Ensuring carbon neutrality of the use of mineral fuels in the energy sector

Full Text

Энергетическая основа современной технократической цивилизации – углеродосодержащие энергоносители (минеральное топливо), извлекаемые из литосферы нашей планеты. В эту группу полезных ископаемых входят нефть, газ, уголь, горючие сланцы и торф. Согласно новейшим обзорам, в настоящее время энергообеспечение техносферы осуществляется в основном за счёт угля – более 35% всей используемой энергии, а в Китае и Индии – до 80%. В России уголь уступил первенство природному газу, обеспечивая примерно 18% выработки энергии при общей доле всех видов минерального топлива чуть более 70% [1, 2].

Эффект глобального потепления объясняется выбросами парниковых газов (в первую очередь двуокиси углерода), неизбежно сопровождающими рост техносферы в рамках генеральной технологической парадигмы общества неограниченного потребления. В связи с этим на первый план вышла проблема декарбонизации отходов углеродной энергетики, поскольку от её решения зависит успешная реализация глобальной концепции устойчивого развития и национальной Стратегии социально-экономического развития Российской Федерации с низким уровнем выбросов парниковых газов до 2050 года (распоряжение Правительства РФ № 1225-р от 31.08.2002 г.).

Стратегия научно-технологического развития Российской Федерации [3, 4] связывает прогрессирующее накопление СО₂ в атмосфере с угольной энергетикой, со всеми невыгодными для России потенциальными ограничениями в области добычи этого вида полезных ископаемых. В качестве одного из путей решения этой экологической проблемы при подготовке стратегии были рассмотрены (но не задействованы вследствие технических и геоморфологических трудностей) опции технологии сжигания углеродсодержащего топлива с улавливанием и захоронением углекислого газа (Carbon Capture and Storage – CCS), подразумевающей выделение диоксида углерода из промышленных выбросов и закачивание его в сжатом виде в подземные геологические структуры для длительного хранения [5].

Следует отметить, что в Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации впервые на столь высоком уровне была обозначена необходимость интенсификации работ по созданию различных модификаций природоподобных технологий как когнитивной основы для преодоления глобальных экологических противоречий за счёт экологизации технологической парадигмы развития техносферы в целом и её минерально-сырьевого комплекса в частности.

Современное положение дел и обоснование методологии решения проблемы. Углерод – энергетическая основа существования всего живого на планете. В естественной биоте он необходим для образования таких сложных молекул, как белки и ДНК. В рамках замкнутого углеродного цикла атомы углерода непрерывно перемещаются из атмосферы в биосферу и обратно с периодическим поглощением и выделением энергии [6–8]. Общий баланс углерода в этом круговороте представлен в таблице 1.

Таблица 1. Содержание углерода в естественном кругообороте [9]

Появление и развитие Homo sapiens как биологического вида, существующего вне естественного баланса солнечной энергии, запустили процесс динамичного изменения естественного углеродного цикла. С одной стороны, формируя искусственную среду обитания, человек достаточно интенсивно разрушает биоту и меняет количественные характеристики природного углеродного цикла. С другой стороны, построив всю энергосистему антропосферы почти исключительно на минеральном топливе, человечество создало параллельную замкнутому природному круговороту углерода незамкнутую систему обращения законсервированного в литосфере органического углерода прошлых геологических эпох. Этот цикл начинается с добычи минерального топлива, включает использование энергии находящегося в нём углерода в различных антропогенных процессах и завершается депонированием углекислого газа в атмосфере со всеми вытекающими отсюда негативными последствиями. Динамика этих процессов отражена в таблице 2.

Таблица 2. Показатели антропогенного углеродного цикла [10, 11]

Примечание: * от англ. “parts per million” или “частей на миллион”.

Согласно современной типизации кризисов, накопление CO₂ в атмосфере имело своим следствием возникновение напряжённой ситуации, дальнейшее усугубление которой неизбежно приведёт к полноценному кризису [12]. Поиск путей и методов устранения этой тенденции в настоящее время идёт по двум основным направлениям. Первое предусматривает замену минеральных энергоносителей возобновляемыми источниками энергии, второе предполагает изменение технологии использования минерального топлива в пользу полной очистки газообразных отходов энергогенерации от углекислого газа. Показатели и перспективы развития первого направления достаточно подробно рассмотрены в материалах Мирового энергетического агентства [11], а также ряда других аналитических центров [13, 14]. По результатам этих исследований построен график (рис. 1), из которого видно, что с начала XXI в. быстро развивается возобновляемая энергетика, и через 40–50 лет она может сравняться по объёму генерации с энергией, получаемой за счёт энергоносителей литосферы. Однако абсолютное доминирование “зелёной” энергии наступит, по мнению экспертов, в более отдалённой перспективе.

