 |
Ресурсы нефти и проблемы жидкого моторного топлива
|
|
|
|
О. В. Крылов
Крылов Олег Валентинович - доктор химических наук,
главный научный сотрудник Института химической физики им. Н.Н. Семенова РАН.
Автор статьи "Настанет ли Апокалипсис?" [1] Е.В.Балацкий, рассматривая экономи-ческие законы рыночного общества, приходит к выводу, что развитие производства порождает все новый спрос, в результате чего непрекращающееся расширение эко-номической системы вступает в противоречие с ее пространственно-временной огра-ниченностью. На определенной стадии система становится неуправляемой и выходит из-под контроля человека. Подобное ускоряющееся развитие производственного про-цесса ведет к саморазрушению общества, к Апокалипсису.
Я попытался проанализировать причины вероятного экономического кризиса с другой точки зрения - сквозь призму расходования мировых ресурсов энергии, сырья, пищи и загрязнения окружающей среды при продолжающемся росте народонаселения и по-требления [2, 3]. Пространственно-временные ограничения неизбежно приведут к резкому спаду производства. Вопрос в том, когда это случится и есть ли пути избежать такого спада.
Обсуждая проблему дальнейшего развития общества и возможного конца света, часто вспоминают Т. Мальтуса (1766-1834). Согласно сформулированному им закону, рост народонаселения опережает рост средств существования, что влечет за собой сниже-ние качества жизни, обнищание. Но на протяжении всего XIX в. и в первые десятиле-тия следующего производство товаров непрерывно росло и средний уровень жизни повышался, что дало основания для критики "человеконенавистнического мальтузи-анства" со стороны ряда ученых, в том числе марксистов.
Опровергать Мальтуса не составляло особого труда, поскольку сырьевые ресурсы по сравнению с их потреблением были в ту пору велики. Однако сейчас положение изме-нилось. Мир впервые вступил в эпоху, когда количество запасов многих полезных ископаемых меньше того, что уже добыто. Если не будут приняты меры и не будут сделаны чудесные научные открытия, то при существующих темпах роста потреб-ления мирового кризиса не избежать уже до середины грядущего столетия.
|
|
|
Жизненный уровень принято характеризовать валовым национальным доходом на душу населения. В табл. 1 приведены его показатели в порядке убывания, а также данные по суммарному национальному продукту (ВНП), взятые из американского справочника 1996 г. [4].
В статье А.Э. Конторовича, Н.Л. Добрецова, Н.П. Лаверова, А.Г. Коржубаева, В.Р. Лившица "Энергетическая стратегия России в XXI веке" (Вестник РАН, 1999, № 9) приведены несколько иные цифры валового дохода на душу населения. Однако они не влияют на общий вывод о различии по этому показателю между богатыми и бедными странами на 2-3 порядка.
Таблица 1. Валовой национальный продукт (ВНП, млрд. долл.)
и годовой доход на душу населения (ВДН. долл.)
в 1994-1995 гг.
