Газета 'Промышленные ведомости'
Главная Подшивка Подписка Редакция Партнерство Форум
«ПВ» , 0  -  cодержание номера 

Возобновляемые источники энергии, органическое
топливо и перспективы развития ядерной энергетики

Виталий Болдырев,
к.т.н., заслуженный энергетик РФ
 
 
В настоящее время принято делить источники энергии на возобновляемые и невозобновляемые.  Исходя из понятия «возобновляемый источник энергии», это разделение может классифицироваться следующим образом.
 
Невозобновляемые источники энергии:
- органическое горючее, потребляющее при сгорании атмосферный кислород, не восстанавливаемый растительным миром страны;
- ядерное топливо, выделяющее тепловую энергию за счет деления  изотопов природного происхождения.

Возобновляемые  источники энергии:
- за счет солнечной энергии -  гелиотермические, гелиоэлектрические, гелиохимические;
- гидроэнергетические;
- ветроэнергетические;
- органическое горючее в том или ином виде при восстановлении атмосферного кислорода растительным миром на территории страны;
- атомные реакторы при восстановлении в том или ином виде делящихся изотопов атомной энергетикой страны;
- за счет гравитационной энергии - энергия приливов и отливов;
- геотермальные источники.
 
Рассмотрим более подробно понятия «органическое топливо» и «органическое горючее», а также международные нормы использования органического топлива. Принцип 2 Конференции Организации Объединённых Наций по окружающей среде и развитию (Рио-де-Жанейро,1992 год) гласит:
 
«В соответствии с Уставом Организации Объединённых Наций и принципами международного права, государства имеют суверенное право разрабатывать свои собственные ресурсы согласно своей политике в области окружающей среды и развития, и несут ответственность за обеспечение того, чтобы деятельность в рамках их юрисдикции или контроля не наносила ущерба окружающей среде других государств или районов за пределами действия национальной юрисдикции».

Разберёмся, как этот принцип сегодня реализуется различными государствами при сжигании органического топлива с учетом девиза упомянутой  конференции 1992 года в Рио-де-Жанейро: «Мы не получили эту Землю в наследство от отцов, мы взяли её взаймы у наших внуков».
 
Природное топливо представляет собой совокупность какого-то горючего - угля, нефти, природного газа, биомассы,  и окислителя - атмосферного кислорода.
Уголь своим происхождением обязан, как общепринято считать, древним торфяным болотам, в которых, начиная с девонского периода, накапливались органические вещества. В них без доступа кислорода в течение многих миллионов лет под действием температуры и давления происходили превращения торфа в будущие ископаемые угли.
Что же касается нефти и газа то до недавнего времени между сторонниками биогенной и минеральной (глубинной) концепциями их происхождения шла серьёзная борьба. Одни утверждали, что нефть и газ в процессе литогенеза – преобразования донных отложений древних бассейнов, в которых развивалась жизнь, подобно углю возникли из отмерших остатков живых организмов, обитавших на Земле в прошлые исторические эпохи. Однако при этом для образования нефти и газа признавалась необходимость гидрогенизации донных отложений абиогенным водородом, поступающим из мантийных глубин, при затягивании этих отложений, находившихся под крупными разломами, под литосферные плиты в зону мантии.

Минеральная концепция происхождения нефти и газа исходит из космогонической истории углеводородов, которая начинается в безднах мироздания и сегодня прослеживается астрофизическими и другими методами по составу межзвёздных молекулярных и ионных облаков, межпланетных пылевых частиц, комет, метеоритов, планет и их атмосфер и самих звёзд. Так, австралийскими астрономами на расстоянии 30 тысяч световых лет от Земли обнаружено огромное облако аминокислот и белка. Как выяснили астрофизики, планета Плутон состоит из замороженного метана, силикатного материала и льда. Энцеланд и Рея (спутники Сатурна) покрыты ледовым панцирем из метана. И т.д. и т.п. Космические скитальцы – метан, высокомолекулярные углеводороды, графит, другие соединения углерода вошли в состав первичного вещества Земли. Далее геохимическая эволюция системы С-Н-О в ядре Земли, затем на границе ядро-мантия, и далее в мантии привела к образованию абиогенно синтезированных нефти и газа.

