А.Л. Гусев
ООО Научно-технический центр «ТАТА» и ООО Институт водородной экономики
607183, Россия, Нижегородская область, Саров,
ул. Московская, дом 29, офис 306
т. моб. +7-904-788-44-77, e-mail: gusev@hydrogen.ru
Анотация
Выступая на виртуальной встрече министров иностранных дел стран «большой двадцатки», Генеральный секретарь ООН Антониу Гутерриш призвал после победы над пандемией взять курс на устойчивое развитие и сдерживание климатических изменений. Противоречивые концепции сторонников и противников потепления климата Земли были объединены общей тревожной неопровержимой тенденцией. Парниковый газ - метан, выделяемый при таянии вечной мерзлоты, спонтанно ускоряет глобальное потепление и изменяет жизнь на Земле. К парниковым газам, как известно, относятся: водяной пар – естественный газ, углекислый газ, метан, озон.
Основным парниковым газом являются пары воды природной и антропогенной этимологии.
Метан считается третьим по значимости парниковым газом природно-антропогенной этимологии после паров воды и углекислого газа: его вклад в мировые выбросы парниковых газов оценивается в 15-20% . Однако, метан — относительно недолговечный газ: его присутствие в атмосфере Земли составляет 9-12 лет (для сравнения: у углекислого газа — около 100 лет). В этой связи его причисляют к короткоживущим климатическим загрязнителям. При этом потенциал воздействия метана на глобальное потепление в 28-36 раз выше, чем у углекислого газа (в перспективе на 100 лет).
По сравнению с началом 2000-х годов ежегодные выбросы метана увеличились на 9 процентов, а рост антропогенных выбросов метана превысил возможности его поглощения в результате естественных процессов. Это привело к накоплению дополнительного количества метана в атмосфере, способствуя глобальному потеплению
В работе привёден анализ современных потенциальных возможностей для утилизации паров воды, углекислого газа и атмосферного метана. Предложено также использовать конвекционные энергодобывающие башни для попутного сбора воды из атмосферы, а также вихревые конвекционные башни для выделения CO2 и утилизации приземного углекислого газа, в который превращается метан в процессе своего окисления в атмосфере.
Для утилизации воды из атмосферного воздуха предложено повсеместно применять конвекционные энерго - и гидродобывающие башни для добычи воды и электроэнергии в любой точке земного шара, пример, здание – башня Бурж-Халифа. В сооружении спроектирована система сбора конденсата, который по системе трубопроводов доставляется в сборный резервуар в подвальных этажах здания. Собранная вода используется для орошения зелёных насаждений на территории комплекса. Данная система позволяет собирать ежегодно до 40 млн. литров воды.
В башне Burj-al-Taqa воплощена идея об автономном здании "нулевого" энергетического уровня. Сооружение снабжает себя электричеством самостоятельно. Электрогенерация осуществляется ветряной турбиной и фотоэлектрическими панелями.
Предложено использовать аппараты легче воздуха на метане для сбора концентрированого метана в местах его эмиссии и наполнения отдельных метановых транспортных аэростатов-газгольдеров для их транспортировки транспортными буксирами – дирижаблями.
Инженерные решения предполагают следующие варианты сбора и упаковки метана.
Одно из них – настил территорий эмиссии метана (метановые кратеры и метановые пузыри в акватории озер, морей и океанов) плёночной оболочкой, сворачивающейся в парашютообразную конструкцию с грузом, которая при подъёме-взлёте затягивается грузом с формообразованием метанового шара-аэростата.
Подъемную силу аэростата обеспечивает несущий газ (метан), которым заполнены рабочие отсеки его оболочки.
Ряд инженерных решений предполагают наддув оболочек транспортных аэростатов через трубные конструкции вихревого разделения, размещенные на мобильной заправочной платформе в виде дирижабля.
Метан может транспортироваться в связке метановых аэростатов на большие расстояния к инфраструктуре потребления.
При этом метан из гальгольдеров в компримированном виде подается в приёмные патрубки магистрального трубопровода природного газа, а также в стационарные газгольдеры хранения для местного бытового, производственного и транспортного потребления.
Для подводной добычи метана из метаногидратов планируется использовать подводные дроны.
Для подземной разработки метаногидратов может применяться инфраструктура добычи рудничных полезных ископаемых – подземные дроны.
Технологические мобильные платформы - гелиевые дирижабли – буксиры планируется оснастить мощной системой управления и ориентации на основе мощных гироскопических модулей (аналог, система «Спектр» для станции «Мир») и маршевых реактивных метановых двигателей, а также парусными системами.
Планируется создание метанодобывающих флотилий на основе технологических мобильных платформ, снабженных системами навигации, управления, поиска источников метана и фиксации облаков эмиссии в приземной атмосфере (1000 м) с использованием лидаров и космических средств газоразведки и информационных коммуникаций.
