В результате потребности в топливе а, соответственно и цены на него, не только стабилизировались, но даже снизились. Изменились, став более оптимистичными, прогнозы относительно природных топливных запасов.
К примеру, прогнозы не учитывают гигантские резервы газовых гидратов (газовые гидраты -- газы, связанные с водой в зонах вечной мерзлоты и на дне морей). Но даже если этот сырьевой источник не брать в расчет, то имеющихся ресурсов, при незначительном замещении нефти углем и газом, вполне достаточно, чтобы обеспечить уверенное энергетическое обеспечение человечества до конца следующего столетия. Так что в обозримом будущем природные ресурсы смогут успешно конкурировать как с еще только осваиваемым водородом, так и с синтетическими видами топлива. Цифры, приводимые на рис. p065, показывают в каком соотношении используется ископаемое топливо [3].
Имеющиеся в нашем распоряжении источники энергии мы используем в высшей степени нерационально. Человек вынужден неоднократно преобразовывать один вид энергии в другой пока окончательно ее не использует.
Каждое преобразование сопровождается потерями части энергии. На электростанциях из топлива получают тепловую энергию, используемую для производства пара. Пар, в свою очередь, приводит в движение турбины. Теперь уже механическая энергия, которая передается генераторам, преобразуется, в конечном счете, в электроэнергию. При использовании электронагревательных приборов полученная многократными преобразованиями и поэтому дорогая электрическая энергия превращается вновь в тепловую. В результате из всей получаемой энергии мы реально потребляем не более половины, остальная безвозвратно теряется.
Потери тепловой энергии на первой ступени не позволяют получить КПД выше 40%. Отработанное тепло попадает в водоемы и нарушает в них биологическое равновесие. Тепловые электростанции сжигающие уголь день и ночь выбрасывают в атмосферу тонны соединений углерода (ежегодно в атмосферу выбрасывается около шести миллиардов тонн углерода [3]) и серы. Последние вступают в химическую реакцию с влагой, содержащейся в воздухе, образуя кислоты разъедающие сталь и мрамор и, что намного хуже, разрушающие наши легкие.
В сравнении с традиционными паротурбинными электростанциями, ТЭЦ и котельными более эффективна газовая микроэнергетика. Малые установки позволяют вырабатывать необходимое количество энергии в соответствии с текущими потребностями в непосредственной близости от потребителя. Они обладают высокой надежностью и малоинерционны. Стоимость оборудования на киловатт мощности вдвое ниже, чем на крупных ТЭЦ.
Важное преимущество газовой микроэнергетики -маневренность. Изменить электрический режим можно за секунды, тепловой режим -- за минуты, вместо многих часов изменения режима в обычных тепловых сетях. Практическая нерегулируемость сегодняшних тепловых источников с длинными сетями приводит к перерасходу энергии: когда зимой потеплеет и мы открываем окна, выбрасывая избыток тепла на улицу.
Отметим еще одну деталь: за все потери в энергетике, в конечном счете, платит потребитель.
Нефть -- источник энергии и сырья
Долгое время нефть не находила применения как топливо и сырье. Только в начале ХIХ века из "земляного масла", как ее тогда называли, стали выделять очищенные продукты. Прежде всего, научились получать керосин и бензин. Керосин нашел применение сразу с появлением керосиновой лампы. Судьба бензина оказалась более сложной. На протяжении почти ста лет эта легковоспламеняющаяся жидкость была одним из опаснейших отходов нефти.
Бензина с каждым годом становилось все больше и от него все труднее было избавляться. К началу ХХ века вес уничтожаемого бензина исчислялся сотнями тысяч тонн в год. Объявлялись конкурсы -- кто найдет лучший способ уничтожения отходов. Только изобретение двигателя внутреннего сгорания открыло реальную область применения бензина [4].
Нефть содержит до 50% мазута, который также не находил применения. В настоящее время из него изготавливают смазки и сжигают в специально разработанных топках котлов.
Месторождения нефти на материках, которые могут быть освоены отработанными методами, давно и хорошо известны. Их эксплуатация идет полным ходом.
На протяжении многих лет специально оборудованные суда, ведущие разведку нефти, тщательно исследуют морское дно. Геологи связывают свои надежды, прежде всего, с шельфом (шельф [англ. shelf] -- подводное продолжение материка, до глубины 200 м) -- дном мелководных морей, омывающих все без исключения части света.
В морях, которые глубоко вдаются в материки, шельфовые зоны сравнительно велики, поскольку вокруг лежит суша. Берега в таких местах, как правило, омываются мелководьем.
