Чем предлагается заменить нефть и нефтепродукты реферат

Обновлено: 02.07.2024

Альтернативные источники энергии - чрезвычайно популярная тема в последнее время. Даже в России, где с традиционными источниками все в порядке, поиск альтернативных источников энергии приобретает все большее значение.

Есть ли альтернатива нефти? Такой вопрос мне очень часто задают мои знакомые, не знакомые с нефтяной отраслью.

По данным BP Statistical Review of World Energy 2013 потребление энергии в мире распределено в следующих пропорциях:

Как мы видим из диаграммы, наиболее значительным является потребление нефти (33,1%). К 2030 году по прогнозу той же компании ВР потребление нефти наряду с природным газом продолжит занимать свое лидирующее положение и составит порядка 30% в мировом энергобалансе.

Объемы потребления нефти сегодня поистине впечатляющи. Например, чтобы произвести столько же энергии, сколько ее содержится в потребляемой нефти необходимо построить порядка 4000 атомных станций по 1,5 ГВт каждая. На сегодня в мире примерно 440 действующих атомных реакторов общей мощностью около 363 ГВт. Если построить еще 4000 атомных реакторов в соответствии с существующими технологиями, то все известные запасы урана будут использованы буквально за 10 лет.

Возникает естественный вопрос, почему именно нефть занимает такую значительную долю в мировом энергопотреблении? За счет чего нефти удалось занять свое лидирующее положение в качестве источника энергии?

Преимущества нефти и получаемого из нее топлива

В значительной степени нефть имеет такое важное значение благодаря изобретению двигателя внутреннего сгорания и развитию транспорта на его основе. В транспорте нефть без преувеличения можно считать незаменимой.

Чтобы убедиться в этом, достаточно сравнить теплотворную способность различных видов топлив.

Теплотворная способность различных видов топлив

Топливо	МДж/кг	МДж/л
Дизельное топливо	42,6	36,6
Керосин	44,0	34,3
Бензин	45,5	34,1
Пропан	47,5	23,3
Метан	50,1	19,5
Водород	120,9	8,5
Бутанол	36,0	29,1
Этанол	21,2	16,7
Метанол	19,9	15,7
Уголь (углерод)	29,3	-

Глядя на эту таблицу легко понять, почему топлива, получаемые из нефти, занимают ведущее положение. И дизельное топливо, и керосин, и бензин обладают наибольшей теплотворной способностью на единицу объема.

Также легко понять, почему так много разговоров о водородной энергетике - в весовых единицах водород обладает наибольшей теплотворной способностью. И также понятно, почему на практике водород в качестве топлива используется только в ракетах и т.п. и не используется на обычном транспорте – в объемных единицах он обладает наименьшей теплотворной способностью. Мало кто согласится купить машину, работающую на водороде, и везде возить за собой цистерну с этим самым водородом - обычного бака для этого вида топлива явно будет недостаточно.

Недостатки биотоплива из приведенной таблицы также становятся видны невооруженным глазом. И метанол, и этанол обладают в ~2 раза меньшей теплотворной способностью, чем привычный для нас бензин.

Теплотворная способность, конечно, не единственный критерий, который необходимо принимать во внимание. Важна не только энергетическая ценность, но и физические характеристики энергоносителя. И в этом смысле нефть имеет преимущества перед многими другими энергоносителями. Просто потому что она представляет собой жидкость. А жидкость – это удобно. Ее легко транспортировать, легко обеспечить ее подачу в камеру сгорания. Попробуйте, например, представить себе самолет, летающий на угле. Газ – тоже проблематичный вариант. Например, из топливного бака, заполненного водородом, всего лишь за одну неделю улетучивается половина объема.

Нефть уникальным образом сочетает в себе множество преимуществ. Все современные технологии заточены под углеводородное топливо. Вся инфраструктура, развивающаяся уже более века, также ориентирована на нефть. В то же время какие-то отдельные преимущества альтернативных источников энергии при рассмотрении их в более широком контексте сразу начинают проигрывать традиционной нефти и получаемым из нее нефтепродуктам.

Преимущества нефти и получаемого из нее топлива:

высокая энергоемкость;
удобство использования;
трудновоспроизводимая чистота сгорания в двигателе внутреннего сгорания;
возможность относительно быстро пополнить запас топлива в транспортном средстве;
отсутствие необходимости в утилизации каких-либо остатков;
триллионно-долларовая уже существующая инфраструктура, завязанная на топливо из нефти;
субсидии, которые усиливают изначально присущие нефти преимущества.