Планируется переработка метана на углерод и водород. Применение углерода для синтеза наноматериалов, водорода - для применения в быту, производстве, химической промышленности и на транспорте.
На первом этапе предполагается использовать утилизированный метан для его потребления вместо угля.
Ключевые слова: водород, метан, пары воды, озон, климат, конвекционные трубы, дирижабли, аэростаты.
Введение
К числу факторов, провоцирующих глобальное изменение климата на Земле относятся: солнечное излучение; изменяющаяся солнечная активность на протяжении всего существования планеты провоцировала климатические колебания, смену ледниковых периодов межледниковьями; «парниковые» газы, накапливающиеся в нижних атмосферных слоях; сдвиги земной орбиты, вызванные влиянием Луны и планет Солнечной системы приводят к изменению интенсивности солнечного излучения, поступающего на земную поверхность; вулканическая активность; газы и твердые частицы, выбрасывающиеся в атмосферу при извержении, влияют на климат, приводят к снижению температуры, засухе.
Постоянно формирующийся климат определяется как статистический ансамбль состояний климатической системы за достаточно продолжительный интервал времени (обычно за 30-летний период).
Климатическая система планеты Земля объединяет те элементы географической оболочки (атмосфера, океан, суша, криосфера, биосфера), в которых протекают процессы перераспределения тепла между разными регионами. Особенности климатического режима Земли определяются притоком тепловой энергии от Солнца.
Часть инфракрасной радиации покидает планету, уходя в космическое пространство. Она блокируется парниковым эффектом, который создается главным образом водяным паром. Помимо него, важную роль здесь играют так называемые парниковые газы, обладающие полосами поглощения в инфракрасной области. Это углекислый газ СО2, метан СН4, окись азота NO, озон 03, фреоны (CCI3F, CC12F2 и др.), из аэрозольных соединений — углерод (сажа).
Альтернативная энергетика, а также сбор и утилизация метана и паров воды, образующихся от сжигания топлива являются основными современными инструментами человечества, способными влиять на климат и на экологию.
Альтернативная энергетика включает в себя преобразование возобновляемых и невозобновляемых видов энергоресурсов в уникальный энергоноситель – водород, который может применяться в любом месте планеты. Концепция альтернативной энергетики позволяет влиять на весь спектр парниковых газов, при этом компенсация эмиссии водянных паров в топливном цикле может быть полностью решена за счет применения энергогенерирующих конвекционных систем, в которых в процессе конденсации атмосферных паров воды из нисходящего потока генерируется вода.
В последние годы особое внимание ученых приковано к метану, который поступает в атмосферу при горении биологических отходов, добыче природного газа и каменного угля, держится в атмосферных слоях несколько десятков лет (до 100 лет). Метан создает парниковый эффект гораздо активнее, чем углекислый газ. Важным климатическим газом является озон, который бывает стратосферным и тропосферным, первый защищает планету от вредоносного ультрафиолета, второй создает парниковый эффект, несет опасность для живых организмов, образуется в результате промышленных выбросов.
В масштабах планеты приход солнечного тепла уравновешивается уходящей радиацией.
Парниковые газы накапливаются в атмосфере в результате воздействия разнообразных антропогенных факторов: сгорания топлива; использования аэрозолей;выброса отходов тяжелой промышленности;химической обработки сельскохозяйственных земель; животноводческой деятельности; вырубки лесов; свалок мусора и захоронений отходов.
Вклад метана в парниковый эффект превосходит вклад углекислого газа примерно в 36 раз при одинаковом их содержании в атмосфере Земли. В процессе индустриализации существенно возросла эмиссия паров воды в результате повсеместного преобразования химических источников энергии – сжигания горючего. Таким образом, среди игроков принятого сценария техногенного изменения климата Земли за счет возникновения «парникового эффекта» основную роль начинает играть метановая составляющая.
Степень влияния добавочной эмиссии воды за счет сжигания горючего на парниковый эффект до сих пор не оценена. Ни в Киотском протоколе, ни в согласованном Парижском соглашении нет ни слова о том, что водяной пара в приземном слое атмосферы является «парниковым газом» и тем самым - существенным антропогенным вкладом в развитие «парникового эффекта» на планете. И в «методологии МГЭИК» полностью игнорируется «парниковая» роль антропогенного водяного пара. Увеличение населения планеты с прогнозом достижения к 2050 году – 9,7 млрд. человек потребует увеличения затрат горючего примерно в 1,25 раза. Чтобы страшные последствия глобального изменения климата не стали реальностью, человечеству необходимо срочно снизить поступление «парниковых» газов в атмосферу. Для этого нужен переход на чистые и возобновляемые источники энергии. И он неизбежен в будущем, поскольку ныне реализуемые источники топлива невозобновляемые, и они рано или поздно исчерпаются.
Для снижения концентрации углекислого газа в атмосфере требуется восстановление лесных массивов. К сожалению, пока идет обратный процесс – интенсивная лесозаготовка. Сообществом развитых стран организованы программы, направленные на борьбу с «парниковыми» выбросами.