| Страна | ВНП | ВДН | Страна | ВНП | ВДН |
| США ОАЭ Люксембург Канада Швейцария Норвегия Япония Австралия Дания Франция Бельгия Швеция Нидерланды Австрия Великобритания Италия Финляндия Кувейт Израиль Ирландия Испания Кипр Саудовская Аравия Южная Корея Греция Португалия Мексика Венесуэла Малайзия Чехия Чили Ливия Аргентина Венгрия Коста-Рика Беларусь Словакия Таиланд Колумбия Эстония Россия Турция Бразилия Латвия Иран Польша ЮАР | 63.8 8.7 617.7 149.1 89.5 95.6 153.7 262.8 134.4 81.1 25.7 35.7 48.3 6.7 93.2 91.5 19.3 8.8 13.2 | Украина Болгария Молдавия Казахстан Туркменистан Алжир Литва Босния и Герцеговина Перу Индонезия Румыния Филиппины Кыргизстан Египет Китай Боливия Азербайджан Армения Ирак Пакистан Никарагуа Кот д'Ивуар Грузия Индия Куба Кения Таджикистан Албания Бангладеш Вьетнам Северная Корея Югославия Македония Нигерия Мьянма (Бирма) Руанда Гаити Либерия Судан Мали Камбоджа Танзания Гвинея Конго (Заир) Сомали Эфиопия Афганистан | 33.9 16.3 30.3 12.4 63.7 11.3 15.8 15.5 7.1 6.4 13.7 33.2 6.9 3.3 2.2 5.2 8.8 2.3 21.5 5.8 16.7 3.1 2.1 3.1 22.7 |
После 1996 г. валовый доход США и других богатых государств увеличился еще больше. Однако для стран, указанных в конце списка, он практически не изменился. Академик В.А. Коптюг обратил внимание на то, что в период с 1970 по 1990 г. Нацио-нальный доход развитых стран непрерывно рос, а развивающихся - не изменялся [5]. В результате разница по доходу на душу населения в развитых и развивающихся странах достигает одного-двух порядков. Население же Азии, Африки и Латинской Америки примерно на порядок больше населения США, Западной Европы и Японии вместе взятых. Простой расчет показывает: чтобы жить, как американцы, нужно увеличить производство всех благ в 100-1000 раз. Таких ресурсов и мире нет.
|
|
|
В последние годы исключительно быстро развивались Китай, Южная Корея, Вьетнам, некоторые другие страны Юго-Восточной Азии. По валовому производству зерна, мяса, удобрений, стали Китай обогнал США, но, по-видимому, он никогда не добьется превосходства по производству этих и других продуктов на душу населения. В Китае добыча нефти по сравнению с масштабами страны невелика (около 120-150 млн. т) и почти не увеличивается из-за отсутствия больших запасов. Природного газа также немного. Главным источником энергии является каменный уголь, но он высокосер-нистый, что приводит к большому загрязнению атмосферы сернистым газом. В зимнее время в городах Китая трудно дышать.
РЕСУРСЫ НЕФТИ И ПРОБЛЕМЫ ЖИДКОГО МОТОРНОГО ТОПЛИВА
Нефть до сих пор является главным сырьем для производства бензина, дизельного и реактивного топлива, ценных химических продуктов. Судя по данным, представлен-ным в табл. 2, сокращения темпов роста добычи пока не видно. При неблагоприятном прогнозе к 2020 г. будет добыта вся нефть. Статья, в которой приводятся эти цифры [6], заканчивается сравнением развития человечества с гибелью "Титаника": корабль уже получил пробоину, а пассажиры танцуют в салоне под звуки оркестра.
|
|
|
Таблица 2. Добыча нефти, млрд. баррелей
| Годы | До 1900 | 1901-1920 | 1921-1940 | 1941-1960 | 1961-1980 | 1981-2000 | 2001-2020 (прогноз) |
| Добыча нефти | 0.54 | 6.47 | 27.24 | 73.39 | 266.41 | 445.23 | 1081.79 |
Поразительно быстро, всего за одно XX столетие, человечество израсходовало цен-нейшее сырье, создававшееся на Земле в течение сотен миллионов лет. Израсходовало самым неразумным образом - около половины нефти идет на производство моторного топлива, причем примерно треть тратится в США. Сырье, из которого можно изгото-вить массу полезных продуктов, по сути дела, растрачено на то, чтобы богатые амери-канцы разъезжали в роскошных машинах.
Прогнозы относительно полного истощения запасов нефти и связанного с этим мирового кризиса могут оказаться неверными, если:
· будут найдены новые очень крупные источники нефти;
· нефть окажется ненужной для общества;
· будут приняты решительные меры по ограничению потребления.
Рассмотрим, насколько правдоподобны эти варианты.