Параллельно с этим, ещё в 70-х годах прошлого столетия, российская геологическая наука предложила в рамках анализа проявления более широкого природного процесса – дегазации Земли – гипотезу о гидридном железо-никелевом составе ядра нашей планеты. Сверхсжатый водород, оставшийся от протопланетной стадии формирования нашей планеты и пропитывающий в результате окклюзии её жидкое ядро, по мнению российских учёных постоянно перемещается на периферию ядра к границе с мантией, где преобразуется в молекулярный водород с мощным выделением тепла. Разогревая нижнюю мантию до пластичного состояния, газовый водородный пузырь по дороге своего движения к верхним слоям карбидно-кремневой мантии присоединяет находящийся в ней углерод, образуя метан.
 
В виде огромных лёгких пузырей эта потенциально горючая и взрывчатая смесь молекулярного водорода и метана, устойчивая в глубинной бескислородной среде, поднимается вверх и формирует путь для нагретых столбов пластичного вещества мантии диаметром в десятки и сотни километров, уходящих вглубь к границе жидкого ядра. Хотя верхняя мантия, как уже давно установили геофизики, твёрдая и нагрета всего до 6000C, можно предположить с учётом сказанного выше, что смесь молекулярного водорода и метана, следуя вместе с абиогенно синтезированными газом и нефтью, поднимается до подкорковых слоёв. А далее по разлому земной коры и его оперяющим трещинам эта смесь впрыскивается под колоссальным давлением мантийного очага в любую пористую и проницаемую среду, распространяясь в ней из разлома подобно грибообразному облаку. Если смесь не проникает в земную атмосферу через земную кору, то образуются месторождения природного газа и нефти.
 
При попадании в пористую и проницаемую среду морского или океанического дна не происходит всплывания нефти и газа, так как сила поверхностного натяжения на разделе нефть-вода или газ-вода в 12-16 тысяч раз больше силы всплывания нефти. Нефть и газ остаются сравнительно неподвижными пока новые порции нефти и газа не продвинут их залежи. Однако в случае выхода только газов они соединяются с водой, образуя залежи газовых гидратов, напоминающих по внешнему виду лёд, - 1 м3 газогидрата содержит примерно 200 м3 газа. Полагают, что газовые гидраты имеются почти в 9/10 всего Мирового океана, и концентрация метана в осадках морского дна вполне сопоставима с содержанием метана в обычных месторождениях, а иногда превышает его в несколько раз. Запасы газогидратов в сотни раз превосходят запасы нефти, газа и угля во всех разведанных месторождениях.

Надо добавить, что тектоническая активность подводных недр периодически разрушает газогидратные залежи. Так, например, дно Мексиканского залива в районе Бермудского треугольника в результате тектонического разрушения газогидратных залежей периодически фонтанирует мощнейшими газовыми потоками, образующими на поверхности моря громадные купола воды и газа. Эти купола на экранах судовых радаров фиксируются как «острова». При приближении к ним корабль теряет, естественно, свою архимедову подъёмную силу со всеми следующими отсюда последствиями, а «острова» исчезают. При разрушении гидратов происходит резкое понижение температуры в пласте, и в результате создаются условия для образования нового гидратного льда и запечатывания газоносных отложений.

Если смесь водорода и органических соединений прорывается в земную атмосферу, то огромная тепловая энергия реакций соединения атмосферного кислорода с водородом, метаном и другими углеводородами в жерлах вулканов плавит горные породы до 1500 0C, превращая их в потоки раскалённой лавы. В атмосферу при этом выбрасываются тысячи кубических километров газов, в том числе продуктов сгорания водорода и метана – водяного пара и углекислого газа. А миллионами лет нарабатываемый при разложении воды и углекислого газа растительным миром атмосферный кислород при соединении с водородом и образовании воды теряется безвозвратно.
 