Реализуются проекты по сохранению лесов, увеличению территорий, занятых растительностью. Развивающиеся страны в рамках Киотского протокола, оформленного в 1997 году, приняли обязательства по снижению промышленных выбросов опасных газов. С реализацией вышеперечисленных мер нельзя затягивать.
По прогнозам климатологов, если климатические изменения будут продолжаться в том же темпе, то европейцев ждет тяжелое испытание: из-за таяния покровных ледников Арктики и Гренландии повысится уровень океана, течение Гольфстрим изменит направление, Европу накроет ледниковый период.
Человечество во всех частях света вынуждено будет выживать в условиях засух и ураганов, эпидемических вспышек, острого дефицита пищи и питьевой воды.
К современным возможностям оптимизации парникового эффекта относятся: интенсифкация внедрение концепции альтернативной энергетики, которая основана на генерации уникального энергоносителя водорода из экологически чистых возобновляемых и невозобновляемых энергоресурсов, создание индустрии сбора и переработки метана, создание конвекционных устройств для генерации энергии восходящего потока и получения воды из атмосферного воздуха, проведение исследований по «залечиванию» истонченных озоновых слоев, повсеместное внедрение концепции водородных технологий, глобальная оптимизация промышленности и транспорта.
Глава 1. Глобальный климат Земли и парниковый эффект
Понятие «Глобальный климат Земли» характеризует состояние температурного режима и увлажнения, циркуляцию атмосферы и океана, изменение радиации, изменение баланса жизненно важных газов, изменение концентрации твердых и химических веществ.
В настоящее время в земную климатическую систему включают атмосферу, гидросферу (океан), деятельный слой суши, криосферу (снежный покров, ледники, морской лёд, многолетняя мерзлота) и биосферу.
Климат определяется как статистический ансамбль состояний климатической системы за достаточно продолжительный интервал времени (обычно за 30-летний период). При этом учитываются не только средние значения климатических характеристик, но и распределение вероятности их вариаций. К числу основных. характеристик климата относятся температура (в первую очередь приповерхностная, определяемая на высоте 2 м от поверхности Земли), атмосферное давление, скорость и направление ветра, облачность, количество выпадающих осадков, влажность воздуха и др. Эти величины характеризуют ключевые климатообразующие процессы: перенос тепла и влаги, циркуляцию атмосферы.
Современная климатология исследует взаимодействие всех составляющих планетарной климатической системы. Это понятие может быть применено для любой планеты. Климатическая система планеты Земля объединяет те элементы географической оболочки (атмосфера, океан, суша, криосфера, биосфера), в которых протекают процессы перераспределения тепла между разными регионами [Источник: https://geographyofrussia.com/ponyatie-globalnyj-klimat/].
Особенности климатического режима Земли определяются притоком тепловой энергии от Солнца (приток внутреннего тепла составляет 0,05% от величины солнечной постоянной). Поступающая энергия имеет сезонный характер и зависит от широты места, при этом в сумме за год низкие широты получают гораздо больше энергии, чем высокие. Солнечная энергия, проходя сквозь атмосферу, достигает поверхности. Часть ее отражается, оставшаяся же часть нагревает сушу или океан. Остывание суши и океана происходит в результате собственного инфракрасного излучения. Часть инфракрасной радиации покидает планету, уходя в космическое пространство. Она блокируется парниковым эффектом, который создается главным образом водяным паром.
Помимо него, важную роль здесь играют так называемые парниковые газы, обладающие полосами поглощения в инфракрасной области. Это углекислый газ СО2, метан СН4 ,закись азота NO, озон 03 и так называемые фреоны (CCI3F, CC12F2 и др.). Из аэрозольных соединений — углерод (сажа).
В масштабах планеты приход солнечного тепла уравновешивается уходящей радиацией. В тропиках приход солнечной энергии превышает уходящее излучение, этот избыток тепла выносится в высокие широты. Перенос тепла осуществляется циркуляционными системами атмосферы и океана, причем главную роль играют вихри в атмосфере и океане [Источник: https://geographyofrussia.com/ponyatie-globalnyj-klimat/].
Климат на планете формируется под влиянием Солнца. Солнечное излучение нагревает земную поверхность неравномерно (в экваториальной области сильнее), из-за этого образуются движущиеся в определенном направлении ветры и морские течения. При повышении солнечной активности отмечаются потепления и геомагнитные бури. Естественными причинами климатических преобразований являются сдвиги планетарной орбиты, изменения геомагнитного поля, движения материковых и океанических плит, вулканические извержения.
На протяжении всей истории планеты они влияли на климат, способствовали его циклическим колебаниям, называемым ледниковыми периодами и межледниковьями. Но на данном этапе существования планеты к естественным причинам преобразований климата добавились антропогенные, то есть связанные с деятельностью человека.