В последние десятилетия о новых больших месторождениях нефти, в том числе в России, ничего не слышно. По-видимому, сильно преувеличены и сообщения о "не-сметных" запасах в районе Каспийского моря, имеющие, скорее, политическую подо-плеку: кто будет доминировать на Каспийском море, тот станет контролировать Сред-нюю Азию. Даже если и будут открыты новые, неизвестные ранее большие месторож-дения, при существующих темпах расходования нефти это отсрочит исчерпание ее запасов лишь до 2030-2050 гг. Но не дальше.
Как отмечалось, нефть расходуется больше всего на получение моторного топлива. Во всех развитых странах проводятся работы по применению в транспорте новых видов топлива. Экологически более чистым является метан, основной компонент природного газа. Однако метан - газ, температура его сжижения низкая - минус 161.5°С. Транспор-тировать его в жидком состоянии неэкономично, использование же в автомобилях газообразного метана требует емкостей очень большого объема, что неудобно. Кроме того, для применения метана нужно будет всю бензозаправочную сеть заменить на газозаправочную, бензоколонки - на минизаводы с компрессорами, что связано с немалыми капиталовложениями.
|
|
|
С экологической точки зрения еще лучшим моторным топливом является водород, при сжигании которого образуются безвредные пары воды. Однако водород сжижается при еще более низкой температуре, чем метан, - минус 253°С. Ведутся работы по получению гидридов, соединений водорода с металлами, которые можно было бы использовать в транспортных средствах. Но получить гидриды, способные стабильно и обратимо запасать и отдавать водород для сжигания в двигателях, пока не удалось. Водород очень дорог. По некоторым оценкам, в начале XXI в. около 5-10% первичной энергии будет расходоваться на производство водорода.
Перспективны с экологической точки зрения и электромобили, в которых можно использовать топливные элементы для окисления углеводородов или водорода. Можно также применять аккумуляторы, но необходимость постоянной подзарядки и большой вес препятствуют их широкому применению. Жидкое топливо добывают, кроме того, из СО и Н2 по методу Фишера-Тропша на железных или кобальтовых катализаторах. Таким методом получали моторное топливо в нацистской Германии во время Второй мировой войны и в ЮАР, когда действовало эмбарго на ввоз нефти. Исходную смесь
СО + Н2 (так называемый синтез-газ) получают из каменного угля или природного газа. Процесс довольно хорошо разработан, но дорог. Сейчас в мире действуют лишь два небольших завода по производству жидкого топлива упомянутым методом (фирм "Шелл" в Малайзии и "Сасол" в ЮАР), имеющие, скорее, демонстрационный харак-тер. То же относится к моторному топливу из метанола; небольшой завод фирмы "Мобил" в Новой Зеландии производит 57 тыс. т топлива в год. Пока ни одна фирма не рискует строить большие производства на основе этих методов.
Таким образом, альтернативы нефти все еще нет. Нельзя сказать, что эта проблема не решается. Начиная с 50-х годов ею занимаются многие научно-исследовательские институты во всем мире. Тем не менее до сих пор используются бензин, дизельное и ракетное топливо из нефти.
Еще один путь, который позволил бы избежать или, по крайней мере, значительно отодвинуть время полного истощения запасов нефти, - ограничение потребления. Лучше всего, конечно, свести к минимуму использование индивидуального автотран-спорта. Ученые Академии наук Китая обратились в Министерство тяжелой промыш-ленности КНР с предложением отказаться от автомобилизации страны не только по причине загрязнения воздуха, но и из-за нехватки земли для автодорог и паркингов. Собственниками автомобилей являются всего около 2% населения, но по моему личному наблюдению (я был в Китае в конце 1998 г.) могу констатировать: улицы китайских городов забиты машинами, на всех перекрестках пробки. Трудно даже себе представить, что будет, если Китай подойдет к уровню США по количеству автомо-билей на душу населения.
|
|
|
Почему же, несмотря на увеличение потребления и истощение многих месторожде-ний, в 1997-1998 гг. мировые цены на нефть упали (см. рис. 1)? По-видимому, дело не только в очень теплых зимах 1996-1998 гг. и не только в неконтролируемом росте добычи нефти странами ОПЕК, как об этом часто пишут, но и в общей политике нефтедобывающих и нефтеперерабатывающих компаний США. Остановимся на этом подробнее.