Вместе с тем, как мы знаем, нефть относится к невозобновляемым источникам энергии. О пике добычи нефти разговоры ведутся уже не одно десятилетие и как бы мы ни были оптимистично настроены, пик когда-нибудь наступит, после чего последует спад добычи. При этом потребление энергии (в том числе нефти) и соответственно спрос на нее будет только расти. Это связано как с увеличением численности населения (к 2030 году нас будет уже 9 млрд. человек), так и с повышением уровня жизни (а это неизменно сопровождается повышением потребления энергии).

В этом свете становится понятно, почему таким странам как, например, США приходится развивать добычу, так скажем, альтернативных видов нефти. Сланцевая нефть, о которой так много говорят, тоже в каком-то смысле относится к альтернативным источникам энергии. И хотя эффективность ее добычи вызывает много вопросов, ее добыча будет расти. А куда деваться, если традиционной нефти не хватает? Добыча нефти из нефтяных песков в Канаде, добыча тяжелой нефти в долине реки Ориноко в Венесуэле, разгорающаяся борьба за ресурсы в Арктике - все это не от хорошей жизни. Мир требует углеводородов. И пока, по большому счету, заменить их нечем.

Альтернативные (возобновляемые) источники энергии нужны и, несомненно, важны. Но представление о том, что они могут полностью заменить собой углеводороды, не соответствует истинному положению вещей. Определенно они будут совершенствоваться и постепенно расширять свою нишу в будущем энергобалансе. Но и без нефти в современном мире никак не обойтись.

Многие аналитики предполагают, что к моменту, когда использование нефти в качестве топлива утратит практичность, человечество ещё не достигнет той ступени развития, на которой станет возможным переход на качественно новую энергетику. Поэтому, хотя в краткосрочной перспективе вопрос об окончании нефти на планете не стоит, разработка технологий получения и использования альтернативных жидких органических топлив и смазочных материалов остается перспективным направлением.

При этом, учитывая, что в настоящее время мир становится всё менее стабильным, технологии получения заменителей нефти могут стать актуальными в зонах чрезвычайных ситуаций и боевых действий, в которых затруднена международная торговля этим ресурсом. Станет снова востребован опыт Второй Мировой войны, когда в СССР строились автомобили с газогенераторными двигателями, а в нацистской Германии производилась синтетическая нефть.

В настоящей статье мы рассмотрим несколько наиболее перспективных технологий получения и использования заменителей нефти, и проведем их сравнительный анализ.

Вариант №1: газообразное топливо

Газ как заменитель нефти обладает большим количеством достоинств. Хотя природный газ и является, как и нефть, невозобновляемым ресурсом, его запасы на планете оцениваются как существенно превосходящие нефтяные. Вдобавок, технологии добычи природного газа постоянно совершенствуются, хотя некоторые из них (в частности, добыча газа из сланцевых пластов) и становятся объектами критики. Природный газ выгодно отличается от нефти более высокой экологической чистотой: при сгорании он не выделяет соединений серы и других вредных неорганических газов. Добыча его значительно менее дорогостояща, чем добыча нефти. Многие аналитики предсказывают, что использование природного газа как заменителя нефти позволит человечеству прожить ещё около 100 лет, используя технологии сжигания углеводородов.

Наиболее эффективен природный газ в качестве моторного топлива. Он отличается высоким октановым числом и при использовании многократно снижает вредные выбросы двигателей внутреннего сгорания. Также существует богатый опыт использования газа (в частности, в Европе) в качестве топлива для тепловых электростанций.

Тем не менее, природный газ (метан) обладает одним существенным недостатком. Речь идет о неудобстве хранения. Метан – лёгкий газ, который трудно поддается сжижению. При нормальной температуре он не сжижается под давлением; для хранения сжиженного метана нужна криогенная температура, составляющая -165 градусов Цельсия. Поэтому любое компактное оборудование для хранения природного газа (например, топливные баки автотранспорта) рассчитано на хранение сжатого, а не сжиженного метана. Это накладывает на них особые требования по прочности и герметичности, так как они должны долгое время выдерживать высокое давление. Добавим к этому еще и более низкую теплотворную способность метана по сравнению с нефтепродуктами, и недостатки начнут перевешивать преимущества.