Основная причина – парниковый эффект. С начала 21 века его воздействие на планету в 8 раз превысило по интенсивности воздействие солнечной радиации. Под парниковым эффектом подразумевается задержка в атмосфере излучаемого планетой тепла.
То есть атмосфера играет роль непроницаемой пленки, а Землю можно сравнить с огромной теплицей. Солнечное излучение проходит через земную атмосферу, нагревает поверхность. Но тепло, исходящее из нагретой поверхности планеты, не может уйти в космос, остается в атмосферных слоях. Причина такого явления – накопление в атмосфере в результате антропогенной деятельности газов, задерживающих исходящее из планеты длинноволновое инфракрасное излучение. Такие газы называются «парниковыми» [Источник: https://geographyofrussia.com/ponyatie-globalnyj-klimat/ ]
Глава 2. Факторы изменения климата
Следует подробнее рассказать об основных факторах, провоцирующих глобальное изменение климата на Земле:
1) Солнечное излучение.
2) Изменяющаяся солнечная активность на протяжении всего существования планеты провоцировала климатические колебания, смену ледниковых периодов межледниковьями. Кроме того, ближайшая звезда постепенно стареет, расширяется, а значит, ее влияние на планету усиливается.
3) «Парниковые» газы, накапливающиеся в нижних атмосферных слоях.
4) Сдвиги земной орбиты, вызванные влиянием Луны и планет Солнечной системы, приводят к изменению интенсивности солнечного излучения, поступающего на земную поверхность.
5) Вулканическая активность. Газы и твердые частицы, выбрасывающиеся в атмосферу при извержении, влияют на климат, приводят к снижению температуры, засухе. Оседая на горных склонах, могут вызвать лавину или сель.
К парниковым газам относятся:
1) водяной пар – естественный газ, участвующий в образовании облачности;
2) углекислый газ появляется в атмосфере в результате разложения органики и вулканических извержений, потребляется растительностью (из-за человеческой деятельности его количество растет быстрее, чем успевают поглощать растения);
3) метан поступает в атмосферу при горении биологических отходов, добыче природного газа и каменного угля, держится в атмосферных слоях несколько лет, создает парниковый эффект гораздо активнее, чем углекислый газ;
4) озон бывает стратосферным и тропосферным, первый защищает планету от вредоносного ультрафиолета, второй создает парниковый эффект, несет опасность для живых организмов, образуется в результате промышленных выбросов.
Парниковые газы накапливаются в атмосфере в результате воздействия разнообразных антропогенных факторов:
a) сгорания топлива;
b) использования аэрозолей;
c) выброса отходов тяжелой промышленности;
d) химической обработки сельскохозяйственных земель;
e) животноводческой деятельности;
f) вырубки лесов;
g) свалок мусора и захоронений отходов.
Глава 3. Техногенные факторы изменения климата Земли.
Повышение температуры атмосферы Земли на 1,10C по сравнению с доиндустриальным периодом привело к процессу интенсификации эмиссии метана из районов Крайнего Севера, где в районах вечной мерзлоты размещаются основные запасы метана на планете как в виде метаногидратов, так и в виде запасов обширных газовых месторождений.
Вклад метана в парниковый эффект превосходит вклад углекислого газа примерно в 36 раз при одинаковом их содержании в атмосфере Земли.
В процессе индустриализации существенна возросла эмиссия паров воды в результате повсеместного преобразования химических источников энергии – сжигания горючего.
Таким образом, среди игроков принятого сценария техногенного изменения климата Земли за счет возникновения «парникового эффекта» основную роль начинает играть метановая составляющая.
Степень влияния добавочной эмиссии воды за счет сжигания горючего на парниковый эффект до сих пор не оценена.
Ни в Киотском протоколе, ни в согласованном Парижском соглашении нет ни слова о том, что водяной пар в приземном слое атмосферы является «парниковым газом» и тем самым - существенным антропогенным вкладом в развитие «парникового эффекта» на планете.
И в «методологии МГЭИК» полностью игнорируется «парниковая» роль антропогенного водяного пара. Увеличение населения планеты с прогнозом достижения к 2050 году – 9,7 млрд. человек потребует увеличения затрат горючего примерно в 1,25 раза.
Отрицательные последствия изменения климата:
a) повышение влажности климата, усиление неравномерности выпадения осадков, приводящее к учащению засух и наводнений;
b) повышение уровня Мирового океана, затопление мелких островов и прибрежных низменностей;
c) угнетающее влияние на живую природу, слишком быстрое изменение среды обитания растительных и животных организмов (ученые предсказывают вымирание 30% не сумевших приспособиться видов);
d) таяние ледников, возрастание опасности лавин и селевых потоков. Прогнозируется спонтанный запуск арктической гейзерной эмиссии метана при пессимистическом сценарии климатического кризиса;
e) снижение количества осадков и объема пресных водоемов, дефицит питьевой воды;
f) снижение урожайности в сельскохозяйственных районах вне умеренного климата;
g) негативное влияние на здоровье человека, повышение частоты сердечно-сосудистых, психических и некоторых других патологий;
h) снижение продуктового обеспечение населения.
