Глава VI. В энергетическом лабиринте

В поисках идеального топлива

Когда идет речь об альтернативных нетрадиционных источниках энергии для транспорта, следует помнить, что подразумевается многоплановая задача, которую следует решать и решают в самых различных направлениях. Прежде всего о комплексе причин, порождающих необходимость в альтернативных топливах. Здесь, помимо опасности истощения запасов нефтяных месторождений и, как следствие, существенного удорожания нефтепродуктов важную роль играют экологические задачи. Далее, одной из основных тенденций развития топливной науки и практики является повышение энергетических показателей различных видов топлива для транспорта. Наконец, забота о безопасности пассажиров и пешеходов - всегда в вершине угла проблемы изыскания "идеального топлива". Практически все перечисленные причины могут иметь стоимостное выражение, и в целом, анализируя различные попытки замены привычного нам бензина из нефти чем-то иным, приходим к выводу: основная цель поисков альтернативных источников энергии - улучшение экономических показателей транспорта. А попытки эти порой принимают причудливые формы. Сообщается, что не на бензине, а на рыбьем жире начали работать грузовики в Исландии. Переделка двигателей и системы топливоподачи потребовалась ничтожная. Мощность двигателей и скорость автомобилей на дорогах острова гейзеров не уменьшилась, а загрязнение воздуха понизилось и довольно существенно. Но самое главное, в Исландии рыбий жир стоит на 40% дешевле бензина. Жители утверждают, что привычный в Исландии аромат жареной рыбы, которым сейчас благоухают грузовики, значительно приятнее удушливых отрабовавших газов (а главное не вреден).

Или другой пример. В Великобритании создан метод переработки бытовых отходов в жидкое углеводородное топливо. Из 100 кг отходов удается получать до 7 кг углеводородов без вредных примесей, загрязняющих окружающую среду. Способ основан на использовании специального катализатора. Процесс протекает в автоклаве в условиях высоких давлений и температур, причем превращение занимает лишь 10 мин. Уже завершается строительство первого опытного предприятия, где будет применен этот метод.

Методы решения затронутой проблемы неоднозначны. Не следует думать, что использование в качестве топлива какого-либо заменителя бензина во всех случаях позволит оставаться неизменными и конструкции двигателя, системы питания, организации системы заправки и обслуживания автомобиля. В большинстве случаев переход на новое топливо непременно повлечет за собой необходимость учета изменений перечисленных факторов.

На заре автомобильной эры заправка горючим осуществлялась неподалеку от аптек, в которых бензин, разлитый по бутылкам, продавался в качестве чистящего средства. Создание в Сент-Луисе (США) в 1905 г. склада канистр с бензином для автомобилей, а затем сооружение в Сиэтле бака со шлангом, установленным на помосте, означали открытие "эры бензоколонки".

Сегодня, когда автомобиль властно вошел в жизнь человека, объем добываемой и перерабатываемой в различных странах нефти в значительной мере определяют "автомобильные потребности". Сегодня только для легковых автомобилей нужны миллионы тонн бензина в сутки - целое море. Гигантские объемы ежегодно извлекаемой из недр планеты нефти привели к существенному истощению месторождений этого ценного минерального сырья. Д. И. Менделеев писал, что использовать нефть или нефтепродукты в качестве топлива так же расточительно, как топить печь ассигнациями. Великий химик в своей гиперболе был недалек от истины: нефть - ценнейшее сырье для химической индустрии, с ней тесно связано производство новых перспективных материалов и веществ, искусственных кормов и даже искусственной пищи.

Безудержный рост добычи нефти в последние годы в основных нефтеносных районах мира обусловил возникновение весьма серьезной проблемы нефтяного голода: по мнению многих специалистов, мировых запасов нефти хватит человечеству еще лет на 30. И пусть эти прогнозы, по нашему мнению, излишне пессимистичны: в истории человеческой цивилизации немало примеров мрачных прогнозов. Лишь в XX в. многие футурологи грозили "энергетическим голодом" и "тепловой смертью", неоднократно указывались даже точные даты наступления гибели населения нашей планеты в результате истощения ресурсов минерального сырья. Тем не менее выход из самых сложных ситуаций отыскивался, да и ситуации не были столь катастрофичны, как это предсказывалось.

Все же возросшая втрое за последние 15 лет стоимость добычи нефти заставляет всерьез задуматься над так называемыми альтернативными источниками энергии для транспорта. Пути решения этой задачи далеко не однозначны.