Рис. 1. Состояние и перспективы развития различных способов и источников генерации энергии в мире [11–14]

Идеологической основой второго направления борьбы с накоплением CO₂ в атмосфере служит (наряду с упомянутыми выше технологиями CCS) исследование возможностей снижения его количества за счёт физико-химических процессов минеральной декарбонизации газообразных отходов тепловых электростанций. В этом случае техногенный углекислый газ, вступая в реакцию с оксидами щёлочноземельных или щелочных металлов, либо с силикатными минералами, в условиях экзотермического отвода энергии образует твёрдые и химически стабильные карбонаты. Использование методики минеральной декарбонизации продуктов сжигания обусловлено наличием и концентрацией оксидов двухвалентных металлов (Са²⁺, Mg²⁺), которые обычно присутствуют в составе силикатов, алюмосиликатов и гидроксидов, например, серпентинита (Mg₃Si₂O₅(ОН)₄), оливина ((Mg,Fe)₂SiO₄), волластонита (CaSiO₃) и т.п. При этом эффективность созданных на этой основе технологий определяется массовой долей катионов, которая, в свою очередь, влияет на скорость протекания реакций. Для связывания 1 т двуокиси углерода требуется от 1.6 до 3.7 т чистых природных силикатов [15], которые, как и минеральное топливо, надо добывать из литосферы, что влечёт за собой вторичные экологические проблемы.

Кроме того, обсуждаются технологии, в которых в качестве активного вещества, связывающего CO₂, выступают продукты термической переработки бытовых или промышленных отходов [16]. Здесь возникает вполне очевидное внутреннее противоречие – неизбежность выделения в атмосферу углекислого газа при первичной термической переработке отходов с целью получения активного вещества для последующего связывания CO₂.

С общеэкологической точки зрения обе технологии декарбонизации газообразных продуктов сгорания углеродосодержащего топлива построены на том, что не замкнутый по углероду процесс получения тепловой энергии с депонированием CO₂ в атмосфере превращается в такой же не замкнутый по углероду процесс с образованием твёрдых отходов, депонируемых в абиоте природных экосистем. Таким образом, экологическая защита атмосферы от парникового газа во всех рассмотренных случаях обеспечивается за счёт адекватной по объёму связанного углерода экологической нагрузки на биосферу при размещении в ней дополнительных твёрдых отходов. В обозримом будущем не удастся полностью отказаться от использования углеродосодержащих горючих ископаемых. Поэтому необходимым условием практической реализации упомянутой государственной стратегии остаётся решение фундаментальной проблемы полной декарбонизации продуктов сгорания тепловых электростанций, в первую очередь угольных (с учётом реальной структуры сырьевой базы России).

Согласно основным положениям теории когнитивного резонанса, сигналы похожих объектов вызывают однотипный отклик в сознании субъекта [17]. Применительно к обсуждаемой проблеме это означает, что в методологическом плане технологические ответы на возникающие вызовы надо искать там, где они уже получены, то есть в схожих по целеполаганию биологических системах. Построив когнитивно-резонансную иерархию факторов, определяющих экологическую безопасность окисления углерода, можно воспроизвести функциональную структуру технологических систем, обладающих тем же качеством. Эта идея была впервые выдвинута более 20 лет назад в Институте проблем комплексного освоения недр им. академика Н.В. Мельникова РАН (ИПКОН РАН) в виде гипотезы о взаимозависимости уровня экологической безопасности технических и биологических систем и степени единообразия принципов построения их функциональной структуры [18]. Последовательное развитие этой гипотезы в рамках поисковых исследований (11 грантов РФФИ) привело к формированию научных основ создания природоподобных горных технологий для подземной разработки месторождений твёрдых полезных ископаемых и способов адаптации типовых решений к изменяющимся горно-геологическим условиям [19–22]. Общеметодологические подходы к решению горнотехнических проблем и методы трансформации функциональной структуры биологических систем в технологические кластеры позволили сформулировать генеральную идею настоящей работы.

Реакция окисления углерода составляет энергетическую основу внутреннего развития как биологических, так и антропогенных технических систем, но с тем различием, что в первом случае она обеспечивает животворные силы природы, а во втором – служит источником одной из глобальных экологических проблем технократической цивилизации. Как и в случае с горными технологиями, идея состоит в применении законов и схем движения и преобразования углерода в биологических системах для обоснования функциональной структуры технических систем. Таким образом, общая методология решения данной проблемы представляет собой синтез функциональной структуры декарбонизированной технологии использования углеродосодержащего минерального топлива на основе анализа процессов и направлений потоков глобального биогеохимического цикла обращения углерода в естественных геосферах.

Учитывая абсолютно антагонистический характер противоречий между техно- и биосферой [19], методику исследований целесообразно строить на положениях гомеостатики, которые предполагают неразрушающее совмещение противоположностей путём поэтапного формирования геотехнологического гомеостата на основе гомеостата биологического, с заменой его содержательных элементов на технологические аналоги. Этот приём позволяет создавать из взаимодействующих антагонистов такие природно-технические системы, в которых новые экологические свойства технической составляющей формируются за счёт биоподобной функциональной структуры. Эти природоподобные технологии определяют как конвергентные [21].

Результаты исследований. В основе существования естественной биоты Земли лежит круговорот углерода, то есть его постоянное перемещение между биологическими объектами и неорганической материей в составе абиоты. Этот процесс происходит по двум основным циклам, детально изученным и многократно описанным в литературе [9, 23, 24]. Постараемся рассмотреть их в контексте экологически безопасного получения энергии при сжигании минерального углеродосодержащего топлива. Углерод, находящийся в составе литосферы в чистом виде (графит, алмаз) или в форме неорганических соединений (карбонатные породы), а также углерод атмосферы в виде углекислого газа не может вступать в экзотермические реакции и поэтому не является потенциальным энергоносителем. Эти свойства он приобретает только в составе органических соединений, которые производят продуценты биологических систем, образуя биомассу.

Устойчивое развитие и экологическая чистота природно-равновесных систем естественной биоты обеспечиваются за счёт большого и малого циклов замкнутого биотического обмена, которые регулируются законом Вернадского–Бауэра (рис. 2) [21]. Обращение углерода в биоте сухопутных экосистем происходит по малому кругу и в масштабе времени, определяемом продолжительностью жизни растений. Фотосинтез – двусторонний процесс. В светлое время суток углерод участвует в синтезе органических кислот. При этом каждая молекула СО₂, полученная из атмосферы, освобождает в результате расщепления воды одну молекулу кислорода, которая возвращается в атмосферу. Ночью энергия и восстановительные силы этих кислот под контролем ферментов затрачиваются на образование нового органического вещества [9]: 6СО₂ + 12H₂O + энергия солнца (2.7 МДж) + хлорофилл = С₆H₁₂O₆ + 6O₂.

Рис. 2. Схема движения и преобразования углерода в системах сухопутных (1) и водных (2) продуцентов
С_А – углерод в составе органических соединений; С_П – углерод в составе неорганических соединений

В ходе этой реакции возобновляемая энергия солнечного излучения преобразуется во внутримолекулярную энергию органических соединений и таким образом возвращает неорганическому углероду способность вступать в экзотермические реакции. В биомассе продуцентов, составляющих сухопутные растительные сообщества, эти соединения в основном представлены углеводами с общей формулой C_m(H₂O) и лигнином, приблизительная брутто-формула которого имеет вид (C₃₁H₃₄O₁₁)₁₂. Групповой вещественный состав основных продуцентов представлен в таблице 3. По истечении срока жизни растений углеродосодержащие органические соединения попадают в почву в виде мортмассы. Под воздействием почвенной биоты она минерализуется с образованием таких конечных продуктов, как СО₂ и H₂O. Выход углекислого газа из педосферы в атмосферу замыкает цикл обращения углерода в экосистемах суши и обнуляет общий кислородный баланс систем продуцентов.

Таблица 3. Групповой вещественный состав сухопутных продуцентов [9]

Большой круг биологического обмена углерода между атмосферой и гидросферой связан с жизнедеятельностью водных экосистем, прежде всего океанических. Удельная продуктивность фотосинтеза в гидросфере несколько меньше, чем на суше, а общая масса фитопланктона существенно уступает массе сухопутных продуцентов. Однако годовая продукция фотосинтеза в водных экосистемах соизмерима с сухопутными вследствие огромной разницы в продолжительности жизни фотосинтетиков в сравниваемых системах. Оборот фотосинтезирующей биомассы и её полное обновление в гидросфере более чем в 3000 раз выше, чем в экосистемах суши [9]. Образующаяся в итоге мортмасса фитопланктона, в которой углерод находится в составе органических соединений и способен вступать в экзотермические реакции, осаждаясь в бескислородной водной среде, не разлагается с выделением СО₂ и энергии, а накапливается в донных отложениях, замыкая тем самым углеродный цикл, но уже в масштабе геологического времени.

Совместное развитие техносферы и биосферы, сопряжённое через идеологию коэволюции [25] антагонистов, всегда осуществляется в виде моделей управляемых природно-технических систем, в которых техногенная экологическая нагрузка лимитирована ресурсом самовосстановления биоты. Очевидно, что в сфере энергетики выполнение этого условия возможно только в том случае, когда использование и преобразование основного энергоносителя в технической составляющей системы происходит в режиме замкнутого круговорота вещества, который обеспечивает устойчивое развитие природной составляющей.

С помощью теории блочно-иерархического строения природы и правила блочно-иерархического отбора (правило БИО) достаточно просто сформировать общую методологию подхода к достижению углеродной нейтральности при генерации тепловой энергии на электростанциях, сжигающих минеральное топливо. Так как каждый высший иерархический уровень можно рассматривать как совокупность блоков низшего уровня, а низший уровень – как совокупность следующих за ним более мелких блоков-фрагментов, вполне осуществима и обратная задача: путём целенаправленного отбора фрагментов нижнего иерархического уровня по правилу БИО можно сформировать блоки высшего уровня, которые соответствуют реальным явлениям другого класса [26]. В этом случае компоновку целого технологического кластера отбора тепловой энергии углеродного топлива из входящих в него фрагментов (этапов движения и преобразования угля) можно осуществить последовательно, переходя от малых блоков к более крупным, разделяя этот процесс на уровни с последующим отбором по критерию совпадения направлений преобразования углерода. С помощью компоновки исполнительных кластеров конвергентных горных технологий можно построить схему гомеостатической трансформации внутренней структуры океанического цикла замкнутого обращения углерода в функциональную технологию декарбонизации продуктов сгорания минерального топлива. Производится подбор соответствующих целевых аналогов по критерию гомеостатического перехода (совпадение формы преобразования углерода). Биохимическая концепция формирования замкнутого круговорота углерода как основного энергоносителя, обеспечивающего существование биосферы, может быть легко преобразована в рабочую технологию использования минерального топлива для генерации тепловой энергии с практически полной углеродной нейтральностью и дополнительными выбросами свободного кислорода в атмосферу.

Отсутствие антропогенных технологий, полноценно воспроизводящих процесс фотосинтеза, делает невозможным замену соответствующего содержательного элемента биологического гомеостата на втором этапе природного замкнутого цикла обращения углерода (см. рис. 2) на технологический целевой аналог. Поэтому для восстановления энерговоспроизводящей функции углерода в функциональную структуру технологии встраивают чисто биологический процесс – фотосинтез в заселённой фитопланктоном водной среде рабочего водоёма. В горнопромышленных районах для этого могут использоваться отработанные рудные или угольные карьеры. Оптимальная плотность популяции фитопланктона определяется механизмами пищевого гомеостаза и условиями динамического равновесия в зависимости от объёма поступающей и поглощаемой двуокиси углерода. В этом случае технология, оставаясь конвергентной по содержанию, становится гибридной по форме (рис. 3) [27].

Рис. 3. Гомеостатическая трансформация биологического цикла обращения углерода в океанических экосистемах в функциональную структуру конвергентной технологии гибридного

Газообразные продукты сгорания первичного минерального топлива подаются в водную среду путём воздушно-пузырькового барботажа через систему распыления. Для поддержания круглосуточного фотосинтеза в активном слое водной среды устанавливают стационарные осветительные приборы, расстояние между которыми определяют в зависимости от оптимальной для фотосинтеза освещённости (в соответствии с законом Бугера–Ламберта–Бера¹). Система освещения питается от солнечных батарей, размещённых на породных отвалах, необходимая температура воды соблюдается за счёт температуры газообразных продуктов сжигания топлива [28, 29].