Рис. 1. Изменение цен на нефть, импортируемую в США
США - первая страна, которая признала токсичное действие выхлопных газов авто-мобилей, вызывающих более 70% всех болезней жителей городов, главной экологи-ческой опасностью. В значительной степени это связано с очень высоким уровнем автомобилизации: из общего числа 600 млн. во всем мире на США приходится 200 млн. автомобилей. Были отпущены огромные средства на разработку методов борьбы с выхлопами СО, углеводородов, NO2 и в результате созданы катализаторы, позволяю-щие очистить от них выхлопные газы автотранспорта. В России такие катализаторы тоже имеются, но их внедрение задерживается из-за отсутствия средств, плохого качества бензина, дизельного топлива и низкого качества автомобильных двигателей.
В последнее время началась перестройка всей нефтепереработки, инициированная опять-таки Америкой. В основе существующей структуры нефтепереработки лежит процесс каталитического риформинга, позволяющий получить из нефти высокоокта-новый бензин. Высокое октановое число (85-95), повышающее антидетонационные свойства бензина и необходимое для нормального функционирования двигателей, создается за счет превращения на так называемых биметаллических катализаторах риформинга алифатических (прямоцепочечных) углеводородов в ароматические.
Однако теперь процесс риформинга придется заменять. В 1992 г. конгресс США принял поправку к закону о чистом воздухе, а Дж. Буш подписал его перед уходом с поста президента. Согласно этой поправке, признана необходимость производства бензина, не содержащего бензола и конденсированных ароматических углеводородов, которые являются канцерогенами. Закон о чистом воздухе предусматривает поэтапное сокращение содержания бензола и конденсированной ароматики в бензине. В случае невыполнения этих требований предусмотрены жесткие штрафные санкции, могущие составить уже к 2010 г. 10% валового дохода США.
В результате принятия упомянутого закона резко изменилась тематика научно-иссле-довательских работ в области нефтепереработки. В США и других странах начались поиски путей замены риформинга другими процессами нефтепереработки, позволяю-щими получить высокооктановое топливо без ароматических углеводородов. Поиски увенчались успехом. Такие процессы были найдены. Это скелетная изомеризация нормальных углеводородов в разветвленные, алкилирование парафинов изоолефи-нами, а также использование оксигенатов, например, добавление к бензину МТБЭ (метил- трет -бутилового эфира), имеющего октановое число 116.
Замена каталитического риформинга изомеризацией, алкилированием, синтезом оксигенатов потребует перестройки всей нефтеперерабатывающей промышленности. В литературе приводятся разные цифры относительно стоимости такой перестройки в США. Наиболее вероятной является цифра 300 млрд. долл., что очень много даже для богатой Америки. По этой причине ряд автомобильных и нефтеперерабатывающих фирм обратился в конгресс с просьбой смягчить положения нового закона. Но конг-ресс настаивает на своем: мы приняли закон, извольте выполнять. Не случайно другие страны не спешат ввести в действие нормы по сокращению содержания бензола и конденсированных ароматических углеводородов в моторных топливах.
Пожалуй, самый легкий путь удешевления предстоящей перестройки нефтеперера-ботки - снижение себестоимости сырья. Американские нефтяные фирмы внедрили новые методы, позволяющие резко, до 90%, увеличить извлечение нефти из земных пластов. В результате ее стоимость на мировых рынках уменьшилась с 18-22 долл./ баррель в 1996 г. до 10-12 долл./баррель в 1998 г. Снизилась себестоимость в основ-ном ближневосточной нефти - менее 5-6 долл. за баррель. Мексиканская, венесуэль-ская, западноевропейская и российская нефть более дорогая.
