2.2. Спалювання палива та парниковий ефект

Історія цивілізації тісно пов'язана із спалюванням палива, починаючи від використання вогню і закінчуючи сучасними системами вироблення електрики та тепла. Основним хімічним елементом твердого органічного палива, який бере участь в процесі горіння, є вуглець (рідкого і газоподібного – вуглеводні). У результаті спалювання викопних видів палива, таких як вугілля, та низки інших (деревина, солома тощо) утворюється вуглекислий газ (СО2) по інтегральній реакції вуглецю з киснем:

С + О2 = СО2 + енергія.

Зростання концентрації СО2 і деяких інших газів в атмосфері може призвести до істотного потепління клімату, названого парниковим ефектом. В енциклопедіях його визначають так: «Парниковий ефект (оранжерейний) в атмосферах планет – нагрівання внутрішніх шарів атмосфери (Землі, Венери та інших планет), обумовлений прозорістю атмосфери для основної частини випромінювання Сонця». Цей термін увійшов у науковий обіг наприкінці ХХ століття, а в останні роки парниковий ефект став широко відомий як небезпечне явище, яке загрожує всій планеті. 

Під образним висловом «парниковий ефект» мається на увазі цілком конкретне явище. Наша Земля знаходиться в тепловій рівновазі: вона випромінює в космічний простір енергію зі швидкістю, яка дорівнює швидкості поглинання енергії, що надходить від Сонця. Земна атмосфера отримує певну кількість сонячного випромінювання (ультрафіолетові промені). Близько 30% цього випромінювання відразу відбивається у космічний простір хмарами, атмосферним пилом, молекулами повітря і подекуди поверхнею Землі (ділянки, вкриті снігом і льодом). Все разом це називається «альбедо» (лат. albedo – білизна) – число, що показує, яку частину сонячного світла відбиває дана поверхня.

Інша кількість сонячного випромінювання поглинається поверхнею океанів і материків та в меншому ступені водяною парою, аерозолями, озоном і хмарами. Поглинена ними енергія випромінюється назад в космос у вигляді інфрачервоного випромінювання. При цьому частина випромінювання, що виходить від поверхні Землі (в інфрачервоній області спектру випромінювання), на зворотному шляху в космос поглинається хмарами та триатомними газами (СО2, SO2, NO2, О3 та ін.), що містяться в атмосфері. Ці гази характеризуються селективною поглинальною здатністю саме в інфрачервоній області випромінювання.

Повторне поглинання інфрачервоного випромінювання (реабсорбція) й обумовлює парниковий ефект. Триатомні гази, що називаються «парниковими газами», генерують потік інфрачервоної енергії, частина якої повертається до поверхні Землі, а потім знову відбивається в атмосферу і т.д.

Температура біля поверхні Землі визначається кількістю інфрачервоної енергії, що утворюється вищеописаним способом. Згідно з наявними оцінками, природний парниковий ефект створюється приростом температури Землі на 30°С. Це означає, що при усуненні природного парникового ефекту середня температура становила б не +15°С, а –15°С. І, навпаки, якщо об'єм одного з компонентів атмосфери, що викликає перетворення інфрачервоної енергії, збільшиться, то має зрости вплив парникового ефекту і може відбутися зростання температури земної поверхні.

Вважається, що до 2030 р. можна очікувати подвоєння вмісту вуглекислого газу в порівнянні з початком промислової ери. Це може призвести до підвищення середньої температури Землі на 2–3°С в помірних широтах і до 10°С на полюсах.

У результаті такого потепління та пов'язаного з ним танення льоду може підвищитися (на 5–6 м і більше) рівень вод Світового океану з подальшим поглинанням величезних територій суші. При цьому буде порушений режим дощів, кількість опадів у помірних та холодних кліматичних зонах різко збільшиться. Докорінно зміниться аграрна карта світу, порушиться харчовий ланцюг і т. д.

Дія парникового ефекту визначається не тільки вмістом вуглекислоти в атмосфері, але й іншими зазначеними вище чинниками. При аналізі «парникової моделі» слід враховувати більш складний механізм встановлення кліматичних умов нашої планети, особливо визначальну роль Сонця – джерела практично всієї теплової енергії Землі. У різні періоди часу Земля отримує від Сонця різну кількість енергії, що визначається трьома циклами тривалістю в 20, 40 та 100 тисяч років. До цих глобальних циклів слід додати локальні: одинадцятирічні та двадцятидвохрічні.

