Академик Саламбек Хаджиев об истории углеродного топлива и перспективах переработки нефти и биомассы.

Автомобили могут ездить на смеси спирта и бензина, а углекислый газ, вырабатываемый ими, может стать сырьем для производства топлива и энергии. Нефть не кончится, но станет слишком дорогой и неудобной для использования. О прошлом и будущем углеродной энергетики рассказывает академик РАН, бывший министр химической и нефтехимической промышленности СССР Саламбек Хаджиев.

Углеродная эра — от биомассы к биомассе через уголь и нефть

Если ставить вопрос таким образом, нефть не кончится никогда. Вопрос здесь лежит в другой плоскости: когда закончится углеводородная эра и будет ли другая эра, а также какой компонент будет выдвигаться на первый план в оставшиеся времена углеводородной эры. Если рассмотреть историю человечества, то люди пользовались соединениями углерода всегда. На сегодняшний день известно около 5 млн углеродсодержащих соединений, всех соединений других элементов – примерно 500 тысяч. Ежегодно человечество синтезирует 250 тыс. новых углеродсодержащих соединений – таково химическое разнообразие этого элемента.

Однако на разных этапах развития человечества в качестве исходного углеродсодержащего сырья использовались самые разные углеродные материалы. Очень долгое время люди использовали биомассу – дерево, солома, трава. Из нее не только извлекали энергию, тепло, но и выделяли нужные вещества – известны краски растительного происхождения, например. Затем период использования такой первичной биомассы закончился, ее начал вытеснять уголь. Человечество развило достаточно мощную углехимическую промышленность, многие углеродсодержащие соединения получались на основе переработки кокса. То есть уголь использовался не только для отапливания жилища, получения энергии в той или иной форме, но и как исходное химическое сырье, это была огромная область синтетической химии. Затем кокс был постепенно вытеснен нефтью, и сегодня у нас эра нефти и газа. При этом в определенной мере используются и первичная биомасса, и уголь, также внедряется использование биомассы уже на новом уровне, более высокой степени переработки – в виде биотоплив.

Эта углеродная жизнь будет сопровождать нас всегда, она никогда не закончится. То, что нас ожидает в относительно скором времени, — это конец эры дешевой нефти.

Нефть обогнала в объемах использования уголь и биомассу потому, что ее стоимость как углеродного сырья была наиболее низкой. Первоначально нефть разрабатывалась в легкодоступных регионах: у нас это Грозный, Баку, за границей – Ближний Восток. Нефть там залегала неглубоко, само сырье было очень высокого качества по составу, то есть содержало мало серы, мало азота – только углеводороды. По мере того как мы расходуем эти доступные ресурсы, добыча и переработка нефти становятся все более и более дорогими. Сначала мы продолжали добывать высококачественную, «хорошую» нефть, но ушли за ней в сложные регионы – Урал, Сибирь. Потом «хорошие» нефти начали заканчиваться и там.

Озвучиваемая оценка «конца нефти» – примерно 40 лет – относится к разведанным сейчас и доступным для добычи на имеющемся уровне технологий источникам «хорошей» нефти.

Более «плохие» нефти – так называемая тяжелая нефть, представляющая собой смесь более тяжелых углеводородов и больше напоминающая гудрон, — требуют больших материальных затрат как при добыче, так и при переработке. Запасов более плохих нефтей при сегодняшнем уровне потребления у нас хватит где-то на 200 лет (это опять оценка разведанных ресурсов). Но это уже более дорогая нефть, более экономически затратная.

Нефть станет заметно более дорогой, и это откроет дорогу другим источникам энергии, другому углеродсодержащему сырью. Сейчас мы называем его альтернативным, потому что оно является альтернативой современном сырью – нефти и природному газу.

На мой взгляд, будущее – отдаленное будущее – за источниками искусственной биомассы.

Уже сейчас, когда мы говорим о биомассе, она делится на три поколения. Первое поколение – это классическая биомасса, например, когда мы получаем топливо, разлагая с помощью ферментов пшеницу, кукурузу, сахарный тростник. Сейчас, например, в Бразилии бензин в значительной части уже заменен биоэтанолом, в смесях для двигателей содержится до 85% спирта. Таким образом, первое поколение биотоплива – это пищевая биомасса, ее легко перерабатывать процессами брожения, однако она достаточно дорогая. Второе поколение биотоплива – это биоэтанол, или биобутанол, изготавливаемый из древесины, соломы или других углеродсодержащих отходов. Для этого также используется процесс ферментации, но переработка целлюлозы гораздо сложнее, хотя используемое сырье на порядки доступнее, чем пищевые источники углеводов.