Глава 4. Пути решения проблемы
Чтобы страшные последствия глобального изменения климата не стали реальностью, человечеству необходимо срочно снизить поступление «парниковых» газов в атмосферу.
Для этого нужен переход на чистые и возобновляемые источники энергии. И он неизбежен в будущем, поскольку ныне реализуемые источники топлива невозобновляемые, и они рано или поздно исчерпаются.
Для снижения концентрации углекислого газа в атмосфере требуется восстановление лесных массивов.
К сожалению, пока идет обратный процесс – интенсивная рубка.
Сообществом развитых стран организованы программы, направленные на борьбу с «парниковыми» выбросами.
Реализуются проекты по сохранению лесов, увеличению территорий, занятых растительностью. Развивающиеся страны в рамках Киотского протокола, оформленного в 1997 году, приняли обязательства по снижению промышленных выбросов опасных газов.
Во всем мире существенно увеличивается число предприятий и хозяйственных объектов, использующих ветровую и солнечную энергию для выработки топлива.
С реализацией вышеперечисленных мер нельзя затягивать. По прогнозам климатологов, если климатические изменения будут продолжаться в том же темпе, то европейцев ждет тяжелое испытание: из-за таяния покровных ледников Арктики и Гренландии повысится уровень океана, течение Гольфстрим изменит направление, Европу накроет ледниковый период. Человечество во всех частях света вынуждено будет выживать в условиях засух и ураганов, эпидемических вспышек, острого дефицита пищи и питьевой воды.
Глава 5. Современные возможности оптимизации парникового эффекта
5.1. Метановая проблема в сохранении климата Земли и пути ее решения
Общий парниковый эффект планеты обеспечивается, в первую очередь, парами воды, без которых жизнь на Земле была бы не возможна.
Важнейшим шагом на пути реализации действий, предусмотренных Конвенцией, стало принятие и вступление в силу Киотского протокола.
Существенную роль в обеспечении успешного достижения целей Конвенции и Киотского протокола играет Россия.
Достаточно напомнить, что если бы Россия не ратифицировала Киотский протокол, то он так и не вступил бы в силу.
В работе представлен анализ роли метана в изменении климата на основе различных показателей, используемых в научных исследованиях и рекомендации по объективной оценке роли метана в глобальных процессах изменения климата.
Приведён анализ соотношения антропогенных и природных выбросов метана, оценка вклада различных источников выбросов в общую эмиссию метана в атмосферу и в рост концентрации метана в последние годы.
Метан считается третим по значимости антропогенным парниковым газом после углекислого: его вклад в мировые выбросы парниковых газов оценивается в 15-20% .
Однако, удельный вклад метана в парниковый эффект значительно выше, чем вклад углекислого газа.
Метан — относительно недолговечный газ: его присутствие в атмосфере Земли составляет 9-12 лет (для сравнения: у углекислого газа — около 100 лет).
В этой связи его причисляют к короткоживущим климатическим загрязнителям. При этом потенциал воздействия метана на глобальное потепление в 28-36 раз выше, чем у углекислого газа (в перспективе на 100 лет).
Кроме того, метан оказывает негативное влияние на качество воздуха, участвуя в формировании приземного озона.
Глобальные выбросы метана, включая антропогенные, согласно последним оценкам Global Carbon Project, в 2017 году достигли нового максимума и продолжат рост даже на фоне ожидаемого в 2020 году снижения выбросов парниковых газов в целом. Около 60% выбросов метана носят антропогенный характер, а, следовательно, управляемы.
Оставшиеся 40% природных выбросов метана связаны с заболоченными территориями, поверхностными водными объектами, пожарами и т.д.
5.1.1. Борьба с пожарами для снижения эмиссии метана в атмосферу
5.1.2. Возможности индустрии сбора и переработки метана
Выступая на виртуальной встрече министров иностранных дел стран «большой двадцатки», Генеральный секретарь ООН Антониу Гутерриш призвал после победы над пандемией взять курс на устойчивое развитие и сдерживание климатических изменений.
Противоречивые концепции сторонников и противников потепления Климата Земли были объединены общей тревожной неопровержимой тенденцией. Метан, выделяемый при таянии вечной мерзлоты, ускоряет глобальное потепление и изменяет жизнь на Земле.
«Парниковый" эффект от выделения метана в атмосферу Земли в десятки раз выше, чем от углекислого газа.
В работе изложена водородная концепция утилизации атмосферного метана для сохранения устойчивого климата Земли.
Привёден анализ современных потенциальных возможностей для сбора атмосферного метана и разделения его на водород и углерод.
Предложено использовать аппараты легче воздуха для функционирования плавучих фабрик утилизации атмосферного метана в местах повышенной эмиссии метана в атмосферу.
