Б.А.Рыбаков, к.т.н. – ООО “СК-Инжиниринг”
М.А.Савитенко – АНО “Центр исследований и научных разработок в области энергетики “Водородные технологические решения”
Сейчас ходит много разговоров про декарбонизацию, при этом делается упор на
углеродные выбросы. Но мало кто говорит о водяном паре, который имеет ещё более
губительный эффект. Забыли или ещё не пришло время?
Декарбонизация: тем ли мы путем идём?
Переход к водородной энергетике обосновывается необходимостью снижения выбросов в атмосферу углекислого газа. Этот процесс называется декарбонизацией.
Известно, что увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере Земли приводит к повышению средней температуры воздуха, то есть «глобальному потеплению».
Для стимулирования процесса декарбонизации Европейский Союз планирует принять так называемый «углеродный налог» на все импортируемые товары.
В июле прошлого года аналитики компании KPMG подсчитали вероятные потери российских экспортеров в случае введения сбора. При худшем сценарии он появится уже в 2022 году и коснется как прямых, так и косвенных выбросов. Тогда поставщики заплатят 50,6 миллиарда евро до 2030 года. При базовом сценарии налог введут в 2025 году и распространят только на прямые выбросы, это обойдется российским экспортерам в 33,3 миллиарда евро. Самый позитивный сценарий предполагает появление налога в 2028 году, в таком случае производители заплатят 6 миллиардов долларов.
При развитии водородной энергетики будут снижаться выбросы в атмосферу углекислого газа и увеличиваться выбросы водяного пара, поскольку в процессе реакции водорода и кислорода выделяется энергия и водяной пар.
Считается, что водяной пар безвреден для человека и окружающей среды.
Есть ли связь между водяным паром и парниковым эффектом?
Водяной пар и парниковый эффектВода в атмосфере Земли содержится:
- — в виде пара (водяной газ, образующийся в процессе испарения воды),
- — в жидком состоянии (облачные элементы в виде капель воды, дождевые капли),
- — в замерзшем состоянии (облачные элементы в виде ледяных кристаллов, снежинки, градины).
Отличительной особенностью воды от других составных элементов атмосферы Земли, является то, что ее содержание в атмосфере постоянно меняется.
Декарбонизация: тем ли мы путем идём?Содержание воды в атмосфере Земли зависит от:
- — температуры воздуха,
- — состояния испаряющей поверхности.
В арктических странах температура воздуха очень низкая, поэтому в атмосфере содержится очень малое, с трудом поддающееся измерению, количество воды – т.е. воздух является сухим. В жарких же странах, где процесс испарения идет очень интенсивно, наоборот, количество воды в атмосфере Земли может достигать 4% и воздух является очень влажным.
Чем выше температура воздуха, тем большее количество водяного пара может содержаться в воздухе.
Влияет ли водяной пар, растворённый в воздухе, на климат и если влияет, то можно ли сравнить его влияние с влиянием углекислого газа?
Ниже приведены выдержки из публикаций зарубежных исследователей влияния водяного пара на климат нашей планеты:
- «Важность водяного пара в регулировании климата – несомненна. Это доминирующий парниковый газа, удерживающий тепло Земли сильнее других веществ».
- «Водяной пар является наиболее важным парниковым газом. Углекислый газ – второй по важности парниковый газ».
- «Авторы обнаружили, что в случае чистого неба, вклад водяного пара в отражение длинноволновой радиации составляет 75 Вт/м2, в то время как углекислый газ – 32 Вт/м2.»
- «Водяной пар – доминирующий парниковый газ, самый важный источник инфракрасной непрозрачности в атмосфере».
- «Доминирующая роль водяного пара в качестве парникового газа замечена уже давно».
- «Вообще говоря, водяной пар – это единственный атмосферный абсорбер инфракрасного излучения».
«В обществе в качестве парникового газа известен только углекислый газ. В реальности водяной пар оказывает более существенный вклад в повышение температуры атмосферы».
