“Нефть не кончится никогда”

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 нефтяной 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.