Первыми попытками замены нефти углем как сырья для производства бензина следует считать работы немецкого ученого Фридриха Бергиуса, начатые в 1910 г. в Ганновере. Как известно, в Германии никогда не было крупных месторождений нефти, достаточных для удовлетворения в ней нужд промышленных предприятий и транспорта. Нефть и нефтепродукты в основном ввозились из-за границы, что и послужило основанием постановки исследования по получению бензина из бурого угля. В опытах Бергиуса уголь под действием давления, высокой температуры и водорода претерпевал ряд чрезвычайно сложных изменений, превращаясь в смесь углеводородов - жидкое топливо различных видов. В 20-х годах по способу Бергиуса на пяти заводах из бурого угля получали уже миллионы тонн бензина. В последующие годы в различных странах проводят комплексные работы, цель которых - снизить стоимость "угольного" бензина, который пока еще дорог. Наибольшего расцвета промышленность искусственного жидкого топлива достигла в 1940-1943 гг., когда годовой объем его производства во всем мире составлял 7 - 8 млн. т (примерно 2% нефтедобычи тех лет). Искусственное жидкое топливо вырабатывали на 48 крупных заводах, половина которых приходилась на долю Германии. Но после окончания второй мировой войны на международном рынке резко падают цены на нефть: искусственное жидкое топливо становится слишком дорогим. Сегодня, когда стоимость нефти и нефтепродуктов возросла, процессы гидрогенизации угля вновь стали объектом пристального внимания специалистов многих стран. Блестящие работы Фридриха Бергиуса, принесшие ему, помимо всемирной славы, Нобелевскую премию и медаль Либиха, имеют большое значение.

Наряду с "бергинизацией" угля бензин может быть получен путем продувания водяного пара через слой раскаленного угля в газогенераторе, где в присутствии кобальтовых или никелевых катализаторов образуются молекулы искусственного жидкого топлива. Этот способ, разработанный в 1923 - 1926 гг. в Германии известными химиками Фишером и Тропшем, получил название "синтинпроцесс", а получаемый по этому способу бензин - "синтином". Указанные исследователи и их последователи проделали большой путь, прежде чем процесс обрел требуемую технологичность, а стоимость "синтина" приблизилась к стоимости бензина. В настоящее время в различных странах мира создаются индустриальные мощности по производству "синтина". В частности, в ЮАР построены три завода (общая мощность их примерно 10 млн. т/год жидкого топлива).

В нашей стране, начиная с середины 20-х годов, ведутся комплексные исследования по получению жидкого топлива из угля: в Харькове в 1937 г. и в Кемерово в 1939 г. созданы заводы по гидрогенизации бурого угля и угольных смол. Однако в послевоенные годы в связи с бурным ростом нефтедобычи интерес к этим работам снизился. Изменившееся положение с нефтью в конце 60-х годов привело к возобновлению в нашей стране работ по искусственному жидкому топливу. К началу 80-х годов в Институте горючих ископаемых АН СССР разработаны научные основы и принципиально новые технологические схемы производства жидкого топлива из угля: выявлена перспектива проведения переработки угля с добавкой сырой нефти, богатой водородом.

Очень перспективно получить жидкое топливо для автомобилей из горючих сланцев. Теоретические основы технологических процессов превращения сланцев в бензин, лигроин и т. д. были заложены в 1863 г. фундаментальными работами русского ученого Г. П. Гельмерсена. При сухой перегонке сланцев образуется значительное количество сланцевой смолы. Та часть (фракция) смолы, которая кипит при 175-180° С,- хороший бензин для автомобилей. Фракция, выделяющаяся при 165° С,- авиационный бензин. При температуре 175-225° С получают лигроин, а в интервале 225-325° С выделяется еще одна высококипящая фракция - дизельное топливо. В 70-х годах прошлого века переработкой сланцев заинтересовались в США, Англии. Количество заводов, работающих по этой технологии, приближалось к 130. В дальнейшем объем переработки сланцев то возрастал, то падал в зависимости от успехов в области добычи нефти и нефтехимии. Сегодня достаточно мощные заводы по получению бензина и дизельного топлива из сланцев существуют лишь в нашей стране и в Китае. Зарубежные фирмы тщательно изучают опыт советских и китайских специалистов, ведут всесторонние комплексные исследования в указанном направлении. Вдохновляют и результаты геологических изыскании запасы горючих сланцев, из которых может быть по- лучено синтетическое топливо, составляют 400 млрд. т, что значительно превышает объемы разведанных месторождений нефти. Однако рано пока еще делать оптимистические прогнозы относительно близких перспектив повсеместного перехода на синтетическое топливо из сланцев: на пути решения этой задачи стоит множество трудностей технического и в основном экономического характера. В частности, американские специалисты утверждают что завод по производству сланцевой "нефти" становится рентабельным лишь при годовой программе переработки сланцев массой 26 млн. т и более.

Большое внимание сегодня уделяют проблеме подземной переработки сланцев, что позволит значительно сократить расходы на производство синтетического топлива.

Есть еще один вид сырьевых ресурсов для синтетического бензина - поистине огромные резервы тяжелого масла (дистиллята каменноугольной смолы), битуминозного песка, светильного газа. Результаты совместных исследований американских и английских специалистов показали, что при использовании специальных катализаторов за один этап можно осуществить процесс преобразования пропана и бутана в такие углеводороды, которые возможно переработать в высококачественное минеральное топливо. Этими катализаторами служат цеолиты - соединения алюминия и кремния, обладающие специфической структурой.

Как считают специалисты "Бритиш петролеум", переработка 60% мировых запасов метана в бензин позволит обеспечить мир этим горючим в течение 50 лет. Создание цеолитов с крупнопористой структурой сделает реальной перспективу промышленной переработки тяжелых фракций (битуминозных песков, каменноугольной смолы и др.) в моторное топливо. В Канаде интенсивно работают над применением жидкого синтетического топлива из битуминозных песков. К 1990 г. этим топливом обеспечат около трети потребителей моторного топлива.