Питер Вард из университета Вашингтона нашёл причину «Великого вымирания», случившегося 250 миллионов лет назад. Изучив химические и биологические «следы преступления» в осадочных породах, Вард пришёл к выводу, что они были вызваны высокой вулканической активностью в течение нескольких миллионов лет в той области, которая теперь называется Сибирью. Вулканы не только нагревали атмосферу Земли, но и выбрасывали в неё газы. Кроме того, в этот же период в результате испарения воды произошло значительное понижение уровня Мирового океана и на воздух были выставлены огромные площади морского дна с залежами газогидратов. Они  «экспортировали» в атмосферу гигантские количества разных газов, и в первую очередь метана – самого эффективного парникового газа. Всё это привело как к дальнейшему быстрому потеплению, так и к снижению доли кислорода в атмосфере до 16% и ниже. А поскольку концентрация кислорода падает с высотой вдвое, то сократилась пригодная для существования животного мира площадь на планете. «Если вы не жили тогда на уровне моря, то вы вообще не жили» - говорит Вард.
 
Здесь уместно вспомнить утверждение апологетов Киотского протокола: «Эмиссия углекислого газа от сжигания ископаемого топлива за  последние 100 лет стала причиной глобального потепления климата!». Каково? И это, как и в случае с Джордано Бруно, мнение значительной части мирового сообщества!

Легко проследить дальше судьбу вулканических водяного пара и углекислого газа, Водяной пар «секвестрировался» конденсацией, а углекислый газ опять миллионами лет «секвестровался» в биомассе растительного мира планеты в результате реакции фотосинтеза с образованием молекулярного атмосферного кислорода. Мной были выполнены расчеты производительности растительного мира различных стран Земли  на конец XX века, учитывающие многие факторы, в том числе:
 
- поглощение СО2 листьями начинается по достижению ими одной четверти окончательного размера и становится максимальным при достижении трех четвертей конечного размера листа;
 
- разные среднедневные фотосинтезирующие свойства растений в разных геогра­фических широтах;
- разные свойства различных жизненных форм растений;
- разные индексы листовой поверхности;
- разный класс бонитета (отношения средней высоты и возраста основной части древостоя верхнего яруса);
 
- поглощение СО2 растениями, живущими в водной среде, для каждого региона определялось с учётом коэффициента световой облучённости водного объёма,  зависящего от прозрачности воды.
 
В результате оказалось, что  годовое производство растительным миром Земли атмосферного кислорода составило 138,3*109 тонн, годовое потребление при этом растительным миром Земли углекислого газа атмосферы – 184,1*109 тонн.
 
При достижении сегодня добычи и сжигания органического топлива примерно в 20 млрд. тонн условного топлива в год промышленное потребление кислорода из атмосферы составляет примерно около 50 млрд. тонн, и в совокупности с естественным потреблением (примерно 153 млрд. тонн) намного превысило сегодняшнюю верхнюю  границу оценки его воспроизводства в природе. Во многих промышленно развитых странах эта граница давно уже пройдена.
 
Сегодняшняя атмосфера Земли весит ориентировочно 5150000*109 тонн и включает в себя, в том числе, кислород – 21%, т. е. 1080000*109 тонн, и углекислый газ  – 0,035% . т. е. 1800*109 тонн. Интересно было оценить, за сколько лет при прекращении поступления углекислого газа в атмосферу при сегодняшней мощности растительного мира Земли, растения исчерпают его сегодняшний запас? Оказывается за 9-10 лет! После чего растительный мир, лишённый атмосферного углекислого газа, должен прекратить свое существование, а за ним исчезнет и животный мир Земли, лишенный своей растительной пищи. А если попытаться сжечь весь  минеральный водород и его соединения? Тогда необратимо  израсходуется весь атмосферный кислород планеты и всю историю жизни на Земле придётся писать заново.
 
Четыре миллиарда лет назад углекислого газа в атмосфере Земли было чуть ли не 90%, сегодня - 0,035 %. Так куда же он делся? Известно, что как только на планете появилась жизнь в виде первичных оксигенных бактерий и до современных покрытосеменных растений, они стали разлагать углекислый газ и воду и синтезировали углеводы, из которых строили собственные тела. Кислород же выбрасывался в атмосферу, замещая в ней углекислый газ.
 