Вариант №2: биотопливо

Интересной, но, увы, бесперспективной технологией является получение заменителей нефтепродуктов из растительных материалов. Речь идет о двух видах топлива: биобензине (смесях на основе этилового спирта) и биодизеле (смесях на основе сложных эфиров жирных кислот). Эти вещества могут с успехом заменить нефтепродукты, но их фатальным недостатком, перечеркивающим все перспективы биотопливных технологий, является низкая производительность. Чтобы получать объёмы биотоплив, сравнимые с объёмами ныне производимых нефтепродуктов, надо отдавать под выращивание соответствующих растений (не дающих никакого пищевого продукта) огромные сельхозплощади, или строить огромные чаны с искусственно выращиваемыми водорослями. Поэтому чистые биотоплива редко используются сейчас, а применяются только различные биодобавки к традиционным нефтепродуктам.

Вариант №3: каменный уголь

В качестве альтернативы газу некоторыми странами рассматривается и возвращение к каменному углю как основному добываемому топливу. В первую очередь речь идет о Китайской Народной Республике – стране, первой в мире по добыче угля, при этом не обладающей никакими значительными запасами нефти. Китай еще в 2004 году принял государственную программу по строительству заводов, преобразующих уголь в жидкое топливо. Это не чисто китайское ноу-хау: подобные технологии внедряла также гитлеровская Германия на позднем этапе Второй мировой войны, когда оказалась отрезана ото всех нефтедобывающих регионов. Основой для технологии послужила разработка, начавшаяся еще в кайзеровские времена и законченная в 1934 году немецкими химиками Фишером и Тропшем. Процесс Фишера-Тропша происходит в два этапа: на первом этапе в результате реакции каменного угля с водяным паром получалась смесь водорода и угарного газа – так называемый водяной газ, или синтез-газ. На втором этапе происходил синтез легких углеводородов из водяного газа. В результате каменный уголь перерабатывался в синтетический бензин.

Недостатком этого метода является высокая стоимость синтетического бензина по сравнению с получаемым из натуральной нефти. Однако, по всей видимости, КНР располагает технологиями, достаточными для того, чтобы удешевить процесс и сделать синтетическое моторное топливо дешевле, чем получаемое из импортируемой нефти. Однако китайцам придется решить еще одну проблему, связанную с процессом Фишера-Тропша, а именно крайнюю сложность получения из водяного газа тяжелых углеводородных фракций (газойля и моторных масел): катализатор быстро отравляется и расходуется, в результате стоимость получения тяжелых углеводородов этим методом получается запредельной.

Вариант №4: торф и продукты его переработки

Свойства торфа более разнообразны, чем свойства каменного угля, что связано с его более сложным химическим составом. С одной стороны, торф также является годным сырьём для уже описанного процесса Фишера-Тропша: его также можно газифицировать и синтезировать из получаемого газа бензин. Точнее, для получения водяного газа используется так называемый торфовый полукокс – углеродный остаток, получаемый в результате пиролиза торфа. Однако тот же процесс пиролиза торфа дает и другие, более интересные продукты. В числе их и жидкие продукты – торфяной дёготь, смола. Эти продукты по своему составу напоминают тяжелые фракции нефти или мазут, но отличаются от них более высоким содержанием ароматических углеводородов. Помимо того, что из жидких продуктов пиролиза торфа можно получать бензол, фенол, толуол, нафталин и другие ароматические углеводороды, их также можно подвергать перегонке и крекингу, как нефть.

Что замечательно, так это то, что две технологии дополняют друг друга. Из так называемых фракций лёгкого масла и поглотительного масла, выделяемых из торфяных смол, можно получать вещества, аналогичные керосину, газойлю, минеральным маслам и другим тяжелым нефтепродуктам, которые затратны и затруднительно получать по способу Фишера-Тропша. А путем переработки торфяного полукокса по способу Фишера-Тропша можно получать бензин, пропан, бутан и другие легкие углеводороды. Из этого можно сделать вывод, что переработка торфа позволяет сочетать достоинства переработки каменного угля и биотопливных технологий: этот способ отличается и возобновляемостью ресурсов, и общей нефтеподобностью получаемых веществ (в отличие от биотопливных технологий, результатом которых является спирт, эфиры и другие кислородсодержащие вещества), и, в отличие от биотопливных технологий, не требует для успешного внедрения огромных сельскохозяйственных площадей или чанов с водорослями; в их роли выступают существующие в природе торфяные болота.

