Глава 1 Введение

С тех пор, как наши далекие предки сумели зажечь огонь и научились использовать его для обогрева, приготовления пищи и многих других важных целей, жизнь человека и возможность существования человечества неразрывно связаны с возрастающими энергетическими затратами. До сих пор, переходя от сжигания леса, растений, торфяного мха и других источников к использованию угля, а затем нефти и природного газа (ископаемое топливо), человечество потребляло природные ресурсы. Ископаемое топливо, которое включает уголь, нефть и газ, состоит из углеводородов с различным соотношением углерода и водорода.

Качество современной жизни немыслимо без использования углеводородов, полученных из нефти, природного газа или угля. Большая часть углеводородов, добываемых на земном шаре, находит применение в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания, производства электроэнергии и обогрева. Развитие химической и нефтехимической отраслей промышленности, производство пластмасс и резинотехнических изделий также зависят от углеводородного сырья. Действительно, наиболее важные для промышленности синтетические химические соединения получены переработкой нефти. Общий объем мирового потребления нефти превышает в настоящее время 11 млн метрических тонн в день. Известно, что численность населения нашей планеты превышает 6 млрд, она непрерывно возрастает и по оценкам к середине XXI в. должна достичь 8-10 млрд (табл. 1.1). Такой рост сопровождается быстро растущим энергопотреблением, а поскольку объем невозобновляемых запасов ископаемого топлива ограничен и запа-

Таблица 1.1. Динамика роста численности населения Земли

* Средняя оценка. По данным Отдела народонаселения при секретариате ООН.

сы истощаются все быстрее и быстрее, катастрофическая развязка неизбежна. Поэтому, для того чтобы в XXI в. сохранился тот высокий уровень жизни, к которому привыкло население промышленно развитых стран и к которому стремятся развивающиеся страны, необходимы новые решения энергетической проблемы.

Быстро растущее мировое население, которое еще в начале XX в. составляло 1,6 млрд человек, теперь превышает 6 млрд. При непрерывно развивающихся технологических процессах, энергетические потребности уже сейчас нелегко совместить с объемом энергетических ресурсов, приходящихся на душу населения планеты. Удовлетворить растущие энергетические потребности современного общества и в то же время сохранить окружающую среду и предоставить будущим поколениям возможность комфортно жить на нашей планете является одной из важнейших задач сегодняшнего дня. Мало обеспечить человека пищей, водой, жильем, одеждой и многими другими жизненно важными потребностями, необходимо также уметь покрывать быстро растущее энергопотребление. Сегодня в мире ежегодно потребляется около 1,05-10¹⁸ калорий (120 ПВт-ч), что эквивалентно непрерывному расходу энергии приблизительно в 13 ТВт. Примерно столько же производят 13 000 атомных электростанций мощностью 1 ГВт. По мере роста численности населения планеты, развития стран и достижения бо-

Рис. 1.1. Рост потребления энергии с 1970 по 2025 гг. [По данным Управления по энергетической информации при Министерстве энергетики США. Мировые энергетические перспективы за 2005 г.] лее высокого уровня жизни ожидаемый спрос на энергию возрастет к 2025 г. до 21 ТВт, а к 2050 г. даже до 30 ТВт (рис. 1.1).

Наши далекие предки, овладев огнем, начали сжигать древесину. Промышленная революция сделала основным источником энергии уголь, в XX в. энергоресурсами стали нефть и природный газ, а затем появилась атомная энергетика.

Горючие ископаемые, такие как уголь, нефть или природный газ (т. е. углеводородное сырье), горят в печах тепловых электростанций, в печках наших жилищ и печах котельных, сгорают в двигателях автомобилей, самолетов и других транспортных средств, и от них остаются только углекислый газ и вода. Таким образом, топливо расходуется безвозвратно и во временной шкале жизни человечества ископаемое топливо можно считать невозобновляемым.