Кроме того, воздухоплавательные комплексы могут быть оснащены гибкими автоматизированными производствами воздухоплавательных аппаратов.
Основным материалом для принтерной печати новых оболочек аппаратов легче воздуха будет углерод.
Предложена концепция применения гелиевых дирижаблей-буксиров и отдельных метановых транспортных аэростатов-газгольдеров для транспортировки метана.
Основной целевой продукт – водород в комприммированном виде будет подаваться в приёмные патрубки магистрального трубопровода транспортировки природного газа, а также в газгольдеры для местного бытового, производственного и транспортного портребления.
Глава 6. Предлагаемые научно-исследовательские проекты
Автором с коллегами предложены основные проекты в области сохранения климата Земли, которые сейчас находятся в состоянии рассмотрения международными фондами.
Это прежде всего проекты, связанные с изучением загрязнения близлежащей атмосферы Земли (1000 м) с применением лидаров и сенсоров, а также стратосферы и тропосферы с применением космических метеорологических средств.
Предложены проекты для генерации энергии и воды в любой точке земного шара с использованием высотных конвекционных сооружений (труб и архитектурных сооружений).
Предложены проекты по генерации «зеленого» водорода из биоэтанола и метана.
Сделаны оценки и предложен проект получения водорода в атомно-водородном цикле. Предложен проект «Получение водорода для развития водородной энергетики и водородных технологий в процессах углехимии».
Глава 7. Прогнозируемая катастрофа за счет спонтанной эмиссии метана
По сравнению с началом 2000-х годов ежегодные выбросы метана увеличились на 9 процентов, а рост антропогенных выбросов метана превысил возможности его поглощения в результате естественных процессов. Это привело к накоплению дополнительного количества метана в атмосфере, способствуя глобальному потеплению.
Как ни странно, сектор ископаемого топлива не является основным источником выбросов метана. По оценкам ученых, около двух третей всех глобальных выбросов метана, связанных с деятельностью человека, обусловлено сельскохозяйственным сектором, а вот большая часть оставшихся выбросов CH4 – это энергетический сектор.
«Доминирующими факторами увеличения выбросов метана являются расширение и интенсификация сельского хозяйства, особенно животноводства, и использование ископаемого топлива в Южной и Юго-Восточной Азии и Китае. В Северной Америке мы видим, что в росте выбросов преобладает использование ископаемого топлива», — резюминируют авторы [5].
Ранее отмечалось, что добыча сланцевого газа привела к росту выбросов метана в атмосферу.
Исследователи утверждают, что метан сегодня ответственен за 23 процента всего потепления, вызываемого парниковыми газами. Однако поскольку CH4 существует в атмосфере всего девять лет, он является хорошей мишенью в деле борьбы с изменениями климата. То есть стабилизация или сокращение выбросов окажут на климат довольно быстрый эффект.
При потеплении на 2 °C людям, скорее всего, придется переселяться из тропиков.
А если температура вырастет еще больше, то непропорционально быстрая эвакуация людей из тропических широт на границу тропиков и в субтропики может привести к увеличению плотности населения на этих территориях на 300% и более [6].
Но наиболее катастрофическое развитие событий ждет нас при пересечении отметки в 3 °C и выше.
Это вероятный сценарий к концу XXI века, если выбросы парниковых газов будут сокращены незначительно – в соответствии с целями, которые страны уже заявили в рамках Парижского соглашения.
Известные ученые оценивают ситуацию так: «Масштабы разрушения выходят за рамки наших возможностей моделирования. С большой вероятностью, человеческой цивилизации приходит конец» [6].
Нужно отметить большие усилия по оценке факторов, влияющих на изменение Климата и выработке рекомендаций по препятствованию глобальным катастрофическим климатическим явлениям осуществляет Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК).
«Своими научными докладами за последние два десятилетия, — заявил Нобелевский Комитет в 2007 году при присуждении Нобелевской премии Мира группе ученых и политиков, — Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) содействовала формированию широкого консенсуса о наличии связи между деятельностью человека и глобальным потеплением. Более высокая степень точности оценки масштабов потепления явилась результатом совместных усилий тысяч научных работников и официальных лиц более ста государств».
Глава 8. Необходимость нового Климатического Соглашения
Текущая траектория антропогенных выбросов метана, по оценкам, лежит между двумя самыми пессимистичными (теплыми) сценариями МГЭИК, то есть RCP8.5 и RCP6.0, что соответствует повышению температуры более чем на 3 градуса Цельсия к концу нынешнего века.
Соответственно, для достижения целей Парижского соглашения (ограничение повышения глобальной температуры 1,5–2 градусами Цельсия), необходимо значительное сокращение выбросов метана.