Наиболее перспективное шельфовое море -- Северное. Сейсмическое зондирование и контрольное бурение показало, что под его дном находятся несколько десятков нефтяных месторождений. Согласно оценкам, суммарные разведанные запасы нефти в Северном море достигают 1,5 млрд. т. Это в семь раз превышает запасы нефти на Европейском континенте.
Специалисты полагают, что до сих пор разведана около 1/3 нефти. Кроме нефти под дном Северного моря обнаружено около 50 газоносных месторождений.
В связи с этим становится понятной дальновидность построения морских терминалов, например, в Одессе. Нефть нужно переработать. При этом получают не только топливо, но и сырье.
Газификация угля
Кроме непосредственного сжигания уголь может использоваться как сырье для получения синтетического газа. Первые опыты по газификации угля относятся к концу ХVIII века. В 1782 году Ф. Фонтана сообщил о наблюдавшейся им реакции образования "горючего газа" при пропускании водяного пара через раскаленный уголь.
Опыты по получению газа для освещения проводились в Англии в начале ХIХ века. В 1831 г. Дж. Лоу предложил сжигать уголь в атмосфере воздуха, а затем газифицировать пропуская через него водяной пар. В 1840 г. был построен первый газогенератор. В 1854 г. -- зарегистрирован первый патент на технологию газификации угля в промышленных масштабах.
Рост доли промышленного использования в энергетике нефти и природного газа сделал процессы газификации угля конкурентоспособными. Энергетические компании снова обратили на него внимание в период энергетического кризиса 1973...74 гг.
Производительные технологии разработаны в начале ХХ века. Известен метод газификации угольной пыли, предложенный Винклером, в начале 20-х годов. Фирма "Лугри" разработала технологию получения газа, обладающего высокой теплотворной способностью, с использованием кислорода и водяного пара под давлением.
С точки зрения экологии любые виды газификации угля только увеличивают вредные выбросы. При сжигании выбросы окислов серы и азота остаются велики даже при очень дорогостоящих очистных сооружениях, а выбросы основного продукта сгорания -углекислого газа -- неустранимы.
Если теплоэлектростанции наряду с уловителями золы и очисткой сточных вод оборудуются установками для серо- и азотоочистки, то они, безусловно, дорожают. Расчеты показывают, что энергия угольных ТЭЦ обойдется вдвое дороже газовых.
Таким образом, представляется, что для энергоснабжения экономичнее использовать природный газ.
Газовая микроэнергетика
Газ -- наиболее эффективный вид топлива. Природный и попутный горючий газ состоит из углеводородов с примесью азота, углекислого газа, сероводорода и в небольших количествах аргона и гелия. В его состав входит 40...80% метана и пропана, 20...60% бутана, пентана и высших углеводородов, а теплотворная способность достигает 4,19 кДж/кг.
Газ как топливо создает единственную экологическую опасность -- токсичные окислы азота в продуктах горения. В малых котлах их образуется в пять раз меньше (на единицу вырабатываемой энергии), чем в больших. Кроме того, существуют хорошо проверенные простые методы дальнейшего снижения окислов азота в выбросах путем подмешивания части дымовых газов к входящему воздуху, то есть с рециркуляцией или дожиганием.
Дожигатель монтируется на любую горелку и обеспечивает медленное, с многократной рециркуляцией, вихревое движение горящих газов дающее полное сгорание -- без сажи и при минимальных количествах окислов азота. Этот метод используется при сжигании не только природного газа, но и отработанного машинного масла из автомобильных двигателей или резиновых отходов и старых шин.
Малые энергоустановки на базе двигателей внутреннего сгорания на газовом топливе (или газовых турбин), турбогенератора и котла-утилизатора для комбинированной выработки электроэнергии и тепла представляются реальной основой газовой энергетики. В тех случаях, когда необходимо только тепло (отопление, горячая вода), достаточно установить на чердаке здания небольшой полностью автоматизированный водогрейный котел.
Газовые трубы вместо тепломагистралей
Плотность потока энергии в газовой трубе, даже при невысоком давлении, в сто раз выше, чем в трубе с горячей водой. Уложенные до войны газовые трубы служат до сих пор. В то же время тепловые сети с водой, нагретой до 100...180oС, приходится менять каждые пять-десять лет из-за неустранимой коррозии металла в горячей и влажной среде. Поэтому одну и ту же энергию можно передать в газовой трубе десятикратно меньшего диаметра, кроме того, газовые сети многократно долговечнее.