Сжигание природного газа
Природный газа состоит из смеси предельных углеводородов, таких как метан (СН4), этан (С2Н6), пропан (С3Н8), бутан (С4Н10), пентан (С5Н12) и гексан (С6Н14), а также незначительного количества инертных газов.
Характеристики природного газа, такие как плотность и теплота сгорания с большой точностью могут быть определены с помощью характеристик первых четырёх гомологов. Общая формула реакции предельных углеводородов с кислородом имеет следующий вид:
СnH(2n+2) + 0,5 (3n+1)O2→ nCO2 + (n+1) H2O,
где n – число молекул углерода и порядковый номер гомолога углеводорода.
Рассмотрим уравнения реакции горения четырех первых гомологов углеводородов С1, С2, С3 и С4, которые в атмосферных условиях находятся в газообразном состоянии.
- При n=1
CH4 + 2O2 → CO2 + 2 H2O
(т.е. 1 моль метана, соединяясь с 2 молями кислорода, образует 1 моль углекислого газа и 2 моля водяного пара).
При сжигании одного килограмма метана (СН4) выделяется 50 МДж тепловой энергии, а также 2,75 кг углекислого газа (СО2) и 2,25 кг водяного пара (Н2О), то есть, выбросы водяного пара в атмосферу немного ниже, чем выбросы углекислого газа.
- При n=2
C2H6 + 3,5O2 → 2CO2 + 3 H2O.
При сжигании одного килограмма этана (С2Н6) выделяется 47,8 МДж тепловой энергии, а также 2,93 кг углекислого газа (СО2) и 1,8 кг водяного пара (Н2О), то есть, массовая доля водяного пара в продуктах сгорания этана меньше, чем при сжигании метана.
- При n=3
C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4 H2O.
- При n=4
C4H10 + 6,5O2 → 4CO2 + 5 H2O.
Из данных выражений видно, что при увеличении номера гомолога углеводорода для его полного окисления требуется больший объем кислорода, при этом выделяется больший объём углекислого газа и водяного пара, чем при сжигании метана. Объем выделяющегося при сжигании углеводородов СО2 пропорционален порядковому номеру гомолога, а водяного пара – n+1. При сжигании метана выделяется в два раза больше водяного пара, чем углекислого газа, а при увеличении доли «тяжелых» углеводородов в сжигаемом газе эта пропорция уменьшается.
Сжигание водорода и метана
Сравним количество выбросов в атмосферу парниковых газов при сжигании водорода и метана, который является основным компонентом природного газа.
При соединении двух молекул водорода с одной молекулой кислорода возникают две молекулы воды. Реакция соединения водорода и кислорода сопровождается выделением энергии.
2*Н2 + О2 → 2*Н2О + энергия (1)
При сжигании одного килограмма водорода (Н2) выделяется 120 МДж тепловой энергии и 9 кг водяного пара (Н2О).
При соединении одной молекулы метана с двумя молекулами кислорода возникают две молекулы воды и одна молекула углекислого газа. Реакция соединения метана и кислорода сопровождается выделением тепловой энергии.
СН4 + 2*О2 → 2*Н2О + СО2 + тепловая энергия (2)
При сжигании одного килограмма метана (СН4) выделяется 50 МДж тепловой энергии, а также 2,75 кг углекислого газа (СО2) и 2,25 кг водяного пара (Н2О), то есть 5 кг парниковых газов.
Для получения 120 МДж тепловой энергии потребуется сжечь 2,4 кг метана. При этом в атмосферу попадет 6,6 кг углекислого газа и 5,4 кг водяного пара, то есть 12 кг парниковых газов.
Данные, приведенных выше расчетов сведены в таблицу 2.