К ископаемому топливу относятся нефть, природный газ, битуминозные пески, битуминозные сланцы и угли. Эти виды топлив состоят из смеси углеводородов. При сжигании (окислении) эти вешества образуют углекислый газ С0₂ и воду Н₂0 и в масштабе жизни человека безвозвратно теряются.

Природа сделала нам замечательный подарок, предоставив в распоряжение нефть и природный газ. Однако их образование происходило в течение длительных геологических периодов, человечество же расходует их очень быстро. Нефть и природный газ используются в гигантских масштабах для производства энергии, а также в качестве сырья для получения разнообразных синтетических материалов, пластмасс, фармацевтических препаратов и красок, словом всего того, что было изобретено в XX в. В США источником энергии служит прежде всего ископаемое топливо, тогда как на долю атомной энергии и других источни-

Таблица 1.2. Доля различных источников в энергопотреблении США (%)*

* По данным Бюро переписи США [Статистический отчет за 2002 г., Разд. 19. Энергия и коммунальные услуги].

ков (воды, геотермальных вод, солнца, ветра и т. д.) приходится всего 15% (табл. 1.2).

Что касается производства электричества, то здесь половину используемого топлива все еще составляет уголь, ~16% приходится на долю природного газа, а доля атомной энергии близка к 20% (табл. 1.3). В то же время в других промышленно развитых странах от 2,5% до 85% электрической энергии производится из неископаемого сырья (табл. 1.4).

В настоящее время во всем мире ежедневное потребление нефти составляет более 80 млн баррелей (1 баррель равен 42 галлонам, т. е. приблизительно 160 л) или 11 млн метрических тонн. К счастью, мировые запасы пока не исчерпаны и на земном шаре все еще имеются значительные залежи сырой нефти, нефтяных сланцев, битуминозного песка и мощные залежи угля (смесь углеродистых соединений сложного состава с пониженным соотношением водорода к углероду). Огромных запасов угля на планете хватит еще на 200-300 лет, но его добыча связана с большими затратами, поскольку необходимо компенсировать социально-политические и экологические последствия освоения угленосных районов. Пока нет оснований предполагать, что все эти запасы исчезнут в ближайшем будущем, но ясно и то, что через некоторое время будет ощущаться нехватка горючих ископаемых, их добыча будет непрерывно удорожаться

Таблица 1.3. Доля различных источников в производстве электроэнергии США (%)*

* По данным бюро переписи США [Статистический отчет за 2002 г., Разд.19. Энергия и коммунальные услуги].

Таблица 1.4. Доля электроэнергии, произведенной в промышленно развитых странах в 2001 г. за счет различных источников неископаемого сырья (%)*

* По данным Управления энергетической информации при Министерстве энергетики США. [Ежегодник международной энергетики за 2002 г. Производство электроэнергии в мире из различных энергетических источников, 2001 г.]

и запасов топлив надолго не хватит. Численность людей на земном шаре уже превышает 6 млрд человек и продолжает расти. Соответственно увеличится и спрос на нефть и газ. Правда, устрашающие прогнозы о быстро исчезающих нефтяных и газовых запасах, которые делались в прошлом, к счастью не подтвердились (табл. 1.5). На самом деле до недавнего времени разведанные запасы росли, но в последнее время этот рост почти прекратился.

Зададимся, однако, вопросом о том, что скрывается под термином «быстрое истощение» и каковы реальные запасы углеводородного сырья. Разведанные запасы нефти, не только не исчезли, а фактически почти удвоились в течение последних 30 лет и теперь превышают 150 млрд т (это больше одного триллиона баррелей). Такая цифра кажется настолько внушительной, что многие предполагают, что никакой дефицит нефти в ближайшем будущем человечеству не грозит. Однако, если учесть, что увеличение спроса на сырье связано не только с ростом численности населения, но и с повышением потребления, вызванным улучшением уровня жизни, то правильнее было бы рассмотреть данную проблему, исходя из запасов, приходящихся на душу населения. Применяя этот критерий, легко придти к выводу, что известных нам запасов хватит едва ли больше чем на 50 лет. Даже если принять во внимание ряд благоприятных факторов, таких как открытие новых месторождений, внедрение энергосберегающих

Таблица 1.5. Разведанные запасы нефти и природного газа (млрд т нефтяного эквивалента)*

* По данным статистического отчета о запасах источников энергии за 1993- 2003 гг. компании British Petroleum, июнь 2004 г.