Вместо тепловых магистралей диаметром около метра, которые хорошо знакомы жителям городов, газовая труба диаметром 100 миллиметров может быть проведена всюду практически без "травм" для окружающих сооружений.
Малые современные водогрейные котлы с полной конденсацией дымовых газов имеют КПД не ниже 90%. При нагреве воды для горячего водоснабжения от 10 до 100oС температура уходящих газов составляет всего 20...30oС. Рециркуляцией дымовых газов выбросы окислов азота снижаются до 30 частиц на миллион. Это лучше, чем при любых способах очистки, применяемых на больших электростанциях. Котлы полностью автоматизированы, они не требуют обслуживания кроме периодического осмотра.
На графике рис. p081 отражены результаты эксплуатации такого котла тепловой мощностью 300 кВт. Как видно из графиков, даже в трудном режиме малой нагрузки (20% от номинальной) достаточно рециркулировать 25% газов, чтобы добиться малых выбросов.
При такой же единичной мощности -- сотни киловатт можно решать и задачу снабжения электроэнергией. Здесь хорошим примером служат дизель-генераторы, поставляемые фирмой ABZ Aggregate-Bau GmbH (см. гл. 4.1). Дизельный двигатель на природном газе вращает синхронный генератор, дающий электроэнергию. Тепло охлаждения двигателя и выхлопных газов используется для отопления и горячего водоснабжения. Низкий уровень шума и малые выбросы окислов азота и других вредных газов приемлемы даже для условий города с особо высоким уровнем требований.
В жилых домах подобные агрегаты размещаются на верхнем этаже либо в подвале. Их возможный шум или вибрация меньше, чем от лифтовой машины или водяных насосов. Запуск и остановка проводятся автоматикой в соответствии с реальной нагрузкой. Никакой проблемы маневренности не возникает. При неисправности агрегата его не ремонтируют, а заменяют, привозя новый двигатель или генератор.
Эффективность малой энергетики по расходу топлива, несомненно, выше, чем при традиционном централизованном теплоснабжении от паротурбинных ТЭЦ. Дизельные двигатели имеют КПД около 42%, тогда как паротурбинные установки, даже самые совершенные -- не выше 39%. К тому же при доставке преобразованной энергии потребителю в тепловых сетях теряется в среднем не менее 10% энергии, тогда как в газовой таких потерь нет совсем.
Газ -- соперник бензина
Повсеместный рост количества автомобилей потребовал значительного увеличения объемов производства бензина. В качестве замены жидкого топлива для двигателей внутреннего сгорания широко используется природный газ.
Когда в тридцатые годы прошлого века англичанин Барнетт получил патент на газовый двигатель, а в 1860 году француз Э. Ленуар построил мотор, работающий на смеси воздуха и газа, никого такой выбор горючего не удивил -- бензина еще не было.
Впервые бензин в качестве горючего был использован лишь спустя два десятилетия, когда Г. Даймлер создал бензиновый двигатель внутреннего сгорания. Бензиновый мотор заменил лошадь в первых "самодвижущихся колясках" -- автомобилях, создателями которых стали Карл Бенц и Готлиб Даймлер.
О газе как о возможном моторном топливе надолго забыли. Лишь через 100 лет после Барнетта, в конце тридцатых годов нашего столетия, возродилась мысль о его использовании. Тогда появились первые газогенераторные автомобили. Газ вырабатывался в топке, а оттуда подавался в двигатель.
Октановое число 105?
Исследования опровергли устоявшееся мнение, что использование газа вместо бензина -- вынужденная мера. Газовое топливо сгорает полнее, поэтому концентрация окиси углерода в выхлопе газового двигателя в несколько раз меньше.
Автомобиль на бензине выбрасывает в атмосферу сернистый газ, который образуется от сгорания сернистых компонентов топлива, и тетраэтилсвинец. В природном газе серы, как правило, нет, а поэтому в выхлопах газового двигателя нет ни сернистого газа, ни соединений свинца.
В отработанных газах бензинового двигателя из-за неполного сгорания топлива содержится и окись углерода (СО) -- токсичное для человека вещество.
И газовые, и бензиновые автомобили выбрасывают в атмосферу одинаковое количество углеводородов. Для здоровья человека опасны не сами углеводороды, а продукты их окисления. Двигатель, работающий на бензине, выбрасывает сравнительно легко окисляющиеся вещества -- этил и этилен, а газовый двигатель -- метан, который из всех предельных углеводородов наиболее устойчив к окислению. Поэтому углеводородный выброс газового автомобиля менее опасен (см. рис. p064).