Процесс этот, называемый фотосинтезом, каталитический, происходящий с помощью хлорофилла, содержащегося в растениях:

6CO2 + 6H2O + СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ = C6H12O6 + 6O2

С энергетической точки зрения фотосинтез есть процесс превращения энергии света (естественного солнечного или искусственного) в потенциальную химическую энергию продуктов фотосинтеза - углеводов и кислорода атмосферы. Отмирая, растения падали на дно болот и при отсутствии там кислорода превращались в уголь, а кислород накапливался в атмосфере.
 
Следует обратить  внимание на принципиальное различие роли океана и суши в регулировании атмосферной концентрации кислорода. В поверхностных водах до глубины распространения солнечного света планктонные организмы осуществляют фотосинтез, при котором выделяется 288 Гт кислорода.  Суммарное дыхание автотрофов  и гетеротрофов фотической зоны (зона фотосинтеза) приводит к поглощению 258 Гт кислорода. Часть органического вещества, образуемого в фотической зоне, осаждается в глубинные воды и там разлагается гетеротрофными организмами. На их дыхание расходуется 30 Гт кислорода, который транспортируется из поверхностных слоёв воды. Таким образом, годичные потоки кислорода внутри океана являются хорошо сбалансированными.
 
Предполагается, что около 1,5 млрд. лет назад содержание кислорода в атмосфере достигло 1% от его современного количества. Тогда были созданы энергетические условия для появления животных, которые при пищеварении окисляли атмосферным кислородом углеводы, составляющие растения, и вновь получали свободную энергию, используя её уже для собственной жизнедеятельности. Возник сложный энергетический биоценоз «флора-фауна», который и начал свою эволюцию. В результате эволюционных динамических процессов в биосфере Земли были сформированы определенные условия для саморегуляции, называемой гомеостазом, постоянство которых во времени необходимо для нормального функционирования совокупности всех живых организмов, составляющих сегодняшнюю биосферу.

Всё сказанное выше наводит на мысль о необходимости сбалансированности производства растениями атмосферного кислорода и его потребления природой, животными и человеком.
 
Поскольку рассматриваемые нами  изменения происходят в короткий эволюционный период, велика вероятность выхода человечества и всей сегодняшней биосферы за границы возможностей гомеостаза, т. е. саморегуляции. С позиций необходимости поддержания гомеостаза, в том числе определенного содержания кислорода в атмосфере Земли, сжигаемый атмосферный кислород должен постоянно и непрерывно восстанавливаться растениями в результате фотосинтеза. При этом суммарная энергия, выделяемая при сжигании горючего в атмосферном кислороде, должна соответствовать количеству солнечной энергии, потребляемому растениями при фотосинтезе с целью воспроизводства такого же количества кислорода. Растения в виде производства кислорода и органического горючего (углеводов собственного тела) воспроизводят, тем самым, затраченную живым миром потенциальную химическую энергию топлива.

Очевидно, что для сохранения гомеостаза, мощность всей земной энергетики, использующей горючее, не должна превышать определённого уровня, как максимум, соответствующего мощности растительного мира Земли по воспроизводству атмосферного кислорода! В противном случае дисбаланс приведёт к тотальной деградации среды обитания человечества - сегодняшней биосферы Земли! Такой международный порядок сбалансированного потребления горючего и должен был бы быть установлен для каждой страны.  Тогда при его соблюдении можно будет утверждать, что страна пользуется «возобновляемыми» или «восполняемым» источником энергии при сжигании топлива, и Принцип 2 Конференции ООН по окружающей среде и развитию (Рио-де-Жанейро,1992 год) ею не нарушается.

Вот и весь весьма простой механизм образования органического топлива на Земле, как совокупности различного вида горючего (угля, водорода, метана, нефти и другой «биомассы») и окислителя (атмосферного кислорода), а также элементарно необходимые правила его потребления. Однако мировое сообщество, похоже, не собирается соблюдать эти правила, да и упомянутый Принцип 2 Конференции ООН по окружающей среде и развитию. Большинство промышленно развитых стран уже давно стали странами - «паразитами», у которых промышленное потребление атмосферного кислорода на их территории многократно превышает его воспроизводство растительным миром, и, уж тем более, так называемую «чистую первичную продукцию» кислорода на их территории.  Но они и не собираются нести ответственность за обеспечение того, чтобы деятельность в рамках их юрисдикции или контроля не наносила ущерба окружающей среде других государств или районов за пределами действия национальной юрисдикции.  Россия, Канада, страны Латинской Америки, другие «развивающиеся» страны – это «доноры», которые безвозмездно снабжают страны - «паразиты» атмосферным кислородом.
 