Таким образом, снижение цен на нефть, как это ни парадоксально, в конечном счете связано с мировым кризисом исчерпания ресурсов и загрязнения окружающей среды. В 1999 г. совместные меры, принятые Мексикой, Венесуэлой, Великобританией и Норвегией, привели к некоторому подъему цен на нефть. В будущем, по завершении перестройки нефтепереработки и в связи с исчерпанием ресурсов неизбежен новый рост цен.
В России добыча нефти сократилась с 624 млн. т в 1988 г. (в СССР основная доля была российской) до 290 млн. т в 1996 г. Гигантское Самотлорское месторождение в 1980 г. дало 146.2 млн. т (почти четверть советской нефти), в 1997 г. - 14.7 млн. т, а в 2010 г. по прогнозу ожидается всего 2.6 млн. т [7].
Себестоимость российской нефти составляла около 10-12 долл./баррель. Кризис 17 августа 1998 г. повысил рублевую, но снизил долларовую цену нефти. Стало временно выгодно ее экспортировать. В конце 1998 г. экспорт увеличился на 15% по сравнению с тем же периодом 1997 г., хотя добыча сократилась. Именно поэтому не завезли нефть на Камчатку и в северные районы, о чем много писали наши газеты.
РЕСУРСЫ ПРИРОДНОГО ГАЗА
Ситуация с ресурсами природного газа в целом лучше. Но хотя разведанные его запасы в расчете на углеводороды больше, чем нефти, они тоже конечны. Когда будут исчерпаны запасы нефти, основным энергетическим и химическим сырьем останется природный газ, и рост его добычи и потребления ускорится. После нефтяного кризиса 1973 г. добыча природного газа шла в полтора раза быстрее, чем нефти. Мировые запа-сы природного газа составляют сейчас около 350 трлн.м3 в том числе разведан-ные - 136 трлн. м3 [8]. Если разделить последнюю цифру на предполагаемое потребле-ние газа в 2010 г. (3.5 трлн. т), получится около 40 лет. Иными словами, исчерпание ресурсов природного газа наступит не намного позже, чем нефти.
Здесь также можно найти контраргументы. В XX в. открыт ряд огромных месторож-дений природного газа: Северное море, северные районы Африки, Иран, север Запад-ной Сибири. Пока скорость открытия новых месторождений несколько превышает темпы роста газодобычи. Следует, однако, учесть, что по исчерпании нефти потребно-сти в газе будут значительно выше и его ресурсов хватит в лучшем случае на 60-70 лет.
Вскоре после Второй мировой войны началось строительство газопровода Саратов-Москва, Тогда же был построен газопровод Дашава-Киев. С тех пор потребности и добыча газа выросли во много раз, и сейчас саратовский и дашавския газ практически исчерпан. Добыча газа у нас все более смещается в районы Крайнего Севера, стано-вясь тем самым все дороже. 70% российского газа добывается на двух гигантских месторождениях в Уренгое и Ямбурге. Готовятся к эксплуатации газовые скважины на полуострове Ямал и на шельфе Северного Лацовитого океана. На американском континенте добыча газа также смещается в северные районы Канады и на Аляску.
Очень дорого, значительно дороже нефти, обходится транспорт газа по газопроводам. Стоимость транспорта 1000 м3 газа из Уренгоя и Ямбурга в Москву и Петербург составляет 11-13 долл., в Киев и Минск - 20-25 долл., в Западную Европу - 40-44 долл. Главная цель работ по получению жидких продуктов из газа, которые ведутся в США, - сократить расходы на транспорт. Например, метанол, полученный из природного газа на Аляске и затем перевезенный в штат Иллинойс, будет вдвое дешевле, чем метанол из природного газа, транспортированного по газопроводу Аляска-Иллинойс.