Поряд з парниковим ефектом, який може викликати потепління клімату Землі, можливий і альтернативний ефект, пов'язаний з порушенням теплового балансу атмосфери Землі в бік пониження температури. Цей ефект можливий при потраплянні найдрібніших твердих частинок у вигляді незгорілого вуглецю, частинок золи в верхні шари атмосфери, що знаходяться за тропопаузою, де відсутні помітні переміщення мас повітря. У цьому випадку найдрібніші тверді частинки в результаті їх накопичення утворюють шар зі зниженою оптичною прозорістю. Даний шар виконує функції своєрідного екрану, від якого відбивається частина променистої енергії Сонця, внаслідок чого в нижчих шарах атмосфери створюються умови, які сприяють зниженню середньорічної температури.

Існує припущення, що виникнення цього екранного шару багато в чому визначається висотою димових труб, яка може досягати 300 м. Тому енергетики свого часу відмовилися від проектування та будівництва надвисоких димових труб (до 1 км).

Щорічно в процесі спалювання органічного палива витрачається близько 10 млрд. т кисню, який перетворюється на еквівалентні кількості СО2. За останні 20 років ХХ століття концентрація СО2 в атмосфері зросла на 15%. Молекули СО2 добре пропускають короткохвильове сонячне випромінювання, але поглинають випромінювання в довгохвильовому спектрі частот, що є природним регулятором температури поверхні Землі. Зниження концентрації СО2 призводить до зменшення середньорічної температури планети: при повній відсутності СО2 в атмосфері вся поверхня Землі покрилася б льодом, а середньорічна температура не перевищувала б–10°С.

Протягом мільйонів років існувала природна рівновага вмісту СО2 в атмосфері, яка сьогодні порушена досить істотно, в першу чергу техногенною діяльністю людства. Окислювально-відновні реакції горіння органічного палива щонайменше до середини наступного століття залишаться основою швидко зростаючої енергетики світу. За цей час вміст СО2 в атмосфері може зрости ще в кілька разів. Як наслідок, у доступному для огляду майбутньому слід очікувати потепління клімату Землі.

У 1861 році англійський фізик Джон Тіндаль (1820–1893) першим вказав, що оскільки атмосферна вуглекислота поряд з водяною парою поглинає довгохвильове випромінювання в атмосфері, то зміни концентрації вуглекислоти можуть призвести до коливань клімату. У подальшому питання про вплив атмосферної вуглекислоти на клімат привернув увагу шведського вченого Сванте Августа Арреніуса (1859–1927) – лауреата Нобелівської премії 1903 року. У роботах Арреніуса було досліджено поглинання радіаційних потоків в атмосфері і запропонована чисельна модель для визначення температури біля земної поверхні в залежності від властивостей атмосфери. Використовуючи цю модель, Арреніус встановив, що збільшення концентрації вуглекислого газу в 2,5–3 рази підвищує температуру повітря на 8–9°С, а зменшення кількості вуглекислоти на 38–45% знижує температуру на 4–5°С. Його розрахунки дещо завищили вплив зміни концентрації СО2 на зміну температури повітря, але в цілому його висновки виявилися справедливими.

Однак існує й інша точка зору. З початку ХХ ст. до 40-х років (згідно з даними гідрометеорологічних спостережень) середньорічна температура Землі підвищилася приблизно на 0,7°С, а площа арктичних льодів зменшилася на 10%. Пояснювали це збільшенням концентрації СО2 в атмосфері, зростанням виробництва та споживання енергії, проте за останні 30 років ХХ ст., незважаючи на зростання вмісту СО2 в два рази і триваюче збільшення виробництва та споживання енергії, температура Землі не підвищилася, а знизилася. Вважають, що в міркуваннях про парниковий ефект не береться до уваги значення аерозолів – найдрібніших твердих частинок і крапель рідини, що знаходяться у зваженому стані в приземному шарі, тропосфері та стратосфері.

У 2007 році був опублікований останній (четвертий) оцінний звіт Міжурядової групи експертів з питань зміни клімату (МГЕЗК). У ньому говориться, що за період з 1906 по 2005 рр. середня температура Землі піднялася на 0,74°С. Дослідження показують, що чутливість рівноважного клімату до подвоєння концентрації СО2 знаходиться в межах 2,0– 4,5°C, але найбільш вірогідною вважається чутливість 3°C.

Причиною парникового ефекту є ряд різних газів, що містяться в атмосфері Землі. Найважливішу роль при створенні парникового ефекту грає випаровування води; на другому місці стоїть CO2. Потім йдуть метан (CH4), закис азоту (N2O), гідрофторвуглеці (ГФВ), перфторвуглеці (ПФВ), гексафторид сірки (SF6).

