Ориентировочные капитальные затраты для предлагаемого варианта решения мировой проблемы парникового эффекта – $ 200 млрд. Ежегодная экономия углеводородного топлива переведенная в условные единицы 860 млн.т. Решение: захоронение в земные недра ежегодно около 1 млрд. т. углерода.

«Парниковый эффект» - это явление, связанное с тем, что бoльшая часть инфракрасного излучения земной поверхности поглощается компонентами атмосферы, которые нагреваются, возвращая полученное тепло в приземное пространство, что обуславливает повышение температуры окружающей среды со всеми негативными последствиями.

Виновники «парникового эффекта» названы – это «парниковые» газы, в первую очередь диоксид углерода, а также метан и в известном смысле оксиды азота. Диоксида углерода в атмосфере значительно больше метана и NO_x вместе взятых, поэтому главным, первоочередным направлением в борьбе с «парниковым эффектом» признана борьба за сокращение в атмосфере СО₂.

В настоящее время способов борьбы с «парниковым эффектом» предложено достаточно, но все они чрезвычайно затратны, неэффективны и, стало быть, нереальны. Поэтому обеспокоенная мировая общественность решила пойти простым и надежным способом запретов. Венцом этой деятельности стал Киотский протокол, по которому запрещается выбрасывать в атмосферу СО₂ больше, чем это имело место в 1990 г.

Трудно назвать такое решение здравомыслящим, тем более эпохальным. Любому грамотному человеку понятно: сокращение выбросов напрямую связано с ущемлением производителей углеводородных энергоносителей. Разве мировые производители топлива и энергии – те, кто влияют не только на мировую экономику, но и мировую политику, пойдут на это? Конечно, нет! Поэтому США, главный загрязнитель атмосферы диоксидом углерода, не присоединились к Киотскому протоколу.

Отказ ряда ведущих стран мира от подписания Киотского протокола не безоснователен. Он базируется на сомнении в правомочности гипотетической теории «парникового эффекта». Теория, не подтвержденная практикой, легко уязвима. Действительно, в истории планеты известны периоды, как потепления, так и похолодания, связанные с объективными факторами, и объясняются колебаниями солнечной активности, непостоянством угла наклона земной оси, нестабильностью внутри земного тепловыделения и др.

Что действительно неопровержимо доказано прямыми измерениями, так это тенденция непрерывного накопления в атмосфере свободного СО₂, что естественно, не может радовать, поскольку рано или поздно, независимо от того возникнет «парниковый эффект»» или нет, одно это обстоятельство заставит человечество надеть противогазы.

Следовательно, сокращать долю свободного СО₂ в атмосфере объективно необходимо. Но как?

2. ПОИСК ПУТЕЙ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ 

 На сегодняшний день, как уже отмечалось выше, нет недостатка в предложениях по сокращению в атмосфере СО₂. Всё их многообразие условно делится на две группы. В одну группу входят механо-химические способы, включающие операции: улавливания СО₂, обработки (физическая или химическая), захоронения (в шахты, в карьеры, на дно океана и др.).
 
В другую группу входят предложения биологического свойства, основанные на использовании фотосинтеза для увеличения на планете биомассы, поглощающей СО₂.

 Способы декларирования в первой группе энергозатратны и неэффективны. Чтобы захоронить определенное количество СО₂, требуется дополнительная энергия, а поскольку основной источник «добывания» энергии на планете – окисление углеводородов, то появляется дополнительный приток СО₂, который, в свою очередь, также нужно захоранивать, т.е. снова привлекать энергию и т.д.

 Предложения второй группы более привлекательны, т.к. моделируют естественные природные процессы при относительно малом расходе привлеченной энергии.

 Однако и эти предложения не без изъяна. Дело в том, что воспроизводимая биомасса занимает определенную территорию, на которой существует в течение сотен, а то и тысяч лет, при этом после достижения предельной высоты, растительность резко снижает потребление СО₂. Каждый год для создания новых биомасс, рассчитанных на потребление годового объема свободного СО₂ в атмосфере, требуются новые территории. При таком способе через 15 … 20 лет на планете не останется свободных территорий. Предложения по сжиганию воспроизведенной биомассы с целью получения энергии на первый взгляд несут элементы самоокупаемости, но проблема дополнительных выбросов остается по-прежнему нерешенной.