Ученые бьют тревогу. По сравнению с серединой XVIII века, когда началась индустриальная эпоха, концентрация углекислоты в атмосфере в начале века нынешнего выросла на 37%. По прогнозам, если темпы увеличения концентрации сохранятся, то к концу текущего столетия температура на нашей планете может увеличиться на 2,4 – 6,4 градуса Цельсия. Парниковый эффект, глобальное потепление и невиданный подъем уровня мирового океана с учетом этих данных уже не выглядят наукообразными страшилками и обретают черты вполне реальной опасности.

Можно ли бороться с напастью? Конечно можно, если изменить структуру промышленного производства и потребления энергии. Те времена, когда для современников было актуальным знаменитое сравнение эффективности сжигания нефти в топке паровоза со сжиганием банковских ассигнаций, давно прошли. Наши современники в необходимости высокотехнологичной переработки энергетического сырья не сомневаются.

Тем не менее, углеводороды по-прежнему главный источник энергии на нашей планете. Именно нефть, газ и уголь обеспечили столь заметный рост содержания в атмосфере углекислоты. Сможет человечество от них отказаться в пользу иных, более чистых источников – значит, выживут многие миллионы людей, которым грозит гибель ввиду подъема уровня мирового океана и связанного с этим сокращением пригодных для проживания территорий, как следствие – мирового передела, обусловленного не стремлением к наживе, а необходимостью выживания.

В авангарде научного сообщества, занимающегося проблемами мирового потепления, американские ученые. Но американские политики почему-то оказались менее восприимчивы к предупреждениям, чем европейцы.

Странами ЕС претворяется в жизнь план по борьбе с климатическими изменениями, реализация которого должна привести к сокращению выбросов СО2 в атмосферу на 20% в 2020 году, и даже на 30%, если европейцы не окажутся единственными, кто предпримет конкретные шаги, а к 2050 году вообще на фантастических 80 – 95%.

Пресса пишет, что план обойдется достаточно дорого. В ближайшие 40 лет странам Евросоюза придется тратить на защиту климата более четверти триллиона евро ежегодно. Казалось бы, где их взять, когда по всему миру страны сотрясают один за другим то экономические, то политические кризисы?

Но оказывается, при всей своей развитости, мы все еще продолжаем нестись незнамо куда на паровозе, в топке которого пылают бумажные деньги. По самым скромным подсчетам только экономия потребления энергии может принести до 175 миллиардов евро в год.

Главные источники чистой энергетики ближайшего будущего – полупроводниковое фотоэлектричество и биотопливо из отходов сельскохозяйственного производства.

Полупроводниковая фотоэнергетика – это преобразование в электроэнергию солнечного света с помощью полупроводников. Сегодня стоимость энергии, полученной таким образом, все еще выше, чем добытой сжиганием углеводородов, но процесс развития солнечной энергетики развивается лавинообразно.

Судите сами. За год в мире производится около 3,8 – 4 тысячи гигаватт электроэнергии, из которой только 7,5 гигаватт фотоэлектричества. Но каждые 1,7 года производство энергии методами полупроводникового преобразования солнечного света увеличивается вдвое. Займитесь несложными подсчетами, и увидите, что цифры 7,5 и 3800 разделяет всего лишь 17 лет.

Не менее бурные темпы развития у производства биотоплива. Сегодня широко известные его виды – биоэтанол, биометан, биобутанол и биодизель. Учеными разработаны новые энергоемкие молекулы – биоцетаны и биокетали, сырьем для которых послужат не посадки зеленой массы, вытесняющие посадки продовольственных культур, а отходы сельхозпроизводства. К примеру, получению тонны пшеничного зерна сопутствует почти две тонны соломы и других отходов, практически не используемых. По прогнозам, к 2030 году всех видов биотоплива в мире будет производиться столько же, сколько сегодня добывается нефти.

Фотоэлектричество и биотопливная энергетика обеспечены ресурсами и способны полностью удовлетворить потребности человечества в энергии. Возможно, что через 10 – 15 лет биржевые нефтяные котировки перестанут передавать в сводках горячих новостей.

Читайте также: