В последнее время тема, связанная с потеплением климата и влиянием на этот феномен топливной энергетики, использующей в основном доминирующие в общем энергетическом балансе традиционные виды топлива - нефть, уголь и природный газ, приобретает все большую актуальность. Cуществует мнение, что большая доля в глобальном потеплении климата, наблюдающемся за последние 50 лет, связана с антропогенным воздействием, в первую очередь, выбросами углекислого газа, вызывающими «парниковый эффект». Из них около трех четвертей всех антропогенных выбросов углекислого газа за последние 20 лет стали результатом добычи и сжигания нефти, угля и природного газа. Это утверждение легло в основу известного Киотского протокола (от 1997 г.), ограничивающего выбросы парниковых газов, особенно углекислого газа за счет антропогенной деятельности, и допускающего торговлю квотами на их выбросы.
Для прояснения данной ситуации важно было проанализировать и обобщить имеющуюся в научной литературе информацию, связанную с изменением климата, характеризующимся не только периодами потепления, но и похолодания, а также перспективами потребления нефти, угля и природного газа в период похолодания климата, как основы комфортабельного проживания человеческого общества, особенно на Северном полушарии.
ИЗМЕНЕНИЕ КЛИМАТА
Как известно, изменение климата Земли характеризуется поочередно наступающими периодами похолодания и потепления. При этом считается, что феномен изменения климата является результатом воздействия факторов, имеющих место в Мировом океане, таких как Южной (Эль-Ниньо), Североатлантической и Арктической осцилляций, то есть колебаний температуры поверхностного слоя воды, а также реакцией на воздействие других факторов в виде изменения солнечной постоянной и орбиты Земли, «парникового эффекта», тектонического движения литосферных плит и др.
Так, в масштабе десятилетий изменение климата, благодаря Южной осцилляции в экваториальной части Тихого океана, а также Североатлантической и Арктической осцилляций, происходит отчасти из-за возможности Мирового океана аккумулировать тепловую энергию, получаемую от Солнца и перемещать ее в различные части акватории. В более длительном масштабе в океане происходит термохалинная циркуляция, то есть циркуляция, создаваемая за счет перепада плотности, образовавшейся вследствие неоднородности температуры и солености в воде, которая также играет ключевую роль в перераспределении тепла.
Изменение солнечной постоянной, как суммарного потока солнечного излучения (Вт/м2 или кал/см2·мин) считается важным фактором наступления, например, близкого нам по времени «малого ледникового периода» (XIV-XIX вв.) с самой холодной фазой в XVII-XVIII вв. На величину солнечной постоянной влияют расстояние между Землей и Солнцем, изменяющееся в течение года по причине эллиптической орбиты Земли, и солнечная активность, как комплекс явлений и процессов, связанных с образованием и распадом в солнечной атмосфере сильных магнитных полей. По своему влиянию на климат изменения земной орбиты, как результат физического взаимодействия Земли, Луны и других планет, сходны с колебаниями солнечной постоянной, поскольку небольшие отклонения в положении орбиты приводят к перераспределению солнечного излучения на поверхности Земли.
Что касается «парникового эффекта», то он возникает в результате нагревания атмосферы тепловой энергией, удерживаемой парниковыми газами, к числу которых относятся водяной пар (36-72%), углекислый газ (9-26%), метан (4-9%) и озон (3-7%). Антропогенный вклад в баланс парниковых газов, в основном в виде выбросов углекислого газа, связан с добычей и сжиганием нефти, угля и природного газа. О малой значимости этого фактора в изменении климата свидетельствует тот факт, что на протяжении последних десятков миллионов лет строгой корреляции между концентрацией парниковых газов и изменением климата не было выявлено.
Между тем считается, что тектоническое движение литосферных плит усугубило условия последней ледниковой эпохи, закончившейся около 10 тыс. лет тому назад. Так, приблизительно 3 млн. лет ранее, когда северо- и южноамериканские плиты столкнулись, произошло образование Панамского перешейка, что закрыло путь для прямого смешивания вод Атлантического и Тихого океанов, а, следовательно, перемещения тепловой энергии, влияющего на изменение климата.
Таким образом, климат определяется сочетанием многих факторов: так, если в масштабах десятилетий и столетий доминирует воздействие отдельных факторов, то в масштабах тысячелетий – суммарное воздействие всех природных факторов. В связи с вышесказанным закономерно возникает вопрос о характере изменения климата Земли в геохронологическом масштабе.
ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА
Было установлено, что изменение климата, в частности в эпоху четвертичного периода – голоцена, которая продолжается последние 11 тыс. лет вплоть до современности, характеризуется сочетаниями периодов потепления и похолодания в различные интервалы времени, что свидетельствует о циклическом характере изменения этого феномена на Земле (рис.1). В основе системы доказательств изменчивости климата положены, в частности факты о характере изменения уровня Каспийского моря, как крупнейшего бессточного водоема Земли, который служит интегральным показателем изменения комплекса гидролого-климатических условий на поверхности континентов. Так, результаты геолого-геоморфологических исследований побережий и дна моря с привлечением радиофизических датировок показали, что в голоцене имелось несколько сильно выраженных трансгрессий (повышений) и регрессий (понижений) уровня моря относительно суши с характерной периодичностью приблизительно 2000 лет. При этом сначала изменялась температура воздуха, затем постепенно сток рек, впадающих в Каспийское море и через более длительный промежуток времени существенно изменялся его уровень.
Реконструкция климата Земли, проведенная различными геофизическими, геохимическими и другими методами не только за последние 11 тыс. лет, но и раньше – 420 тыс., 5 млн. и 65 млн. лет тому назад, также убеждают о циклическом характере изменения климата в геохронологическом масштабе.
Как видно из рис. 1, ближе к настоящему времени отмечается период последнего потепления, когда средняя температура на Земле поднялась на 0,7°С со времени начала промышленной революции, то есть со второй половины XVIII века. Между тем, теории «циклического характера изменения климата» и «малого ледникового периода» выступают одними из наиболее сильных аргументов в руках противников концепций антропогенного характера нынешнего глобального потепления климата. С их точки зрения, современное потепление – это естественный выход из «малого ледникового периода» с последующим вступлением в очередной период похолодания.
Кроме того, палеоклиматические исследования, связанные с изучением климата прошлых геологических эпох, позволяют усомниться в обоснованности требований вышеупомянутого Киотского протокола, ограничивающего выбросы парниковых газов, особенно углекислого газа за счет антропогенной деятельности. Дело в том, что повышение уровня углекислого газа в атмосфере не предшествовало, а следовало за потеплением, так как при повышении температуры в атмосферу выходит углекислый газ, как растворенный в Мировом океане (где его в 60 раз больше, чем в воздухе), так и находящийся в твердых породах. Следовательно, предположение о возникновении «парникового эффекта» за счет техногенного углекислого газа в атмосфере Земли, якобы вызывающего резкое повышение ее температуры со всеми вытекающими последствиями можно считать несостоятельным.
Таким образом, даже для эпохи голоцена со всей очевидностью прослеживается многовековая изменчивость климата как ритмического процесса, продолжающегося в настоящее время. Отмечаемое ныне потепление климата - это очередной природный процесс, а «парниковый эффект» не является причиной этого феномена. Влияние парниковых газов сильно завышено, так как при массе атмосферы Земли в 18375000 млрд. т, и выбросах порядка 9 млрд. т концентрация парниковых газов составляет всего 0,00005%. При такой концентрации вряд ли возможны какие-либо глобальные изменения, в том числе и потепление климата.
ПРОГНОЗ ОЧЕРЕДНОГО ПОХОЛОДАНИЯ КЛИМАТА
Как видно из рис. 2, прогнозируется зарождение процесса очередного похолодания климата, где в рассматриваемом интервале времени продолжительностью в 137 лет, характеризующемся цикличностью теплых и холодных периодов, с начала 2000-х годов уже происходит падение температуры, как предвестник очередного «малого ледникового периода». Земля оказалась вновь на пороге повторения «малого ледникового периода», наступающего из-за резкого снижения мощности излучения Солнца, как единственного источника энергии для Земли, а, следовательно, основного фактора изменения его климата. Это связано с тем, что в течение 200-летнего цикла солнечная постоянная, изменяется примерно на 0,2±0,05%, что заметно отражается в Мировом океане, и соответственно влияет на климат. Доказана взаимосвязь циклов солнечной активности с масштабными изменениями климата на планете и установлены факты, что, когда наблюдается глубокий минимум солнечной активности, происходит похолодание. Ныне Земля вступает в «малый ледниковый период», который начнется уже с 2014 г. и достигнет своего пика минимальных температур к середине века. Первоначально понижение температуры будет очень медленным, а спустя десятилетия - более активным. Ожидается, что температура Мирового океана понизится на один градус, чего вполне достаточно, чтобы в Гренландии выросли новые ледники. Меньше всего глобальное похолодание скажется на жителях экватора и юга. Очередной климатический минимум температуры с ее понижением на 1-1,5ºС продлится 45-65 лет, после чего в начале XXII века наступит очередное потепление.
Без сомнения назревающее похолодание скажется на увеличении потребления энергии, как в глобальном, так и региональном масштабе. В этой связи закономерно возникает вопрос о перспективах потребления энергии, получаемой при использовании различных видов топлива, или ее производящих видов энергетики.
ПРОГНОЗ ПОТРЕБЛЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА
Симптоматично, что по сценарию Международного энергетического агентства в потреблении традиционных видов топлива, доминирующими источниками энергии вплоть до 2035 г. остаются по-прежнему нефть, уголь и природный газ (рис. 3). При этом нефть продолжает оставаться превалирующим видом топлива, с потреблением, увеличивающимся с 4060 млн. т нефтяного эквивалента (н.э.) в 2008 г. до 4550 млн. т н.э. в 2035 г. Потребление угля увеличится с 3315 млн. т н.э. в 2008 г. до 3670 млн. т н.э. в 2035 г., достигнув максимума приблизительно в 2018 г. и затем уменьшится на 250 млн. т н.э. Потребление природного газа увеличится от 2600 млн. т н.э. в 2008 г. до 4250 млн. т н.э. в 2035 г. Последний позволит природному газу в перспективе стать вторым по потреблению среди различных видов топлива, что будет характеризовать наступление «золотого времени» природного газа в грядущем «малом ледниковом периоде». Что касается атомной энергетики и альтернативной энергетики, включающей использование биомассы, ветра, солнечного излучения, воды и водорода для производства энергии, а также большой гидроэнергетики, то их доля в общем энергетическом балансе в 2035 г. будет не столь значительной (3-12%) по сравнению с долей энергии, получаемой при использовании нефти (27%), природного газа (25%) и угля (22%).
Между тем более интенсивный рост потребления природного газа на перспективу связан с очевидными преимуществами этого вида топлива перед нефтью и углем: затраты труда на добычу газа в 37 раз ниже, чем на добычу равноценного количества (в пересчете на условное топливо) угля; газ обладает высокой теплотворной способностью; с помощью системы газопроводов его можно подвести к любому потребителю; при горении природного газа не остается золы и т.д. Главным достоинством природного газа как энергоносителя является то, что свыше 90% всей его добычи расходуется как топливо на тепловых электростанциях, промышленных предприятиях и в быту.
Во многих странах мира приоритетом замены традиционных видов моторного топлива пользуется природный газ как в компримированном (сжатом), так и сжиженном виде. По своим физико-химическим параметрам природный газ во многом превосходит даже самый высококачественный бензин, причем для его использования не требуется коренной переделки двигателя. Причиной указанного выбора является преимущество природного газа по таким характеристикам, как например, низкая стоимость и экологичность. Цена эквивалентного количества газа до 30-50% ниже, чем бензина или дизельного топлива. Применение газа в сравнении с топливом нефтяного происхождения существенно понижает содержание в воздухе вредных компонентов выхлопных газов – оксидов углерода и азота, а также углеводородов соответственно до 80 и 70 и 45%.
Между тем, несмотря на важное значение природного газа в топливно-энергетическом балансе, все большая его часть идет на химическую переработку, поэтому все более возрастает роль газохимии, которая в последние десятилетия стала самостоятельной отраслью промышленности, потеснив нефтехимию. Так, например, газ является основным промышленным сырьем для производства водорода. Более три четверти всего используемого в промышленности водорода получают методом паровой каталитической конверсии метана, как основного компонента природного газа (70-99%):
CH4 + H2O = CO + 3H2
Половина получаемого из газа водорода идет на производство аммиака, поэтому крупнотоннажный синтез аммиака, а вместе с ним и получение минеральных удобрений, азотной кислоты, красителей и др. немыслимо без природного газа. Смесь CO и H2 называют синтез-газом, так как она используется в производствах органического синтеза, в первую очередь, метанола, применяемого в добыче газа в качестве основного ингибитора гидратообразования – вещества, предотвращающего образование газовых гидратов:
CO + 2H2 = CH3OH
Значительная часть природного газа расходуется на производство сажи (технического углерода), получаемого методом окислительного пиролиза и являющегося крупнотоннажным химическим продуктом, необходимым, прежде всего, в производстве автомобильных шин и других резиновых изделий:
CH4 + O2 = C + 2H2O
О других перспективах потребления природного газа свидетельствует его связь с таким видом альтернативной энергетики как водородной энергетикой, основанной на использовании водорода (продукта конверсии метана) в качестве средства для аккумулирования, передачи и потребления энергии различными производственными направлениями. Водород является наиболее эффективным топливом для так называемых «безмашинных» преобразователей энергии – топливных элементов – химических источников электрического тока, в которых реагенты не входят в состав электрохимической ячейки – ее электродов, а подаются на последние извне. Между тем газовая промышленность заинтересована в обеспечении своих подразделений удобными в эксплуатации стационарными энергоустановками на топливных элементах в блочном исполнении полной заводской готовности и размещению на объектах с минимальными строительно-монтажными работами. Такие энергоустановки автономного энергоснабжения необходимы для питания технологического оборудования, станций катодной защиты, систем телемеханики и связи магистральных газопроводов, электро- и теплоснабжения вахтовых поселков. Особенно это становится актуальным в связи с освоением удаленных районов Крайнего Севера и шельфа арктических морей, связанным с добычей природного газа.
Проведенный анализ позволяет прийти к заключению о том, что изменение климата на Земле является циклическим природным феноменом в геохронологическом масштабе, проявляемым в виде чередования периодов потепления и похолодания. Симптоматично, что вступление человечества в «малый ледниковый период», обусловленный резким снижением мощности солнечного излучения, совпало с ожидаемым ростом потребления нефти, угля и природного газа, среди которых опережающими темпами будет расти спрос на природный газ, обладающий целым рядом преимуществ перед нефтью и углем. Это будет важным условием для комфортабельного проживания и развития человеческого общества, особенно в Северном полушарии во время ожидаемого «малого ледникового периода».
Рис. 1. Периоды похолодания и потепления в Северном полушарии в эпоху голоцена (последние 11 тыс. лет вплоть до современности): А – конец последней ледниковой эпохи; Б – климатический оптимум; В - римский климатический оптимум; Г – эпизод человеческой миграции; Д – средневековый теплый период; Е – «малый ледниковый период»; Ж – период современного потепления [Archibald, 2007].
Рис. 2. Кривая cреднегодовой температуры до 2030 г.: А – выход из последнего «малого ледникового периода»; Б – теплый период в 1930-1950 гг.; В – резкое похолодание в 1970-е годы; Г – спутниковая регистрация температуры; Д – температурный пик Южной осцилляции (Эль-Ниньо) в 1998 г.; Е – начавшийся и ожидаемый температурный минимум [Archibald, 2007].
Рис. 3. Глобальное потребление энергии, получаемой при использовании нефти, угля и природного газа, а также производимой атомной энергетикой, альтернативной энергетикой (использующей биомассу, ветер, солнечное излучение, воду и водород) и большой гидроэнергетикой: сплошная линия – фактические данные; пунктирная линия – прогнозируемые данные (с 2008 по 2035 гг.) [World Energy Outlook, 2011].