3. СПОСОБ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ, РАЗРАБОТАННЫЙ В НИИ СТРОМКОМПОЗИТ

3.1. Предпосылки возникновения идеи

 НИИ Стромкомпозит более 20 лет занимается исследованиями в области альтернативных нетрадиционных энергоносителей. Разрабатывая технологию сухой перегонки бамбуков установили, что с момента посадки саженцев до достижения стеблем конечной высоты 15 … 30 м проходит всего 6 … 8 недель, при этом средняя масса (сухая) одного стебля набирает примерно 80 кг. Скорость синтеза биомассы в период роста бамбука 80 кг /8 недель = 10 кг в неделю или 520 кг/год. После достижения предельной высоты стебля скорость нарастания биомассы резко снижается.

Сравнивая скорость синтеза биомассы в бамбуке с аналогичными показателями для «быстрорастущих» черного тополя и лиственницы убедились, что у последних эта скорость почти в 50 раз ниже.

 Зная средний элементный состав горючей массы сухого бамбука (С – 51,0 %; Н – 6,8 %; О – 40,4 %; N – 1,8 %), вычислили теоретическое количество СО₂, израсходованного на синтез 80 кг биомассы. Расход СО₂ составил 108 кг.

 На 1 га плантаций в субтропиках за год возможно вырастить три урожая бамбука, срезая стебли при достижении ими предельной высоты, при этом суммарная масса сухих бамбуковых стеблей составит до 260 т/Га, на синтез которых потребуется 340 т СО₂.

Полученные данные подталкивают к мысли о возможности использования бамбука для отбора из атмосферы свободного СО₂, при одном условии – бамбук после достижения предельного роста (период активного поглощения СО₂) должен вырубаться, а на его месте выращиваться новый.

3.2. Суть идеи решения проблемы «парникового эффекта» 

 Ежегодный прирост свободного СО₂ в атмосфере за последние 30 лет составляет приблизительно 3,73 млрд. т/год (Защита атмосферы от промышленных загрязнений, Справочник, т.1, «Металлургия», М, 1988).

 Если 1 га плантаций бамбука способен за год «освоить» 340 т СО₂ (см.п.3.1.), то общая площадь плантации будет равна:

 Количество органической массы, полученной с бамбуковых плантаций площадью 0,11 млн. км² за год – 2,86 млрд. т. С учетом зольности, около 20 %, общая растительная масса (сухая) составит 3,57 млрд.т/год. Теплотворная способность сухой растительной массы (исходя из элементного состава органики) равна приблизительно 4100 ккал/кг.

 Итак, если воспроизведенную за год растительную массу, содержащую отобранный из атмосферы СО₂, сжечь (существуют такие предложения), то будет получена тепловая энергия в количестве до 14,6x109 Гкал, но вместе с тем в атмосферу выделится ровно столько СО₂, сколько было отобрано для фотосинтеза сожженной массы. Способ явно не пригоден.
 
ожно по-другому распорядится синтезированной биомассой, содержащий отобранный в атмосфере СО₂ - захоронить в почве. И такие предложения существуют. Но в этом случае мы не получим тепловую энергию, которая является элементом самоокупаемости, более того, биомасса, содержащая помимо углерода водород, кислород и азот, в условиях почвенного хранения, где предостаточно различных микроорганизмов, непременно будет вовлечена в процесс сбраживания с выделением СО₂, метана и других газов. Рассчитывать на то, что процесс сбраживания этой огромной биомассы можно взять по контроль и получать биогаз – иллюзия.

Нами предлагается другой способ переработки воспроизведенной за год растительной массы – сухая перегонка (пиролиз). В этом случае 3,57 млрд. тонн растительной массы распадаются на древесный уголь, примерно 1,71 млрд. т с содержанием аморфного углерода 1 млрд. т (58 %) и летучие 1,86 млрд. т, в которых остаточного углерода примерно 0,46 млрд.т (около 25%). Теплотворная способность летучих – 3500 ккал/кг.

Сжиганию подвергаем только летучие, при этом получаем 6,5 x 109 Гкал тепловой энергии или 1,13 x 1012 кВт.ч электрической энергии. Сжигание летучих превращает 0,46 млрд. т остаточного углерода в 1,23 млрд. т СО₂.

Полученная от сжигания летучих энергия эквивалентна энергии от сжигания 700 млн. т нефти, которая в этом случае фактически экономится. Известно, что сжигание 700 млн. т нефти дает 1,87 млрд. т СО₂, следовательно, экономия данного количества нефти исключает поступление в атмосферу 1,87 млрд. т СО₂.