Ни один из известных глобальных протоколов в настоящее время не учитывает спонтанную эмиссию паров воды, образующейся от сжигания топлив. Степень влияния добавочной эмиссии воды за счет сжигания горючего на парниковый эффект до сих пор не оценена. Ни в Киотском протоколе, ни в согласованном Парижском соглашении нет ни слова о том, что водяной пар в приземном слое атмосферы является «парниковым газом» и тем самым - существенным антропогенным вкладом в развитие «парникового эффекта» на планете. И в «методологии МГЭИК» полностью игнорируется «парниковая» роль антропогенного водяного пара. Увеличение населения планеты с прогнозом достижения к 2050 году – 9,7 млрд. человек потребует увеличения затрат горючего примерно в 1,25 раза.
Чтобы страшные последствия глобального изменения климата не стали реальностью, человечеству необходимо срочно снизить поступление «парниковых» газов в атмосферу. Для этого нужен переход на чистые и возобновляемые источники энергии. И он неизбежен в будущем, поскольку ныне реализуемые источники топлива невозобновляемые, и они рано или поздно исчерпаются.
В связи с этим назрела необходимость в объединении усилий по разработке нового протокола, учитывающего как эмиссию паров воды от сжигания топив, так и спонстанный характер эмиссии метана.
Благодарности
Автор выражает своё признание и благодарность за многолетнее сотрудничество в области обсуждения и продвижения основ Водородной концепции одному из основателей международного Водородного движения – Президенту Международной Ассоциации Водородной Энергетики проф. доктору Т.Н. Везироглу.
Автор приносит свои благодарности за большой вклад по всестороннему обсуждению метановой проблемы к.ф.н. Ивану Ивановичу Засурскому.
Заключение
Изменение климата является одним из основных современных вызовов. Так, например, непредсказуемость погодных условий, которая ставит под угрозу производство продовольствия, повышение уровня моря, которое увеличивает риск природных катастроф, являются последствиями изменения климата и имеют глобальный характер и беспрецедентные масштабы.
Если не предпринять решительных действий сегодня, то последующая адаптация к изменению климата потребует больших усилий и затрат [1].
Парниковые газы вырабатываются естественным образом и играют важную роль в выживании людей и других живых существ, удерживая часть солнечного тепла и делая нашу планету пригодной для жизни.
Полтора столетия индустриализации, а также сплошная вырубка лесов и применение определенных методов ведения сельского хозяйства привели к увеличению выбросов парниковых газов в атмосферу. Вместе с ростом численности населения и развитием экономики стран увеличиваются объемы их выбросов парниковых газов. Ниже приводится ряд научно установленных закономерностей [1]:
- средняя глобальная температура непосредственно зависит от концентрации парниковых газов в атмосфере Земли;
- с начала индустриальной эпохи концентрация парниковых газов постоянно увеличивается, и вместе с ней растет среднемировая температура;
- одними из основных парниковых газов в атмосфере Земли являются пары воды, углекислый газ, метан и озон.
Парниковый газ - метан, выделяемый при таянии вечной мерзлоты, спонтанно ускоряет глобальное потепление и изменяет жизнь на Земле. Основным парниковым газом являются пары воды природной и антропогенной этимологии. Метан считается третим по значимости парниковым газом природно-антропогенной этимологии после паров воды и углекислого газа: его вклад в мировые выбросы парниковых газов оценивается в 15-20% .
Однако, метан — относительно недолговечный газ: его присутствие в атмосфере Земли составляет 9-12 лет (для сравнения: у углекислого газа — около 100 лет). В этой связи его причисляют к короткоживущим климатическим загрязнителям. При этом потенциал воздействия метана на глобальное потепление в 28-36 раз выше, чем у углекислого газа (в перспективе на 100 лет).
По сравнению с началом 2000-х годов ежегодные выбросы метана увеличились на 9 процентов, а рост антропогенных выбросов метана превысил возможности его поглощения в результате естественных процессов. Это привело к накоплению дополнительного количества метана в атмосфере, способствуя глобальному потеплению
В работе привёден анализ современных потенциальных возможностей для утилизации паров воды, углекислого газа и атмосферного метана.
Предложено также использовать конвекционные энергодобывающие башни для попутного сбора воды из атмосферы, а также вихревые конвекционные башни для выделения CO2 и утилизации приземного углекислого газа, в который превращается метан в процессе своего окисления в атмосфере.
Для утилизации воды из атмосферного воздуха предложено повсеместно применять конвекционные энерго - и гидродобывающие башни для добычи воды и электроэнергии в любой точке земного шара, пример, здание – башня Бурж-Халифа. В сооружении спроектирована система сбора конденсата, который по системе трубопроводов доставляется в сборный резервуар в подвальных этажах здания. Собранная вода используется для орошения зелёных насаждений на территории комплекса. Данная система позволяет собирать ежегодно до 40 млн литров воды.
В башне Burj-al-Taqa воплощена идея об автономном здании "нулевого" энергетического уровня. Сооружение снабжает себя электричеством самостоятельно. Электрогенерация осуществляется ветряной турбиной и фотоэлектрическими панелями.