Основное применение природного газа - чисто энергетическое, для замены на элект-ростанциях мазута, который подвергается теперь более глубокой переработке. Испо-льзуют газ в различных отопительных устройствах и в домашнем хозяйстве. Приме-нение газа непосредственно в транспортных средствах, как отмечалось, невелико, равно как и его сжижение с целью использования в качестве моторного топлива, но по мере исчерпания нефти должно возрастать.
Невелик и общий объем химической переработки природного газа (2.0-2.5%). Это связано отчасти с тем, что основной компонент последнего - метан (90-99%) - очень малореакционноспо-собное соединение. Во всем мире, в том числе и в России, проводится огромный объем научно-исследовательских работ по поискам путей химической переработки метана в ценные вещества. Пока практически единственным методом химической переработки метана является его паровая конверсия с получе-нием синтез-газа (СО +ЗН2) на никелевых катализаторах. Водород из синтез-газа далее используют для получения аммиака, а смесь состава СО + 2Н2 - для синтеза метанола. Водород в XXI в. будет необходим для самых разнообразных химических и энергети-ческих целей. В связи с новой структурой нефтепереработки не будет водорода, кото-рый образовывался в процессе риформинга и использовался далее для гидроочистки нефти. Получение водорода из синтез-газа пока остается единственным (и, заметим, очень дорогим) способом.
Три года назад несколько фирм опубликовали программу работ по получению Диме-тилового эфира СН3ОСН3 (ДМЭ) из синтез-газа [9]. При комнатной температуре ДМЭ - газ, но при минус 25°С он сжижается. Под небольшим давлением ДМЭ может быть помещен в баки дизельных двигателей. Параметры его сгорания соответствуют пара-метрам дизельного топлива, но он дает меньше токсических выхлопов и может рас-сматриваться как топливо XXI века. Несомненно, что в следующем столетии появятся и другие способы химического использования природного газа, важность которых будет возрастать по мере исчерпания нефти.
Очень велики ресурсы газа в газогидратных месторождениях. При высоких давлениях и низких температурах метан способен образовывать гидраты, соединения включения СН4(H2О)n, в которых молекулы метана внедряются в пустоты кристаллических струк-тур, составленных из молекул воды. В природных условиях гидраты метана сущест-вуют в районах вечной мерзлоты или под дном океана. Например, на глубине океана 700 м уже при 10°С давление достаточно для образования гидратов. Запасы метана в виде гидратов (1016 м3) значительно превосходят запасы газа в природном состоянии, но технология их добычи со дна океанов или из-под слоя вечной мерзлоты, не нанося-щая непоправимого вреда обществу, пока не разработана. Есть опасность, что начало их разработки может инициировать тектонические сдвиги и большое выделение мета-на в атмосферу, что повысит ее температуру, поскольку это один из газов, создающих парниковый эффект.
Метан скапливается также в угольных пластах. Содержание его должно быть сопо-ставимо с ресурсами каменного угля (104 млрд. т), то есть близко к запасам в газовых месторождениях. Однако добывать его пока также не умеют.
По запасам природного газа (в основном метана) Россия находится на первом месте в мире: разведанных запасов около 49 трлн. м3 (37% мировых запасов). В отличие от нефти добыча газа в нашей стране не падает, а растет. Но запасы газа в эксплуати-руемых месторождениях быстро сокращаются, а его добыча и транспорт дорожают. В этой связи вряд ли правильным можно назвать решение правительства в 70-х годах о строительстве газопроводов для широкого транспорта газа на Запад с целью получе-ния валюты. Лучше было бы поберечь газ до лучших времен. Напомним, что Д.И. Менделеев при разработке Таможенного уложения 1896 г. призывал запретить всякий вывоз сырья из России до XXII века: не вывозить нефть, но можно керосин, не вывозить лес, но можно мебель, не вывозить зерно, но можно спирт из зерна и т.д.
|
|
|