Можно считать, что в странах-паразитах антропогенное потребление атмосферного кислорода происходит за счёт всей чистой первичной продукции фотосинтезирующих организмов  на территории страны, а также запасов атмосферного кислорода, наработанного на планете  миллионами предыдущих поколений фотосинтезирующих организмов. Гетеротрофное потребление,  в том числе и дыханием человека, атмосферного кислорода происходит исключительно за счёт запасов атмосферного кислорода. У стран-доноров антропогенное потребление атмосферного кислорода происходит исключительно за счёт части чистой первичной продукции фотосинтеза на территории страны, а гетеротрофное потребление  атмосферного кислорода – за счёт недоиспользованной при антропогенном потреблении чистой первичной продукции фотосинтеза. Такое поглощение атмосферного кислорода обусловлено тем, что всё живое на планете Земля имеет естественное право дышать.
 
В странах Евросоюза на конец XX века фотосинтезирующими организмами  производилось примерно 1,6 Гт атмосферного кислорода и в то же время его антропогенное потребление составляло примерно 3,8 Гт.  В России же в этот период фотосинтезирующими организмами  производилось на территории страны  около 8,1 Гт атмосферного кислорода, а его антропогенное потребление составляло всего 2,8 Гт. Многие защитники глобализации предлагают сегодня рассматривать атмосферный кислородный запас как «практически неисчерпаемый» или, в лучшем случае, не поддающийся контролю. То есть, по их мнению, антропогенные выбросы углекислого газа на территории поддаются контролю, а антропогенное потребление атмосферного кислорода якобы не поддаётся. Но ведь в методическом плане есть соответствующий правовой прецедент. Ещё 6 октября 1998 года Питер Ван Дорен в Cat Policy Analysis  № 320  писал:  
 
«В США право собственности позволяет землевладельцам извлекать полезные ископаемые, том числе нефть и природный газ, из той земли, которой они владеют. Однако подземные нефтяные и газовые потоки не считаются с правом собственности на земную поверхность. Если на своём участке землевладелец попытается максимизировать свой собственный доход от извлечения нефти и газа, то общая эксплуатация нефтяного и газового месторождения для других собственников будет уже не эффективной. Поэтому условия «объединительных контрактов» предусматривают передачу землевладельцами своего права бурить и эксплуатировать скважину некоему оператору, стремящемуся к максимизации общего дохода, а взамен они получают свою долю прибыли с месторождения вне зависимости от того, производятся ли работы на их земле».
 
На мой взгляд, принцип «объединительных контрактов» может быть положен и в основу права при использовании атмосферного кислорода в качестве окислителя органического горючего с передачей функций «оператора» некой международной организации. Россия располагает гигантским резервом квот на атмосферное природопользование с использованием своего растительного мира для восстановления на планете атмосферного кислорода и поглощения планетарного антропогенного углекислого газа. Ясно, что глобализация должна быть увязана с использованием этого резерва и в международной торговле.

Но вернёмся к запасам горючего на планете, в первую очередь, газа и нефти. Теория абиогенного генезиса нефти и газа выводит нефтегазовую геологию и геохимию на новые многообещающие рубежи освоения немереных кладовых углеводородного сырья. Как следует из сказанного выше, запасы нефтегазового горючего на нашей планете практически не ограничены. Как говорят специалисты, генетическое родство нефтей, газов и конденсатов Западной Сибири свидетельствует об их поступлении из одного общего глубинного, вероятней всего, подкоркового источника, сформировавшегося по геологическим меркам сравнительно недавно. Да и атмосферного кислорода растительный мир России производит немеренно, хотя есть и обязательства России по Киотскому протоколу. Поэтому может и ни к чему нам всякие там «инновации»?
 