На утримання водяної пари (Н₂О) в атмосфері господарська діяльність людини не робить помітного прямого впливу внаслідок його великої кількості: в глобальній атмосфері міститься близько 1% водяної пари за об'ємом. Його розподіл по земній кулі сильно залежить від температури повітря, яка в свою чергу визначає вологоємність атмосфери. Тривалість життя водяної пари в атмосфері досить невелика і складає приблизно 10 діб. Однак водяна пара може робити значний непрямий внесок в посилення парникового ефекту внаслідок сильного позитивного зворотного зв'язку: збільшення температури повітря викликає підвищення вмісту вологи атмосфери, що в свою чергу викликає посилення парникового ефекту і тим самим сприяє подальшому підвищенню температури повітря. Вплив водяної пари може також проявлятися через збільшення хмарності й зміни кількості опадів.

Діоксид вуглецю (СО₂) є найбільш важливим із перерахованих вище парникових газів за впливом на клімат.

У четвертій оцінній доповіді МГЕЗК відзначається безпрецедентне за швидкістю збільшення концентрації СО2 в атмосфері за останні 250 років. Згідно з даними льодовикових кернів в Антарктиці, концентрація СО2 в атмосфері в льодовикові періоди становила ∼190 ppm (мільйонних часток), а в міжльодовикові періоди ∼280 ppm. Протягом останніх 10000 років вона змінювалася не більше ніж на 20 ppm, причому ці зміни були обумовлені природними причинами. Після 1750 р. концентрація СО2 збільшилася на 35% і зараз становить приблизно 385 ppm.

Таблиця 2.4 Оцінки глобальних природних та антропогенних джерел метану за останні 20 років

Метан (СН4) є другим за значимістю парниковим газом після СО2. Його концентрація збільшилася в 2,5 рази в порівнянні з концентрацією в доіндустріальний період і склала в 2005 р. 1774 ppb (млрд.-1). На відміну від СО2 метан – хімічно активний газ. Антропогенні джерела відповідальні за 55–60% його загальної емісії в атмосферу (табл. 2.4).

Закис азоту (N₂O). Вміст цього газу в атмосфері збільшився на 18% до 2005 р. в порівнянні з його вмістом в доіндустріальний період (270 ppb) та склав 319 ppb. Швидкість збільшення становила 0,8 ppb на рік протягом кількох десятків років. N2O належить важлива роль у хімії атмосфери, оскільки цей газ є джерелом NО2, що руйнує стратосферний озон.

Парникові гази техногенного походження. До газів техногенного походження відносяться галогеноємні гази метанового та етанолового рядів, а також гексафторид сірки SF6, які відзначаються дуже великою «тривалістю життя» та високим парниковим потенціалом, що, незважаючи на їх малі концентрації в атмосфері, призводить до досить великого сумарного вкладу в парниковий ефект. Більшість з них увійшли до складу антропогенних викидів в атмосферу тільки у ХХ столітті, оскільки стали використовуватися в якості холодоагентів у холодильниках, в аерозольних розпилювачах як розчинники, а також при виробництві пластмас.

Структура викидів парникових газів показана на діаграмі (мал. 2.5).

Викиди парникових газів у значній мірі визначаються споживанням енергоресурсів, в першу чергу викопного палива. Україна належить до країн з найбільш енергоємною економікою. Внесок України в парниковий ефект можна характеризувати такими показниками: країна споживає 150 млн. т у.п. на рік, викидає ∼400 млн.т СО2е на рік, рослинність поглинає 145 млн.т СО2е на рік. Молекула СО2 може зберігатися в незмінному стані в атмосфері Землі протягом 120 років.

Україна послідовно виступає за запобігання глобальної зміни клімату та прийняла на себе зобов'язання в рамках низки міжнародних угод. Європейську енергетичну хартію Україна підписала в 1991 р., Рамкову конвенцію ООН зі зміни клімату – в 1992 р., Кіотський протокол підписала в 1999 р. і ратифікувала 4 лютого 2004 року. Для досягнення зазначених цілей Україна використовує обидва доступних їй механізми Кіотського протоколу – як міжнародну торгівлю квотами на викиди з наступним «озелененням» отриманих коштів, так і механізм спільного впровадження, що дозволяє реально знизити викиди на території України.

Потенціал енергозбереження для України становить близько 60 млн. т у.п. на рік при необхідних капітальних вкладеннях 2,5 млрд. дол. США на рік і близько 10 млрд. дол. США на рік на Програму енергозбереження в цілому.

Енергетика є найбільшим джерелом викиду СО2 в атмосферу. Шляхи зниження викиду вуглекислого газу в атмосферу полягають в збільшенні частки атомних електростанцій, підвищення к.к.д. вироблення електроенергії на теплових електростанціях (нові котли, турбіни, спалювання вугілля в циркулюючому киплячому шарі, по можливості збільшення частки природного газу і т.д.), використання нетрадиційних джерел енергії, уловлювання СО2 в продуктах згорання.

Мал. 2.5. Структура викидів парникових газів