Представленные данные позволяют предположить, что процесс отбора СО₂ из атмосферы может регулироваться площадями плантаций бамбука для выравнивания нужного уровня содержания свободного диоксида углерода в атмосфере.

А что же твердый углеродистый остаток от пиролиза бамбука, содержащий 1,0 млрд. т аморфного углерода? Этот углерод подвергается захоронению для будущих поколений и является своего рода возвращением долгов планете за использованный энергоноситель.

4. ПРИМЕР РЕАЛИЗАЦИИ ПРЕДЛАГАЕМОГО СПОСОБА ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ «ПАРНИКОВОГО ЭФФЕКТА»

4.1. Общие данные

Предполагается в субтропических районах планеты разместить 500 центров улавливания СО₂. Центры состоят из плантаций бамбука, завода сухой перегонки и энергоблока.

Средняя площадь плантаций бамбука для одного центра:

 
 Количество сухой растительной массы с площади центра:

 
 При сухой перегонке образуется твердый угольный остаток 3,42 x 106 т и 3,72 x 106 т летучих (содержание остаточного углерода 0,92 x 106 т).

 Количество тепловой энергии, выделяющейся при сжигании летучих в котле-утилизаторе 1,3 x 107 Гкал. Полезная энергия при КПД котла 0,94 и потерях тепла с отходящими продуктами сгорания – 10 %, составит 1,1 x 107 Гкал/год или 0,12 x 104 Гкал/час. Такого количества тепла достаточно для производства 1800 т/ч пара, а при передаче пара на турбогенераторы, возможно использовать турбогенератор мощностью 260 МВт (260000 кВт) и произвести за год 2,27 x 109 кВт.ч электрической энергии.

4.2. Состав и оборудование центра

4.2.1. Плантации бамбука

 Представляют участок территории, предназначенный для интенсивного выращивания бамбука, рассеченный на сектора для удобства обслуживания.

4.2.2. Агротехнический блок

 Оснащен парком машин для: высадки саженцев бамбука; рекультивации почвы после срезки стеблей и выкорчевывания корневых структур; удобрения почвы.

 В состав агротехнического блока входят цеха по хранению и изготовлению минеральных удобрений, и выращиванию саженцев бамбука.

 На месте изготавливают минеральные удобрения в виде золы от сжигания корневых систем и компоста из зеленой (листовой) массы. Для хранения минеральных удобрений централизованной поставки, предусмотрены специальные склады.

 Общая численность обслуживающего персонала блока, работающего в 3 смены 365 дней в году – 320 человек.

 Установленная мощность токоприемников 280 кВт, годовой расход электроэнергии 1,8 млн. кВт.ч.

 Ориентировочная стоимость агротехнического блока 80 млн. долларов СШA.

4.2.3. Энергоблок 

 Состоит из парка машин для срезания стеблей бамбука и транспортировки их на стенды естественной сушки энергоцеха.

За основу технологии термической переработки сухих стеблей бамбука принята популярная последние годы, в частности в США, технология «замкнутого комбинированного цикла по газификации» (IGCC). Энергоцех, работающий по такой технологии, например во Флориде, мощностью 250 МВт стоит 300 млн. долларов США.

Установленная мощность токоприемников энергоблока в целом – 350 кВт, годовой расход электроэнергии – 2,76 млн. кВт.ч.

Количество обслуживающего персонала, включая рабочих по срезке и сушке стеблей – 300 человек.

4.2.4. Ориентировочные технико-технологические одного показатели центра улавливания СО₂

 
4.3. Ориентировочные технико-экономические показатели одного центра

4.3.1. Производственные затраты центра

 
4.3.2. Реализация товарной продукции

Товарной продукцией является электрическая энергия в количестве 2272 млн. кВт.ч. При реализации 1 кВт.ч по 0,1$ имеем выручку 227,2 млн. $.

Окупаемость капитальных вложений при условии не взимания налога на прибыль составят:

 
4.4. Ориентировочные показатели при глобальном решении проблемы

Если количество центров 500, то:

 - общая сумма капитальных вложений, млрд. $ 200

 - количество произведенной электрической энергии за год, млрд. кВт.ч 1136

 - эквивалент сэкономленного каменного угля за год, млрд. т 1,1

 - заложено на хранение углерода в форме древесного угля за год, млрд. т 1,0

 Автор идеи Калинин Валерий Иванович,
директор НИИ Стромкомпозит.