Таблица 2
| Масса сжигаемого газа | Выделение тепловой энергии,
МДж |
Масса водяного пара | Масса
углекислого газа |
Суммарная масса парниковых газов |
| 1 кг водорода (Н2О) | 120 | 9 кг | – | 9 кг |
| 2,4 кг метана (СН4) | 120 | 5,4 кг | 6,6 кг | 12 кг |
Из данного расчёта видно, что при получении одинакового количества энергии суммарные выбросы парниковых газов при сжигании метана на 30% выше, чем при сжигании водорода.
При этом выбросы водяного пара при сжигании природного газа на 40% ниже, чем при сжигании водорода.
Из публикации /3/ видно, что влияние водяных паров на парниковый эффект в 2,3 раза выше, чем влияние углекислого газа.
Если учесть этот факт, то парниковый эффект от сжигания 1 кг водорода будет соизмерим со сжиганием 2,4 кг метана. То есть, при выделении одинакового количества энергии влияние водорода и метана на парниковый эффект соизмеримо.
Вместе с тем, по публикациям зарубежных средств массовой информации (СМИ) можно сделать вывод, что на увеличение парникового эффекта оказывает влияние только углекислый газ!
В /7/ сообщается, что исследования, проведенные учёными из University of Miami Rosenstiel School of Marine and Atmospheric Science подтвердили, что водяные пары в тропосфере – слой атмосферы, расположенный между поверхностью Земли и простирающийся на высоту 5-20 км – будет играть возрастающую роль в изменении климата в будущем.
Исследователи из Флориды сообщили, что увеличивающееся количество водяного пара в атмосфере вызвано человеческой деятельностью.
Если это так, то наряду с уменьшением выбросов в атмосферу углекислого газа, необходимо контролировать и выбросы водяного пара.
Источники выбросов водяного пара
Как уже отмечалось выше, при использовании углеводородных газов, таких как метан, этан, пропан и бутан наряду с выбросами углекислого газа образуются водяные пары.
В тепловой и атомной энергетике рабочим телом, участвующим в выработке электрической и тепловой энергии, является водяной пар, для конденсации которого применяются различного типа градирни, а также прямоточное охлаждение водой из рек, озер и водохранилищ.
В 2008 году при проектировании и строительстве новых электростанций в России прямоточное охлаждение было запрещено.
Так называемые «мокрые» градирни являются источниками выбросов водяного пара в атмосферу.
Сократить выбросы водяного пара в энергетике позволяют «сухие» градирни, а также воздушные конденсационные установки (ВКУ).
Водород – топливо будущего
Как отмечалось выше, замещение природного газа водородом в качестве топлива не приводит к уменьшению парникового эффекта в случае, если пар, образующийся в результате сжигания водородсодержащего газа не конденсировать.
Это относится и к топливным элементам, в которых электрическая энергия вырабатывается электрохимическим способом, поскольку на выходе из топливного элемента наряду с электрической энергией образуется водяной пар.
То есть, при переходе к водородной энергетике надо стимулировать не только технологии снижающие выбросы в атмосферу углекислого газа, но и водяного пара.
Список литературы
- “Climate Modeling through Radiative-Convective Models”, Ramanathan & Coakley, Reviews of Geophysics and Space Physics (1978).
- “Atmospheric Radiation: Theoretical Basis”, Goody & Yung, Oxford University Press (1989, 2nd edition).
- “The Importance and Nature of the Water Vapor Budget in Nature and Models”, Lindzen, Climate Sensitivity to Radiative Perturbations: Physical Mechanisms and Their Validation (1996).
- “Earth’s Annual Global Mean Energy Budget”, Kiehl & Trenberth, Bulletin of the American Meteorological Society (1997).
- “The Radiative Signature of Upper Tropospheric Moistening”, Soden, Jackson, Ramaswamy, Schwarzkopf & Huang, Science (2005).
- “Radiation and Climate”, Vardavas & Taylor, Oxford University Press (2007).
- «Rising Levels of Human-Caused Water Vapor in Troposphere will Intensify Climate Change Projections”, Rick Panpaleo, (2014)