вклад CO₂ в усиленный парниковый эффект составляет 60%» или «содержание водяного пара в атмосфере не зависит от антропогенной деятельности». В международных же документах о климате водяной пар вообще не упомянут, хотя его антропогенные выбросы в 300 раз превышают выбросы CO₂ .

«Парящая» энергетика

Один из самых мощных источников выбросов в атмосферу водяных паров - топливно-энергетический комплекс. Скажем, горение признанного на сегодня наиболее «экологичным» топлива - природного газа, состоящего, в основном, из метана (CH₄), описывается знакомой со школы химической реакцией:
CH₄ + 2 O₂ = CO₂ + 2Н₂О + теплота, так что, сгорая, 1 кг газа дает 2,25 кг воды.

Аналогичным образом, сжигая 1 кг бензина, помимо соединений углерода получим 1,42 кг воды. А вот при сгорании угля, протекающем в два этапа:
2С + O₂ = 2 СО + теплота
2СO + O₂ = 2CO₂ + теплота, вода не образуется.

За год в мире сгорает 2,2 трлн м³ газа (2,8 млрд т в пересчете на условное топливо) и 3,5 млрд т нефти и образуется не менее 12 млрд т даже не воды, а разогретого водяного пара, что, в свою очередь, порождает многие тысячи кубических километров возмущенной - во всех смыслах - атмосферы. Но в призывах ограничить антропогенные выбросы парниковых газов их вовсе не учитывают, как и аэрозоли, хотя вклад в парниковый эффект, например, частиц сажи, возникающих при сжигании тяжелых фракций нефти, в 10 тыс. раз больше, чем от тех же объемов CO₂ .

Между тем антропогенные выбросы CO₂ меняют глобальный цикл углерода лишь на доли процента, а рост концентрации CO₂ в атмосфере может быть не причиной, а следствием потепления, результатом высвобождения из глубин Мирового океана гигантских запасов углекислого газа, который, как и гораздо более «активный» парниковый газ - метан, попадает оттуда в атмосферу в масштабах, многократно превышающих наши выбросы.

Избыток или дефицит

Так ли опасен углекислый газ, и насколько «виноват» он в потеплении? Ведь еще недавно (по геологическим меркам) его содержание в атмосфере намного превышало сегодняшние 0,035%, и при этом планета была покрыта пышной растительностью. Так уж сложилось, что жизнь на Земле существует на углеродной основе, и рост биомассы при фотосинтезе сопровождается превращением углекислого газа в углерод клетчатки растений и свободный кислород.

Прежде человек не мог заметно влиять на глобальный углеродный цикл. Хотя, возможно, поклонение огню с незапамятных времен и обычай кремации у многих народов отражали понимание происходящих в природе процессов - сжигая органику, в глобальный природный цикл добавляли углекислый газ, что вело к росту биомассы (как и при извержении вулканов, и естественных лесных пожарах).

Налицо, скорее, дефицит CO₂ в атмосфере (0,035% - это очень мало), чем его «пугающий» рост. Ведь если углекислый газ перестанет поступать в атмосферу, растения исчерпают его запас через 8-11 лет, после чего прекратит свое существование и все живое.

Незавидная судьба кислорода

Попробуем оценить подлинные опасности привычных процессов, способных вызвать неконтролируемые изменения в природно-климатическом комплексе. Сгорая, 1 кг метана поглощает из атмосферы 4 кг кислорода, а весь добытый на Земле природный газ - свыше 11 млрд т кислорода в год. Сжигая 1 кг бензина, мы изымаем из атмосферы 3,5 кг кислорода, так что используемые как топливо продукты нефтедобычи за год «забирают» из атмосферы еще 11,5 млрд т. Для сгорания 1 кг угля понадобится 2,7 кг кислорода, и добытые в мире за год 4,5 млрд т угля сокращают запасы атмосферного кислорода еще на 12 млрд т. Следовательно, только сжигание традиционного топлива ежегодно лишает атмосферу 35 млрд т кислорода.

Однако, сгорая, разное топливо поглощает кислород по-разному. Как отмечалось, уголь не связывает кислород атмосферы в воду, а выделившийся углекислый газ, попадая в атмосферу и включаясь в глобальные циклы, в результате фотосинтеза увеличивает объем фитомассы и возвращает в атмосферу кислород в полном объеме. Гораздо плачевнее его судьба при сжигании нефти и газа, когда в воду превращается примерно половина потраченного кислорода, которая таким образом изымается из атмосферы навсегда, ибо в природе вода на кислород и водород не разлагается.