Предложено использовать аппараты легче воздуха на метане для сбора концентрированого метана в местах его эмиссии и наполнения отдельных метановых транспортных аэростатов-газгольдеров для их транспортировки транспортными буксирами – дирижаблями.
Инженерные решения предполагают следующие варианты сбора и упаковки метана.
Одно из них – настил территорий эмиссии метана (метановые кратеры и метановые пузыри в акватории озер, морей и океанов) плёночной оболочкой, сворачивающейся в парашютообразную конструкцию с грузом, которая при подъёме-взлёте затягивается грузом с формообразованием метанового шара-аэростата.
Ряд инженерных решений предполагают наддув оболочек транспортных аэростатов через трубные конструкции вихревого разделения, размещенные на мобильной заправочной платформе в виде дирижабля.
Метан может транспортироваться в связке метановых аэростатов на большие расстояния к инфраструктуре потребления.
При этом метан из гальгольдеров в комприммированном виде подается в приёмные патрубки магистрального трубопровода природного газа, а также в стационарные газгольдеры хранения для местного бытового, производственного и транспортного потребления.
Для подводной добычи метана из метаногидратов планируется использовать подводные дроны.
Для подземной разработки метаногидратов может применяться инфраструктура добычи рудничных полезных ископаемых – подземные дроны.
Гелиевые дирижабли – буксиры планируется оснастить мощной системой управления и ориентации на основе мощных гироскопических устройств (аналог, система «Спектр» для станции «Мир») и маршевых реактивных метановых двигателей.
Планируется переработка метана на углерод и водород. Применение углерода для нужд наноматериаловедения, водорода - для применения в быту, производстве, химической промышленности и на транспорте.
Пленочные оболочки для аэростатов можно синтезировать из метана.
На первом этапе предполагается использовать утилизированный метан для его потребления вместо угля.
Выводы
1. Недавно состоялась конференция, посвященная сохранению климата Земли и прошла в рамках мероприятий Четвёртого Всемирного Конгресса "Альтернативная энергетика и экология" - WCAEE - ICEEС-2020. Первая Международная Конференция "Энергетика, Экология, Климат - 2020" - WCAEE - ICEEС-2020 была посвящена 70-летнему Юбилею профессора, доктора технических наук, заведующего кафедрой «Атомная энергетика», заслуженного энергетика России Щеклеина Сергея Евгеньевича - https://www.isjaee.com/jour/announcement/view/82
В рамках Конференции обсужден ряд актуальных вопросов по устойчивому развитию человечества в условиях климатических вызовов, связанных с возрастающей эмиссией двуокиси углерода и метана.
2. Роль метана в климатических и экологических процессах исключительно велика. В настоящее время важной задачей для многих регионов земного шара, и в том числе для России, являются инвентаризация существующих источников метана, выявление и прогнозирование появления новых источников. Это важно ещё и потому, что при экспериментальных измерениях мощностей отдельных источников выявлена значительно меньшая мощность, чем предполагалось. Потому не исключена возможность, что мы столкнёмся в будущем с проблемой дефицита метана из традиционных источников, который удастся ликвидировать только на основе изучения нетрадиционных источников.
3. Автором совместно с коллегами в 2020 году подготовлен межгосударственный проект с целью инвентаризации источников метана и фиксации облаков эмиссии в приземной атмосфере (1000 м) с использованием лидаров, а также в высотных слоях Земли с применением космических средств.
4. Назрела необходимость в объедингении усилий по разработке нового протокола, учитывающего как эмиссию паров воды от сжигания топив, так и спонстанный характер эмиссии метана.
Источники литературы
[1] https://www.un.org/ru/sections/issues-depth/climate-change/index.html
[2] А.Л. Гусев, И.И. Засурский. Концепция утилизации атмосферного метана для сохранения Климата Земли.//Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), Preprint, 2020.
[3] А.Л. Гусев, Т.Н. Везироглу, И.И. Засурский. Концепция утилизации атмосферного метана для сохранения климата и добыча водорода.//Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), Preprint, 2020.
[4] A.L. Gusev, T.N. Veziroglu, I.I.Zassoursky. RF patent application. MOBILE ARBORNE AIR CLEANING STATION.
[5] Marielle Saunois et al. The Global Methane Budget 2000–2017//Earth Syst. Sci. Data, 12, 1561–1623, 2020. https://doi.org/10.5194/essd-12-1561-2020.
[7] А.Л. Гусев и др. Столетний Меморандум от 13 ноября 2006 года Главам Большой Восьмерки. // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE, № 3. 2007, стр. 11 -12.
[8]А.Л.Гусев. Экономическая, энергетическая, экологическая и геополитическая безопасность России в 21 веке. Нужна ли России Водородная энергетика? Экономика, экология и общество России в 21-м столетии / А.Л. Гусев, Ю.П. Дядюченко, В.М. Чертов // Труды 4-ой Международной научно-практической конференции. Т.1. Спб.: Нестор, 2002.