Третье поколение – биотопливо будущего, которое производится из специально выращенной эффективной биомассы. Вспомним, что нужно для процесса фотосинтеза, в ходе которого растения вырабатывают кислород и углеводы: это энергия Солнца, углекислый газ в качестве исходного углеродного сырья. Биомасса третьего поколения поставит этот процесс на уровень промышленного цикла.

В идеале мы собираем двуокись углерода, которую мы в огромных количествах выбрасываем в атмосферу, сжигая топлива, и направляем ее на выращивание специальной биомассы, которая растет с очень высокой скоростью, причем не в природе, а в промышленных реакторах. Так мы обеспечиваем замкнутый цикл: из биомассы производится топливо, которое сжигается, полученный углекислый газ собирается и направляется на выращивание новой биомассы в реакторы.

Уже сейчас созданы системы, которые наращивают биомассы в сотни раз быстрее, чем самая быстрорастущая древесина, – это водоросли. Именно такие системы позволяют надеяться в перспективе перейти не к сельскохозяйственному возделыванию биотопливных культур, а к созданию настоящих циклических промышленных реакторов. Сейчас завершенный цикл круговорота углерода реализован в природе: все живые организмы вдыхают кислород и выдыхают углекислый газ, растения поглощают углекислый газ в процессе фотосинтеза и с помощью энергии солнечных лучей вырабатывают углеводы и выделяют кислород. Гетеротрофные организмы перерабатывают углеводы, получая энергию для жизни, с помощью вдыхаемого кислорода и выделяют углекислый газ. Аналогичный цикл нужно замкнуть и в промышленности: под влиянием солнечных лучей из СО2 в реакторах будет получаться биомасса, которая будет перерабатываться в бензин, при сжигании которого образуется СО2, который снова поступает в реактор.

На мой взгляд, до создания такого замкнутого технического цикла по углероду осталось 15—30 лет, не больше. В реакторы будут поступать не только продукты сгорания бензина, но и отходы с ТЭЦ и другие продукты сгорания. Таким образом, наиболее перспективная биомасса третьего поколения – это искусственно выращиваемые водоросли.

Высокая эффективность их роста позволяет культивировать их в промышленном реакторе – как в химии, куда подается СО2, солнечные лучи, а на выходе получается биомасса. Он уже не зависит от почв, от климата, там создается специальная среда, вводятся микроэлементы, скорость синтеза очень высокая.

Когда мы перейдем к замкнутому техническому циклу использования углерода, во-первых, мы перестанем выбрасывать потребленный СО2, а во-вторых, обретем практически неиссякаемый источник углерода для цивилизации. Причина в том, что в природе углерода больше всего содержится в карбонатах – солях угольной кислоты.

Содержание углерода в карбонатах в 100 раз больше, чем во всех других углеродсодержащих соединениях – угле, нефти, газе. Поэтому их запасы действительно неиссякаемы.

Если тяжелых нефтей нам хватит на 200 лет, то этого карбоната хватит на тысячи лет, если мы научимся его перерабатывать. Карбонаты при нагревании довольно легко выделяют СО2, поэтому карбонаты – отличное сырье для биотоплива третьего поколения, для запуска технического цикла. Таковы на сегодняшний день перспективы поиска нового топлива новой углеродной эры, которая придет на смену современной эры дешевой нефти.

Развитые и быстрорастущие страны осознают скорый конец нефтяной эры…

Уголь, сланцы, растения — рывок США и Китая

Развитые и быстрорастущие страны осознают скорый конец нефтяной эры и делают ставку на те или иные альтернативные и возобновляемые источники энергии. Ведется разработка альтернативных методов ископаемого сырья: уголь, газ, сланцы, торф, а также развитие методов переработки биомассы.

США, с одной стороны, поставили задачу (и настойчиво ее реализуют) увеличить производство этанола до 20 млрд л в год (в Бразилии сейчас производится 12 млрд л в год) и перевести значительную часть автомобилей на смесь бензина и этанола.

Это колоссальные объемы, хотя и не такие большие для экономики США. В южных штатах активно выращивают сельскохозяйственные культуры для нужд биотоплива. Другое направление – революционная разработка технологий добычи сланцевого газа. По составу это обычный природный газ, метан с примесями, однако он залегает в пластах очень небольшой мощности. Поэтому, если делать скважину только в одном месте, приток газа слишком маленький и его добыча нерентабельна. Однако США разработали способ бурения длинных горизонтальных скважин на значительной глубине, позволяющей сделать добычу сланцевого газа рентабельной.