Итак, сжигая углеводороды, мы, во-первых, снижаем содержание кислорода в атмосфере, что ведет и к истощению озонового слоя - пресловутым «озоновым дырам». Во-вторых, выбрасываем разогретый водяной пар, заметно возмущая атмосферные процессы. Вызванные этим локальные (и, возможно, глобальные) изменения климата должны стать предметом профессиональной оценки, прежде всего, климатологов. Но не замечать или игнорировать их и наивно, и опасно.

Тревожная тенденция

Как свидетельствуют оценки, лишь из-за угнетения естественных экосистем атмосфера «недополучает» 5•1010 т кислорода в год. Если к этому добавить ежегодные потери при сжигании углеводородов (3,5•1010 т) и окислении в тысячах промышленных реакций, нетрудно подсчитать, что за последние 100 лет мы изъяли из атмосферы свыше 1013 т кислорода. Его там всего 1,5•1015 т, и он обеспечивает в атмосферном давлении 159 из 760 мм рт. ст. Иными словами, лишь за несколько столетий содержание кислорода в атмосфере могло измениться на проценты, а не на тысячные доли процента, как у CO₂ .

Кислород - один из самых распространенных элементов на Земле: на его долю приходится 85% массы гидросферы и 47% массы литосферы (оксиды в минералах). Отсюда и представление о нем как о неограниченном ресурсе. Увы, использовать эти гигантские запасы для обеспечения жизнедеятельности человека нельзя: в природе нет механизмов воспроизводства атмосферного кислорода, кроме фотосинтеза. Она не «рассчитывала» на столь интенсивное его потребление (сегодня сжигают более 10 млрд т углеводородов в год).

Неоправданный оптимизм

Итак, цивилизация уже сегодня зиждется на использовании энергии, получаемой за счет изъятия кислорода из атмосферы, который и оказывается важнейшим ресурсом на Земле.

А прошедший в 2003 г. Мировой газовый конгресс и вовсе оптимистично заявил, что «через 20-25 лет природный газ станет основным энергоносителем, вытеснив другие, так что его потребление возрастет на 70-120%». В мировой нефтедобыче намечены не менее грандиозные рубежи, и чем больше в последнее время пугают человечество приближающимся истощением запасов нефти, тем одержимее оно штурмует недра для их скорейшего изъятия.

Оправдан ли такой «оптимизм» в наращивании добычи углеводородов, успеем ли мы осуществить эти «великие планы», позволят ли нам это атмосфера и биосфера? Ведь уже к концу прошлого века мы преодолели предельный порог поглощения биосферой продуктов человеческой деятельности! Римский клуб еще в 1970 г. предупреждал, что экосистемы Земли не в состоянии компенсировать потребление атмосферного кислорода. Увы, предостережение не подействовало, и лишь через 30 лет всеобщее внимание направили... на парниковый эффект и CO₂ .

Приговор водородной энергетике?

Как ни парадоксально, но чем «чище» топливо (в рамках общепринятых представлений), тем больше при его сгорании нужно кислорода. В последовательности «уголь, нефть, природный газ, водород» последний наиболее «агрессивен» по отношению к кислороду, и все надежды цивилизации на «водородную панацею» могут оказаться погребенными под простейшей химической формулой:
2Н₂ + O₂ = 2Н₂О,
из которой следует, что, сгорая, 1 кг водорода уничтожает 8 (!) кг кислорода, навсегда связывая его в воду. Если при сжигании 1 кг природного газа потребленные 4 кг кислорода (для нефтепродуктов - 3,5, угля - 2,7) все-таки частично возвращаются в атмосферу - через образовавшийся углекислый газ и последующий фотосинтез, то водород, как топливо действительно «совершенен» и такой возможности не дает, переводя весь кислород в неразложимую в природе воду. Широко распространенные представления о водороде как миротворце в конфликте человека с природой, согласно которым он окончательно примирит цивилизацию и биосферу, приходится, увы, дополнить словами «и станет последним топливом на планете, быстро и навсегда уничтожив теплокровную жизнь на Земле». Для такого «приговора» достаточно уравнения воды, можно даже не учитывать неизбежные многочисленные утечки при производстве и транспортировке самого легкого и «всепроникающего» элемента, который, попадая в верхние слои атмосферы (он в 14,5 раз легче воздуха), будет интенсивно разрушать озоновый щит планеты.

Кислородный «тупик» цивилизации

«Нефть - не топливо, топить можно и ассигнациями», - предупреждал Д.И. Менделеев. К сожалению, предупреждению не вняли. Интересно, что бы сказал он о столь «эффективном» использовании природного газа или мечте об «идеальном топливе» - водороде? Эти природные ресурсы, очевидно, не могут служить топливом (по крайней мере, в привычном смысле слова, связанном с горением) и должны использоваться только в исключительных случаях.
Похоже, что именно благодаря научно-техническому прогрессу мы собственноручно перевели среду обитания в критический режим. Ведь одна лишь примитивная ржавчина за год «съедает» миллиарды тонн не только металла, но и атмосферного кислорода (из-за коррозии пропадает до 10% произведенного металла). А сколько кислорода потребовалось для его производства, если учесть, что сегодня 3/4 всей стали выплавляют с использованием кислородного дутья, т.е. практически в чистом кислороде? И чего стоят испытания оружия массового уничтожения или применение миллиардов тонн взрывчатки в «мирных целях»?

Зависимость современной цивилизации от нефтегазовой энергетики влечет за собой и глобальные природно-климатические изменения, при нынешних тенденциях неотвратимые уже в ближайшие годы. Мы разработали массу технологических процессов и производств, основанных на потреблении кислорода (только в химии полимеров сегодня используется более миллиона реакций, неизвестных еще 40 лет назад), но не создали ни одного, которое могло бы возвращать его в атмосферу - аналогов природному фотосинтезу нет.

Все это может стать причиной величайшей трагедии, ибо возможности фотосинтеза ограничены и рассчитаны, прежде всего, на саму биоту планеты, а не на варварское изъятие кислорода из глобальных природных циклов в устрашающе растущих масштабах. При таком развитии событий переход биосферы в состояние, где места человеку уже не будет, неизбежен и остается лишь вопрос: «Когда?».

Затянувшиеся поиски альтернативы

«Газовая пауза» 70-х годов, изначально воспринятая как краткосрочная - лет на 20 - «передышка» для осмысления роли энергоносителей, совершенствования существующих процессов горения, особенно - угля, поиска новых энергетических стратегий и источников, явно затянулась. И, как всякая затянувшаяся пауза, вызывает неловкость (прежде всего, перед природой), и нет сегодня задачи важней, чем найти выход из этой ситуации. Увы, вряд ли в ближайшем будущем удастся найти универсальный и «чистый» источник энергии, хотя изменения в биосфере делают такие поиски все актуальнее.

Атомная энергетика, несмотря на огромную наукоемкость, отсутствие выбросов CO₂ и сохранение атмосферного кислорода, пока не удовлетворяет критериям безопасности. Многие страны сегодня вообще исключают ее из энергетических стратегий. Нам десятилетиями внушали, что ядерная энергия самая «чистая» и дешевая. Как выяснилось, дешевизна объяснялась тем, что затраты на переработку и утилизацию облученного ядерного топлива не включали в себестоимость энергии. После Чернобыля развеялся и миф об атомной энергетике как самой экологически безопасной.

Возможно, привлекшее всеобщее внимание высказывание президента РФ на «Саммите тысячелетия» в ООН о скором исключении из энергетики урана и плутония послужит промышленному освоению более безопасной ториевой атомной энергетики, ведь «термояд» выглядит сегодня такой же утопией, как и 40 лет назад.

Между тем затянувшиеся поиски, похоже, идут «в темноте» (экономим энергию?!), без карты и компаса. Так, перевод 10 млн автомобилей в Бразилии на этиловый спирт вместо бензина подается как величайший успех («зеленых» снова привлекает вода на выходе, т.е. безвозвратное уничтожение кислорода). На самом же деле, лишь возобновляемые источники энергии (ВИЭ) и топливо, не связывающее атмосферный кислород в воду, могут стать основой энергетики будущего.