Однако можно утверждать, что сейчас происходит перераспределение экономико-политических потенций между странами в связи с перекраиванием мировой карты размещения горючих энергоносителей. Возможно, лет через 15-20 страны, овладевшие прорывными энергетическими технологиями, будут иметь столько горючего, сколько захотят, из-за чего мировой экспорт нефти и газа резко сократится. Тогда страны – сырьевые придатки станут играть десятистепенную роль на мировом рынке. А так как Россия во многом живёт и кормится нефтью и газом, то она может оказаться на обочине истории и превратится в мировое захолустье. Поэтому путь России к достойной жизни – это инновационное развитие.
 
Страны Евросоюза  испытывают экологический кризис, в первую очередь из-за потребления органического топлива, многократно превышающего возможности окружающей среды на их территориях по восстановлению антропогенно поглощаемого атмосферного кислорода и поглощению антропогенного углекислого газа. Тем не менее, политическое давление «зелёных» там направлено против атомной энергетики.
Так как же поддерживать и развивать экономику без эффективного производства электроэнергии? В новой, либерализированной модели энергетики не удаётся найти места для ядерной энергетики. Будучи сейчас необходимой для общества, ядерная энергетика оказывается невыгодной для частных инвестиций – основного двигателя энергетического будущего всего мира при неолиберальной экономике. Ведь все действующие сегодня в мире атомные станции были построены в своё время государственными или частными вертикально-интегрированными монополиями, которые действовали в рамках прежней модели экономики. Новая модель сделала инвестиции в капиталоёмкую ядерную энергетику невыгодной для частных инвесторов, хотя на ядерную энергетику и сохранился общественный спрос.
 
Парадигмой развития атомной энергетики должна быть не исчерпаемость природного горючего на планете Земля, а исчерпанность возможностей растительного мира Земли по воспроизводству антропогенно поглощаемого атмосферного кислорода. 
 
Фундаментальный вопрос – смогут или нет регулирующие и законодательные нормы оправдать капиталовложения в атомную энергетику, чтобы она могла конкурировать с другими видами энергетики?  Проблема решается довольно просто – введением необходимой платы за потребление атмосферного кислорода, то есть природного капитала, не находящегося в частной собственности. Противники «квотирования» промышленного потребления атмосферного кислорода на это  говорят: «Запас атмосферного кислорода настолько велик, что его уменьшение практически незаметно». Но их понять можно: «Где привязан, там и лаю!».
 
И ещё. По данным многих учёных, в том числе российского профессора Е.П. Борисенкова, из 33,2оС повышения температуры в приземном слое атмосферы, которые даёт «парниковый эффект», только 7,2оС обусловлено действием углекислого газа, а 26оС – парами воды. В создании  «парникового эффекта» одна весовая часть паров воды в 2,82 раза менее эффективна,  чем одна весовая часть углекислого газа. Но в наше время  парниковый эффект в среднем на 78%  обусловлен парами воды и только на 22%  - углекислым газом, так как  при  сжигании углеводородного «горючего», а тем более водородного «горючего», окислитель - атмосферный кислород  расходуется не только на образование углекислого газа, но и на образование паров воды, создающих основной парниковый эффект в приземном слое атмосферы.
 
Легко показать, что сегодня в суммарных парниковых выбросах при сжигании угля доля водяного пара составляет 47,6%, при сжигании газа – 61,3%  и при сжигании водорода – 100%.  Тем самым даже с позиций сторонников антропогенного происхождения глобального потепления, рассматривать следует не только антропогенные выбросы углекислого газа, но и водяного пара, а квотировать -  антропогенное потребление атмосферного кислорода.

Из  сказанного выше следует, что охрана атмосферного запаса кислорода и регулирование его промышленного потребления является сегодня приоритетной задачей в сфере регулирования взаимоотношений между человечеством и природой вообще, и развития атомной энергетики, в частности.


Обсуждение статьи на форуме

Другие статьи номера «ПВ» , 0

Главная Подшивка Подписка Редакция Партнерство Форум
  © Промышленные ведомости  
Rambler's Top100