В результате разработки этой технологии за два-три года США сделали колоссальный рывок в объемах добычи природного газа и на сегодня опережают Россию по этому показателю.

Китай также ориентируется и на переработку биомассы, и на добычу альтернативных видов топлива. Для КНР это уголь, кокс, по запасам которого Китай занимает первое место в мире. Сейчас в этой стране разработаны промышленные процессы получения всего ряда необходимых углеводородов: синтетической нефти, топлива и даже через синтез-газ (смесь водорода и монооксида углерода) – этилена и пропилена. Традиционно этилен и пропилен (и полиэтилен, и полипропилен соответственно) получали из нефти, однако с использованием технологических процессов их синтеза из угля необходимость в нефти как в сырье для синтеза пропала. На Ближнем Востоке развита технология получения этилена и пропилена из природного газа. Эта схема принципиально отличается от синтеза этих углеводородов из нефти: нефть в основном состоит из углеводородов с более длинной углеродной цепочкой, которую нужно разрывать для синтеза этилена и пропилена (два и три атома углерода соответственно). Метан – основной компонент природного газа – состоит всего из одного атома углерода, поэтому молекулы метана нужно сшивать для получения этилена.

Подводя итог, можно сказать, что развитые страны работают сразу в нескольких направлениях – как над разработкой технологий биомассы третьего поколения на дальнюю перспективу, так и над освоением альтернативных источников энергии в более близкой перспективе.

Традиционно новые технологии нефтедобычи развиваются по двум направлениям. Первое направление – это увеличение эффективности выработки скважины…

Технологии нефтедобычи: качать больше и дальше

Традиционно новые технологии нефтедобычи развиваются по двум направлениям. Первое направление – это увеличение эффективности выработки скважины. Даже на самом современном уровне мы не реализуем потенциал скважины на 100%. Самые высокие показатели – это 60%, раньше было 30%, то есть человечество достигло здесь большого прогресса, однако есть еще куда развиваться, и на это направлены большие усилия. Второе направление – это введение в оборот более сложных месторождений, например, месторождения, требующие строительства наклонных скважин, месторождения глубокого залегания нефти, подводная нефтедобыча.

Это два кардинальных направления совершенствования нефтедобычи, и прогресс, достигнутый по ним, совершенно впечатляющий. Еще 20—30 лет назад невозможно было представить таких скоростей и объемов добычи, такой высоконадежной безотказной техники – раньше техника ломалась гораздо чаще. Конечно, совсем избежать аварий не удается, но авария в Мексиканском заливе – это почти невероятный случай, который нельзя исключить полностью, хотя вероятность его ничтожно мала.

Возможно, в технике ВР была все-таки недостаточная степень перестраховки оборудования: например, в космической технике перестраховка делается в пять, минимум три раза, и в такой высокосложной нефтедобывающей технике надежность должна быть на очень высоком уровне. Достигнуты и большие успехи в увеличении степени извлечения нефти: сейчас часты случаи, когда закрытые выработанные скважины вновь запускают и из них получается добывать нефть.

Совершенствуются и методы переработки нефти, эффективность извлечения из нее важных топлив…

Глубокая переработка нефти

Совершенствуются и методы переработки нефти, эффективность извлечения из нее важных топлив. Состав обычной легкой нефти таков, что примерно 50% ее – это бензин и дизельное топливо, а 50% — мазут, который при обычной переработке не используется ни как сырье, ни как автомобильное топливо, а просто сжигается для получения тепла в печах ТЭЦ либо используется для получения гудрона или асфальта. Глубокая переработка – это превращение мазута в бензин, дизельное топливо и другое ценное углеводородное сырье. Мазут отличается от бензина и дизельного топлива по составу – в него входят более тяжелые углеводороды с более длинным и сложным углеродным скелетом.

Исторически сначала люди научились делить мазут на легкую часть и тяжелую часть.

Легкую часть с помощью процессов каталитического крекинга превращают в высокооктановый бензин, этот процесс в полной мере реализован на наших российских нефтеперерабатывающих заводах. Однако его технологии меняются. Раньше для превращения нужно было проводить процесс в присутствии катализатора в течение 30 минут. Катализатор расходуется, приходит в негодность, и его нужно заменять. В 60—70-е годы это была лучшая техника. Начиная с 1970 года произошел рывок: разработаны системы, где реакция заканчивается максимум через шесть-десять секунд.

В некоторых системах реакция протекает за одну тысячную секунды.

Расход катализатора также снижен: подается 130—150 объемов легкой нефти на объем катализатора. Это уже совсем другие системы, поэтому за эти 20—30 лет техника на заводах полностью обновилась.