Абсолютный минимум. Как квантовая теория объясняет наш мир - Майкл Файер

Из уравнения, описывающего горение метана (реакцию метана с кислородом), видно, что в результате образуется CO2. Это происходит и при горении других видов ископаемого топлива. Как уже говорилось, мазут представляет собой смесь длинноцепочечных углеводородов, содержащих от 14 до 20 атомов углерода. Мы рассмотрим в качестве примера молекулу тетрадекана, содержащую 14 атомов углерода. Вот химическое уравнение горения тетрадекана:

C14H30 + 21,5O2 → 14CO2 + 15H2O.

Тетрадекан содержит 30 атомов H, которые дают 15 молекул воды, каждая из которых содержит по два атома. В неё также входит 14 атомов C, которые превращаются в 14 молекул углекислого газа. На образование 14 молекул CO2 и 15 молекул H2O требуется 43 атома кислорода или 21,5 молекулы O2. Вот почему в левой части химического уравнения перед O2 стоит коэффициент 21,5. Обратите внимание, что химическое уравнение горения метана даёт вдвое больше молекул воды, чем молекул углекислого газа. При горении тетрадекана образуется примерно одинаковое количество молекул воды и углекислого газа. И это имеет большое значение.

Помимо природного газа метана и нефти (длинноцепочечных углеводородов), третьим по распространённости видом топлива является уголь. В первом приближении уголь можно считать чистым углеродом. Это не совсем так, но сейчас нас устраивает такая точность. В таком случае химическое уравнение горения угля имеет следующий вид:

C + O2 → CO2.

Таким образом, в отличие от горения углеводородов при сжигании угля не образуется вода, а выделяется только CO2. При сжигании углеводородов углерод-углеродные и углерод-водородные связи должны разрушаться, на что затрачивается энергия. Затем при образовании углекислого газа и воды формируются углерод-кислородные и кислород-водородные связи, и это происходит с выделением энергии. В угле тоже есть связи, которые должны быть разрушены. Это углерод-углеродные связи. Для начала мы будем рассматривать уголь как графит, который является чистым углеродом. Нам надо сравнить количество энергии, выделяемой при горении каждого типа ископаемого топлива, с количеством образующегося при этом парникового газа CO2. Хотя графит не используется в качестве топлива, поскольку его трудно воспламенить, он является удобной моделью благодаря чётко определённому химическому строению.

Для начала рассмотрим идеализированную картину выделения энергии при сжигании ископаемого топлива. Будем игнорировать тот факт, что топливо содержит примеси и что на электростанциях теряется значительная часть выделяемой энергии — фактическую её выработку при сжигании реального топлива мы обсудим позже. Итак, три химических уравнения горения ископаемых видов топлива:

CH4 + 2O2 → 2H2O + CO2,

C14H30 + 21,5O2 → 15H2O + 14CO2,

C + O2 → CO2.

В первом и третьем уравнениях (горение природного газа и угля) в реакции образуется одна молекула CO2. Для нашей модели мазута (представленного тетрадеканом) получается 14 молекул CO2. Мы хотим найти количество энергии, выделяемой в расчёте на одну молекулу CO2. Методами термодинамики можно рассчитать максимальное количество полезной (свободной) энергии, выделяемой в каждой из реакций. Пусть все эти реакции начинаются при комнатной температуре, когда метан является газом, тетрадекан — жидкостью, а графит — твёрдым веществом. Конечно, продукты горения топлива первоначально оказываются горячими, но мы будем рассматривать ситуацию после того, как всё остыло до комнатной температуры. Для природного газа мы просто используем свободную энергию, выделяющуюся при сгорании одной молекулы; для графита возьмём энергию, выделяемую при сгорании одного атома углерода. В случае тетрадекана мы разделим на 14 энергию, получаемую при сгорании одной молекулы тетрадекана, чтобы получить энерговыделение в расчёте на одну полученную молекулу углекислого газа.

В результате получим следующие значения свободной энергии на одну молекулу CO2:

метан (природный газ): 1,4∙10−18 Дж;

тетрадекан (мазут): 1,1∙10−18 Дж;

графит (уголь): 0,7∙10−18 Дж.

Как видим, при получении одного и того же количества энергии уголь выделяет в 2 раза больше парникового углекислого газа, чем природный газ. Уголь также в 1,6 раза хуже мазута по выделению углекислого газа в расчёте на единицу энергии, а мазут в 1,3 раза уступает природному газу.

Приведённые цифры достаточно точны, за исключением той, что дана для угля. Различные типы угля — антрацит, битуминозный, суббитуминозный и бурый — дают разное количество энергии на единицу массы и имеют разное среднее содержание углерода. Даже для одного и того же типа угля энергетические характеристики могут существенно варьироваться. Например, содержание углерода в битуминозном угле, наиболее широко распространённом в США, лежит в диапазоне от 45 до 86 %, а его теплота сгорания варьируется примерно на ±20 % от среднего значения. Значение, подсчитанное выше для угля с использованием графита в качестве модели, даёт результат, соответствующий среднему значению энергосодержания битуминозных углей. Природный газ может, помимо метана (CH4), содержать до 20 % газообразных углеводородов — этана (C2H6), пропана (C3H8) и бутана (C4H10). Эти примеси почти не влияют на значения энергосодержания и выделения энергии в расчёте на одну молекулу CO2, подсчитанные для чистого метана. То же самое можно сказать и про мазут, который является смесью длинноцепочечных жидких углеводородов.

Энергосодержание ископаемых видов топлива не принимает в расчёт эффективность электростанции, то есть КПД преобразования энергии топлива в электричество. Эффективность электростанций зависит от их конструкции и возраста, но примерно одинакова для разных типов ископаемого топлива. Обычно эта эффективность лежит в диапазоне 35–40 %. Это означает, что лишь около 40 % энергии топлива превращается в электроэнергию. Кроме того, потери энергии в линиях электропередачи составляют около 7 %. Так что если электростанция имеет КПД 38 %, то с учётом потерь в линиях электропередачи общий коэффициент преобразования энергии ископаемого топлива в полезное электричество в наших домах составит около 35 %.

Для понимания значения этих цифр давайте подсчитаем, сколько CO2 образуется при выработке энергии для питания 100-ваттной лампы накаливания, горящей 24 часа в сутки в течение года. Ватт — это Дж/сек (джоуль в секунду), год — это 3,2∙107 секунд. Таким образом, 100-ваттная лампа потребляет 3,2∙109 Дж в год. Природный газ, как было сказано, даёт одну молекулу CO2 на каждые 1,4∙10−18 Дж выделившейся химической энергии. Чтобы получить 3,2∙109 Дж энергии, нам понадобится произвести 3,2∙109/1,4∙10−18=2,3∙1027 молекул CO2. Это количество соответствует идеальной эффективности. С учётом общего КПД 35 % получается, что будет произведено 6,4∙1027 молекул CO2. Масса 6,02∙1023 молекул CO2 составляет 44 грамма. Таким образом, будет произведено 5∙105 г CO2, или примерно полтонны.