При движении пузырьков через освещённую воду углекислый газ растворяется и включается в процесс фотосинтеза фитопланктона, обеспечивая прирост биомассы и высвобождение кислорода в атмосферу. Образующийся в результате жизнедеятельности фитопланктона детрит осаждается и собирается в виде донных отложений мортмассы. Смесь донных отложений с водой (пульпа) периодически откачивается, поступает в блок обезвоживания и используется для производства вторичного топлива, которое возвращается в начало процесса генерации тепловой энергии и сжигается в смеси с первичным топливом, замыкая технологический цикл обращения углерода. Реализация гибридной технологии декарбонизации получения тепловой энергии из минерального топлива будет полностью зависеть от вида топлива и его конкретных характеристик. В результате исследований особенностей энергетического использования угля, выполненных в ИПКОН РАН, были получены патентоспособные [30, 31] и непротиворечивые системы, техническое обеспечение которых соответствуют современному уровню развития отрасли.

***

Энергетическую основу современной технократической цивилизации до сих пор составляют углеродосодержащие энергоносители, добываемые из литосферы, в первую очередь уголь и природный газ. Генерация тепловой энергии на электростанциях происходит в рамках незамкнутого углеродного цикла с полным депонированием образующегося углекислого газа в атмосфере.

Определяющую роль в возникновении эффекта глобального потепления и нарастающих кризисных климатических явлений играет накопление техногенных парниковых газов в атмосфере, что неизбежно при стремительном росте энерговооружённости антропосферы. Поиск путей решения этих проблем ведётся по двум основным направлениям:

• замена минеральных энергоносителей возобновляемыми источниками энергии;
• выделение углекислого газа из поступающих в антропосферу газообразных продуктов сжигания минерального топлива, его обработка и принудительное депонирование в других геосферах Земли.

Результаты различных прогнозных исследований, включая последние расчёты, выполненные с применением методов интеллектуального анализа и моделирования на основе нейронных сетей, показали, что, несмотря на приоритет “зелёной” энергетики, тепловая энергетика на основе ископаемых энергоносителей в обозримой перспективе сохранит своё положение в общем объёме генерации энергии, хотя и снизит её долю с современных 58% до 20–25% после 2050 г.

На основе когнитивного анализа механизмов преобразования углерода в малом и большом замкнутых циклах биологического обмена в биоте сухопутных и океанических экосистем получена общая методология создания принципиально нового гибридного варианта конвергентной технологии декарбонизации газообразных отходов, возникающих в ходе сжигания минерального топлива. Прекращение выброса в атмосферу углекислого газа (независимо от типа топлива) обеспечивается за счёт того, что углерод как основной теплоноситель в технологической схеме обращается по замкнутому циклу с выделением свободного кислорода.

Применение новой биоподобной функциональной структуры при формировании технологического кластера открывает реальную перспективу достижения углеродной нейтральности при использовании минерального топлива в энергетике и решения одной из самых острых экологических проблем современности путём устранения её причин, а не борьбы с последствиями. Предлагаемая гибридная технология декарбонизации тепловой генерации энергии для угольных электростанций защищена патентом.

Источник финансирования

Исследование выполнено в рамках государственного задания FMMS-2024.0100.2024-2028 ИПКОН РАН.

¹ Закон Бугера–Ламберта–Бера определяет постепенное ослабление параллельного монохроматического (одноцветного) пучка света при распространении его в поглощающем веществе.

About the authors

Yu. P. Galchenko

Author for correspondence.
Email: schtrek33@mail.ru

доктор технических наук, главный научный сотрудник отдела горной экологии

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. The state and prospects for the development of various methods and sources of energy generation in the world [11–14]

Download (250KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. The scheme of movement and transformation of carbon in the systems of land (1) and water (2) producers. CA – carbon in organic compounds; SP – carbon in inorganic compounds

Download (254KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. Homeostatic transformation of the biological cycle of carbon circulation in ocean ecosystems into the functional structure of a convergent hybrid technology for decarbonization of gaseous waste from combustion of mineral fuels

Download (523KB)

Indexing metadata