технологий и разработка новых источников сырья, дефицит углеводородов остается глобальной проблемой. Конечно, нефть и газ не исчезнут в одночасье, но рыночный механизм спроса и предложения неизбежно подбросит цены до такого уровня, который нам сейчас кажется совершенно неприемлемым. Поэтому, если не будут найдены новые решения, мы неизбежно столкнемся с серьезным кризисом.

Человечество стремится воспользоваться всеми преимуществами, которые имеют граждане, живущие в индустриально развитом обществе. Наше благополучие во многом зависит от энергоснабжения, но уровень потребления энергии сильно различается в разных странах, в особенности, если сравнивать промышленно развитые и развивающиеся страны. В настоящее время ежегодное потребление нефти на душу населения в Китае составляет всего пять-шесть баррелей, тогда как в США этот показатель в 10 раз больше. Предполагается, что потребление нефти в Китае в течение следующего десятилетия увеличится не менее чем в два раза и тем самым окажется примерно равным объему нефти, используемому в США. Подобные прогнозы подчеркивают масштаб проблемы, с которой нам предстоит столкнуться. Прирост населения в сочетании с возрастающим спросом на энергию со стороны Китая, Индии и других развивающихся стран сокращает запасы нефти на Земле и способствует взвинчиванию цен на энергию.

Помимо того, что производство энергии путем сжигания невозобновляемого ископаемого топлива (включая нефть, газ и уголь) в будущем не могут продолжаться бесконечно, экологические последствия сжигания, как мы покажем ниже, могут оказаться очень серьезными. Появление атомной энергетики открыло принципиально новую страницу в использовании энергии, но одновременно создало серьезные проблемы безопасности захоронения радиоактивных побочных продуктов. К сожалению, эти опасения затормозили, а в большинстве западных стран почти заморозили развитие атомной энергетики. Однако, как бы мы не относились к атомной энергетике, развитию этой отрасли нет никакой альтернативы, хотя надо приложить значительные усилия, чтобы сделать ее более безопасной. В связи с этим необходимо искать пути решения проблем использования атомной энергии, в том числе проблемы хранения и нейтрализации радиоактивных отходов. Надо ясно определить, какие трудности и опасности связаны с развитием этой отрасли, найти разумные способы контроля, а затем и реальные пути решения многочисленных проблем.

Если мы продолжаем практику сжигания запасов углеводородов для производства энергии в прежнем головокружительном темпе, то уменьшение источников этого сырья и взлеты цен, которые произойдут в середине XXI в., в конечном счете неизбежно приведут к необходимости увеличить эти запасы или производить углеводороды синтетическим путем. Однако синтетический бензин или синтетические заменители нефтепродуктов окажутся очень дорогостоящими. Надо признать, что подземные запасы нефти и газа это самые драгоценные подарки, которые человечество получило от природы. Стоимость барреля нефти колеблется в пределах 40-50^[1] долл, в зависимости от спроса на мировом рынке, и вряд ли процесс получения синтетического топлива обойдется производителю такими низкими затратами. Нам придется поэтому смириться с более высокими ценами на сырье, которые вырастут не в результате правительственной экономической политики, а под влиянием рыночных процессов, которые в демократических странах практически не контролируются.

Получение синтетической нефти вполне возможно. Известно, что углеводороды можно синтезировать из угля или природного газа через синтез-газ, т. е. газ, представляющий собой смесь СО и водорода. Эта смесь образуется при неполном сгорании угля или природного газа, которые сами по себе являются невозобновляемыми источниками. Конверсию угля использовали в Германии в годы Второй мировой войны и в ЮАР во времена эмбарго этой страны в связи с апартеидом. Однако полученное таким способом сырье составляет всего 0,3% существующего потребления нефти в США. Этот способ, так называемый синтез Фишера-Тропша, отличается большими энергетическими затратами, а получаемые продукты представляют собой смесь углеводородов невысокого качества. Поэтому синтез Фишера-Тропша вряд ли можно отнести к перспективным технологическим разработкам будущего. Чтобы использовать имеющиеся большие запасы природного газа, в настоящее время ведется разработка процессов превращения газа в жидкое топливо через синтез-газ. В качестве примера можно упомянуть проект крупнотоннажного производства синтетического топлива в Катаре. Там крупные нефтяные компании, такие как ExxonMobil, Shell и Chevron Texaco, недавно вложили более 20 млрд долл, в строительство мощностей для переработки газа в жидкое топливо (Г—»Ж, англ. GTL). Основная цель проекта - получение обессеренного дизельного топлива. Однако, когда строительство будет закончено, ежедневная мощность предприятия составит всего 100 000 т. Это, конечно, ничтожное количество, если учесть, что в настоящее время мир ежедневно потребляет более 6 Мт моторного топлива. Эти данные демонстрируют остроту проблемы, стоящую перед нами. Понятно, насколько необходимы новые и более эффективные процессы. Некоторые фундаментальные области науки и техники развиваются достаточно успешно. Как будет показано ниже, природный газ, запасы которого все еще очень велики, можно напрямую превращать в бензин или ценные углеводороды, т. е. минуя стадию производства синтез- газа. Используя имеющиеся огромные запасы угля, нефть можно получать и синтетическим путем, что расширит ресурсы этого вида сырья. Однако в будущем придется искать новые подходы, основанные на использовании возобновляемого сырья. В частности, уже сейчас разработаны способы получения биотоплива, прежде всего ферментативным превращением в этанол сельскохозяйственных продуктов, полученных, например, из сахарного тростника и зерна. Принимая во внимание, что этанол можно использовать как присадку к бензину или даже в качестве альтернативного топлива, и, учитывая огромные количества потребляемого моторного топлива, приходится признать, что этанол в качестве топлива подойдет лишь некоторым странам, да и то в особых случаях. Описаны и другие разновидности нефтяных продуктов, которые могут служить заменителями дизельного топлива, хотя их роль в производстве энергии является ничтожной.

При сжигании углеводородов образуются углекислый газ и вода. Представляется заманчивым разработать эффективный и экономически обоснованный вариант обратного процесса - получения углеводородного топлива из С0₂ и Н₂0. Конечно, в природе С0₂ и вода превращаются в различные органические вещества в результате фотосинтеза. Однако природные процессы формирования нового ископаемого топлива из С0₂, протекают настолько медленно, что в масштабе реального времени существования человеческой цивилизации ископаемое топливо является невозобновляемым.

Разработанная нами концепция метанольной экономики [1] рассматривает возможные подходы, направленные на то, чтобы уменьшить и, в конечном счете, победить зависимость человечества от дефицита природного газа и даже угля. Необходимо также смягчить последствия глобального потепления, вызванного интенсивными процессами сгорания углеводородов до углекислого газа. В основу этой концепции положены процессы эффективного прямого превращения природного газа, запасы которого все еще значительны, в метанол или этиловый эфир. Рассмотрена также возможность получения этих соединений путем химической переработки С0₂, содержащегося в отходящих газах тепловых электростанций, которые работают на ископаемом топливе, и в других промышленных отходах. В конечном счете, используя каталитические или электрохимические методы, можно найти пути утилизации даже атмосферного диоксида углерода. Метанол и диметиловый эфир сами по себе являются высококачественными моторными топливами для двигателей внутреннего сгорания. Метанол также зарекомендовал себя в качестве энергоносителя в топливных элементах, поскольку при взаимодействии метанола с атмосферным кислородом (воздухом) возникает электрический ток. Топливные элементы предоставляют собой удобный, эффективный источник электроэнергии. Следует подчеркнуть, что концепция метанольной экономики не направлена на производство энергии. Однако жидкий метанол является более удобной и безопасной формой хранения энергии по сравнению с легколетучим газообразным водородом, на применении которого основана водородная экономика. Метанол, очевидно, является самым подходящим материалом для хранения энергии и высокоэффективным моторным топливом, а к тому же с помощью катализаторов он легко превращается в этилен и пропилен. Эти непредельные углеводороды служат строительными блоками при синтезе углеводородов и продуктов их переработки, которые в настоящее время получаются за счет исчезающих запасов нефти и газа.

Принципы, лежащие в основе концепции метанольной экономики, найдут самое широкое применение, поскольку в них обозначены широкие перспективы технологического и общественного прогресса человечества. Мы уже отмечали, что ежедневное мировое потребление нефти превышает 80 млн баррелей. К этому надо добавить использование природного газа, ежедневная добыча которого, выраженная в энергетическом эквиваленте, превышает 6 млн т. Оба эти вида сырья извлекаются из уменьшающихся и не- возобнавляемых природных источников. Месторождения нефти и природного газа, как, впрочем, и угля, формировались в природе в течение многих геологических периодов. Эти месторождения рапределены не равномерно и часто находятся в труднодоступных местах (в пустынях, глубоководных морских глубинах, необитаемых участках полярных регионов и т. д.). В то же время рециркуляция С0₂ из промышленных отходящих газов, а со временем и из самого воздуха, который является общечеловеческим достоянием, открывает совершенно новые возможности. Уже в обозримом будущем энергетические потребности человечества будут покрываться за счет любого доступного источника, в том числе и из источников, альтернативных ископаемому топливу, а также и с помощью атомной энергии. Поскольку мы пока не научились эффективно запасать большие запасы энергии, необходимо искать новые пути. Производство метанола дает благоприятные возможности для создания запасов энергии. Уже сейчас на действующих электростанциях в период минимальных нагрузок можно путем электролиза воды получать водород, необходимый для производства метанола. Постепенно вырисовываются контуры и других способов разложения воды - биохимически (ферментативно) или фотоэлектрически (используя солнечную энергию - наиболее чистый источник энергии).

На первом этапе С0₂ можно рециркулировать из промышленных выбросов (на электростанциях, работающих за счет сжигания ископаемого топлива, на заводах, выпускающих цемент, и т. д.), а затем получать метанол, из которого можно синтезировать углеводороды и продукты их превращения. Содержание С0₂ в этих выбросах очень велико и его можно легко оттуда выделить. Однако концентрация С0₂ в воздухе очень низка (0,037%) (табл. 1.6) и диоксид углерода атмосферного происхождения трудно уловить экономически обоснованными методами. Эти трудности удастся преодолеть в будущем, используя новые разработки, в частности селективную адсорбцию или иные адсорбционные процессы. Когда-нибудь человечество найдет способы химической переработки С0₂ в ценное топливо или другие полезные продукты и обеспечит неистощаемый и возобновляемый источник углеродного сырья.

Как уже отмечалось, С0₂ можно легко улавливать из промышленных отходящих газов электростанций, работающих на углеродсодержащем топливе (угле, нефти или природном газе), из газообразных отходов процессов ферментации, процессов обжига известняка при производстве цемента, сталелитейного производства или из других источников. Поскольку на этих производствах выделяется огромное количество С0₂, они несут ответственность за так называемый «парниковый эффект», который вызывает большую тревогу у экологов. Начало научному изучению связи между содержанием С0₂ в атмосфере и температурой было положено еще Аррениусом в 1898 г. Для того чтобы проследить эффект потепления нашей планеты, требуется много лет, но сейчас связь между температурой Земли и содержанием С0₂ в атмосфере установлена достаточно ясно.

Таким образом превращение С0₂ в метанол (или диметило- вый эфир) и затем в топливо, синтетические углеводороды и другие полезные продукты поможет не только решить проблему

Таблица 1.6. Состав воздуха

уменьшения запасов ископаемого топлива, но и снизить угрозу глобального потепления, вызванную отчасти парниковыми газами - продуктами жизнедеятельности человека.

Одним из наиболее эффективных методов получения электроэнергии непосредственно из топлива является использование топливных элементов путем каталитического электрохимического окисления, прежде всего водорода.

Топливный элемент представляет собой электрохимическое устройство, которое предназначено для прямого превращения свободной химической энергии топлива непосредственно в электрическую энергию.

Принцип работы топливных ячеек впервые открыл Уильям Гров еще в начале XIX в., однако их практическое использование началось сравнительно недавно. В основе большинства технических решений по использованию топливных элементов по-прежнему лежит принцип Грова: в устройстве, похожем на электрохимическую ячейку, водород и кислород воздуха соединяются с образованием воды и электричества.

Сам по себе процесс протекает чисто, поскольку единственным побочным продуктом реакции является вода, однако получение водорода связано с использованием энергоемких процессов, которые в настоящее время осуществляются за счет сжигания горючих ископаемых. Хотя работа с газообразным водородом с технической точки зрения трудностей не представляет, она небезопасна. Тем не менее использование топливных ячеек постепенно находит применение в статических установках или в некоторых особых случаях, например в космических аппаратах. В настоящее время водородсодержащий газ производится из пока еще доступного ископаемого углеводородного сырья на установках для риформинга газа, которые превращают углеводороды в смесь водорода и моноксида углерода. Затем эти газы разделяют. В этом процессе используется топливо истощающихся запасов. Но электролиз или другие процессы расщепления воды могут давать водород и без использования ископаемого топлива. Топливные элементы, в которых происходит горение водорода, пока еще имеют очень ограниченое применение. В отличие от этого в новом подходе, о котором пойдет речь в гл. 11, жидкий метанол или его производные можно непосредственно использовать в топливных ячейках без предварительного превращения в водород. Создание процесса прямого окисления жидкого метанола, поступающего в топливные элементы (ПМТЭ), является результатом совместной работы Университета Южной Калифорнии и Лаборатории реактивных двигателей Калифорнийского технологического института НАСА, той самой лаборатории, которая разрабатывала топливные ячейки для космической программы США. В такой топливной ячейке метанол реагирует с кислородом воздуха в присутствии подходящего металлического катализатора с образованием С0₂ и Н₂0, при этом производится электрическая энергия:

Недавно было обнаружено, что этот процесс может протекать обратимо. В топливном элементе, который называют «регенеративным топливным элементом», метанол и его оксигенаты можно получить путем электрокаталитического восстановления С0₂ в водной среде, минуя стадию предварительного электролиза воды для производства водорода. В результате электрокаталитического процесса С0₂ и Н₂0 превращаются в кислородсодержащие горючие вещества (такие, как муравьиная кислота, формальдегид и метиловый спирт) и образование того или иного продукта реакции зависит от электродого потенциала, обратимой реакции, протекающей в топливной ячейке.

Восстановительную конверсию С0₂ в метанол можно осуществить путем каталитического гидрирования, для чего водород можно получить путем электролиза воды (используя при этом любые источники энергии, такие как атомную, солнечную, ветровую, геотермальную и т. д.) или другими методами расщепления воды (фотолиз, катализ ферментами т. д.). Метанол представляет собой удобную форму хранения энергии, энергоноситель, который легко перевозить. Он представляет собой жидкость с температурой кипения 64,6°С, которую можно перемещать с помощью обычных транспортных средств. Метанол также легко превращатся в диметиловый эфир - высококалорийное соединение, способное заменить дизельное топливо.

Метанол, который производят непосредственно из метана (природный газ), минуя стадию получения синтез-газа, или путем превращения С0₂ в СН₃ОН или диметиловый эфир, можно затем использовать в производстве этилена или пропилена. Эти алкены представляют собой строительные блоки, из которых нефтехимики легко синтезируют алифатические или ароматические углеводороды, а затем получают огромное количество продуктов и материалов ежедневного спроса, которые пока приходится получать из нефти и газа.

• [1] 47 долл. США на 1 января 2009 г. - Прим, перев.