Как отмечалось, из традиционного топлива в этом смысле перспективен лишь уголь. Именно он, сгорая, меньше всего вредит атмосфере и биосфере, ибо весь затраченный на его горение кислород превращается в углекислый газ и в результате фотосинтеза возвращается в атмосферу. Задача улавливания и дожигания твердой фазы продуктов сгорания угля во многих странах давно решена, что делает его еще и «экологически чистым» (в традиционном представлении) топливом.

Еще лет 20 назад доля угля в топливно-энергетическом балансе страны составляла 56%, сегодня -13%. Между тем в США или Китае с помощью угля получают более 50% энергии. У нас же свыше 60% приходится на газ, что уже серьезно угрожает как энергетической, так и экологической безопасности страны.

Что предлагают нам

Всевозможные «проекты совместного осуществления» в рамках Киотского протокола на территории России, как правило, ориентированы на перевод отечественных предприятий теплоэнергетики на газ. При этом его называют «наиболее дружественным климату источником энергии», что, с учетом вышеизложенного, звучит зловещей шуткой.

Так, в Архангельской области уже три года проходят международные конференции по проблемам изменения климата с участием представителей стран ЕС, международных финансовых и экологических организаций, а в результате те же рекомендации - перевод всех промышленных объектов на газ. Увы, многие из них уже претворены в жизнь.

Дело доходит до курьезов. Например, в таком энергоемком регионе, как Омская область, 72% территории богаты геотермальными водами с температурой 25-65°С, вполне пригодными для промышленного использования («дармовая» горячая вода в Сибири!). Но участники прошедшей в 2003 г. в Омске международной конференции «Энергоэффективность и Киотский протокол» единодушно рекомендовали перевод всех объектов теплоэнергетики в области... на газ.

Двойные стандарты

А что же Запад выбирает для себя? Международная экологическая организация скандинавских стран (NEFKO), ратующая за выполнение Киотского протокола, проекты с использованием газа как энергоносителя вообще не рассматривает, а отдает приоритет ВИЭ (малые ГЭС, геотермальная и ветроэнергетика, переработка биомассы), эффективному использованию и сбережению энергии. В Чили собираются ввести в строй мощную ГЭС взамен нескольких тепловых электростанций, работающих на газе. США в своей «Энергетической стратегии» намерены отказаться от АЭС, а заодно и от сжигания углеводородов (!), перейдя в ближайшие годы на ВИЭ (миллиарды долларов уже вкладываются в конкретные проекты индивидуальной альтернативной энергетики).

Подобных примеров много, но вывод один. Никто и никогда не предложит нам передовых стратегий развития, особенно, в топливно-энергетической сфере. Киотский протокол - это попытка навязать не только ложные научные взгляды, но и «вчерашние» принципы, стратегии и технологии, не имеющие ничего общего с защитой окружающей среды и стабилизацией климата; кроме того, это красноречивый пример, подтверждающий, что политика двойных стандартов становится нормой отношения к России.

Позиция России

Альтернативная энергетика, основанная на ВИЭ, наряду с традиционной (сберегающей кислород), скоро станет атрибутом глобализации. Так что от способности страны быстро и с минимальными потерями отказаться от нефти и газа как энергоносителей будет зависеть и расстановка сил в мире с новыми энергетическими (точнее, экологическими) приоритетами, где технологиям, связанным с безвозвратным уничтожением кислорода, места уже не найдется.

Не секрет, что от глобальной экологической катастрофы мир сегодня защищает, прежде всего, Россия, 2/3 площади которой заняты невозмущенными или слабо возмущенными экосистемами. Ведь именно бореаль-ные леса северного полушария вместе со здешними переувлажненными землями и болотами, играют ключевую роль в глобальном цикле пополнения атмосферного кислорода за счет переработки углекислого газа. Так что, в конечном счете, эти экосистемы остаются последней настоящей ценностью не только для России, но и для всего мира.

Наивно ожидать, что другие страны обратятся к России с предложением реализовать в каком-либо международном договоре справедливый принцип международного природопользования, учитывающий наше глобальное природное «донорство», поэтому нам не мешало бы выступить с собственной инициативой, основанной на оценках производства и потребления кислорода разными территориями и государствами.

Архив журналов

Журнал «Мировая энергетика»

Июль-Август 2004 г.

Кислородная недостаточность

Журнал «Мировая энергетика»