Извержение филиппинского вулкана Пинатубо (1991 г.)
Извержение филиппинского вулкана Пинатубо (1991 г.)

«Фреоны — это рабочие тела энергетических циклов, превращённые в инструмент глобальной политики»

доклад доктора технических наук Игоря Михайловича Мазурина, НИУ «МЭИ» и инженера-эколога Веры Владимировны Понуровской, НИУ «МЭИ» на заседании секции Дегазации земли Московского общества испытателей природы

1. Проблема поиска альтернативных хладагентов

Проблема возникла после принятия мировым сообществом Монреальского протокола в конце 1980-х годов. Затем появились поправки к тексту Монреальского протокола, а с ними и запреты на использование хлорсодержащих фреонов странами-участницами в тайной надежде, что учёные быстро найдут альтернативы запрещаемым фреонам. Поправки подписали и приняли к исполнению.

Запреты действуют двадцать лет, но альтернатив для запрещённых хладагентов учёные так и не нашли. На рынке появилось множество суррогатов, пригодных для использования в качестве заменителей запрещённых хладагентов, но при этом их энергетические и эксплуатационные характеристики оставляют желать лучшего. Кроме того, чаще всего, заменители просто ядовиты, опасны для человека и на порядок дороже запрещённых.

Необходимо уточнить понятие альтернативы для потребителя.

Если соблюдать закон о правах потребителя, то запрет на поставку на рынок продукции массового потребления обязательно должен сопровождаться заменой на эквивалентный продукт, с аналогичными свойствами и ценой. С хладагентами это правило до сего времени не выполняется. Причина здесь довольно проста. Есть целая группа веществ с уникальными свойствами, воссоздать которые практически невозможно.

Характерный пример — гексафторид серы SF6 (элегаз). Безопасен для человека, инертен, прекрасный диэлектрик и полностью восстанавливается после электрического пробоя. Аналог этому веществу ищут более 70 лет. Безуспешно. Авторы запретов, видимо, и не предполагали, что запретив целые группы веществ, они окажутся перед неразрешимыми проблемами поиска альтернатив запрещённым группам.

В упрощённом, «житейском понимании», проблема звучит, как поиск замены запрещённым фреонам для домашних холодильников. В научном понимании задача выглядит гораздо шире, поскольку фреоны являются рабочими телами энергетических циклов, то есть не только в домашних холодильниках, но и в турбинах на тепловых, геотермальных и прочих электростанциях, вплоть до АЭС, где в утилизационном контуре фреоны очень эффективны.

И эта эффективность была экспериментально доказана в 70-е годы, как раз перед подписанием Монреальского протокола, и во всём мире была признана в качестве желательной добавки к традиционным схемам работы электростанций. Эта добавка позволяла получать на действующих электростанциях 8−12% дополнительной электроэнергии без затраты топлива. А для низкопотенциальных видов топлива, коими являются торф, дрова и сланцы, хлорсодержащие фреоны в турбинном цикле генерации электроэнергии вообще незаменимы, поскольку они достаточно стабильны, негорючи и безопасны для человека.

Но случилось непоправимое.

Россия подписала и ратифицировала Монреальский протокол к Венской конвенции по озону, лишив себя, тем самым, возможности строить тепловые электростанции на природных низкопотенциальных источниках энергии, по запасам которых Россия занимает первое место в мире. Теперь нам остаётся только созерцать миллионы тонн гниющих лесных отходов и миллиарды тонн ненужного торфа и сланцев, поскольку для их эффективного использования на малых и средних электростанциях у нас теперь нет рабочих тел.

Причина в том, что фреоны переходят в сверхкритическое состояние при более низких температурах и давлениях, в сравнении с водой. На докритических параметрах рабочих тел эффективность турбин крайне мала. Для воды граница перехода в сверхкритическое состояние 374,5оС и давление 225,65 атм. (техн.). Реально используют водяной пар при более высоких температурах, вплоть до 550оС. Для фреонов сверхкритическое состояние может быть и при температурах ниже нуля. К примеру, у фреона-14 сверхкритическое состояние наступает при — 45оС и 37 атм. Но в реальных циклах выгодно использовать диапазон от 50оС (для элегаза) до 150оС (для фреона-12). Давления у фреонов в закритическом состоянии вчетверо ниже, чем у воды. Это существенно упрощает эксплуатацию оборудования и удешевляет его изготовление. КПД турбинного цикла на фреонах выше на 10%, в сравнении с циклом на водяном паре [1]. Хорошо известная вода используется на крупных электростанциях и ТЭЦ в качестве рабочего тела, но только для таких высококалорийных видов топлива, как газ, мазут и каменный уголь.

2. Возможности фреонов в энергетике

Возможности использования фреонов в энергетике возникли относительно недавно. Массовое производство фреонов было налажено лишь в 40-х годах прошлого века, а буквально через сорок лет их уже стали запрещать.

К сегодняшнему дню 95 наименований фреонов запретили к использованию в 90-е годы по поправкам к Монреальскому протоколу, а остальные 12 наименований фреонов отнесли к парниковым газам. Эти газы не запрещены, а всего лишь не рекомендованы к использованию, однако Минприроды РФ и зарубежные СМИ их преподносят, как запреты, по типу Монреальских, чем вводят в заблуждение пользователей.

В итоге приходится дрова, торф и попутный газ использовать исключительно в котельных для отопления жилищ, а геотермальные ЭС и утилизационный контур тепловых ЭС придётся закрыть из-за отсутствия рабочих тел или идти на риск от взрыва при использовании навязанных углеводородов в качестве рабочих тел.

Запретив использование фреонов, Россия лишила всё низкопотенциальное энергетическое сырьё перспективы его использования для получения электроэнергии и надежды на повышение КПД на 8−12% для существующих электростанций за счёт генерации электроэнергии в утилизационном контуре на фреонах. Уточним размер потерь.

За счёт исключения возможности использования фреонов в утилизационных циклах электростанций, Россия потеряла перспективу использования бросового тепла электростанций для генерации дополнительной электроэнергии в объёме 10% от производимого количества, то есть 100 млрд кВт⋅ч. При сегодняшней цене электроэнергии 5 руб./кВт⋅ч, это 500 млрд рублей неполученного дохода.

Отсутствие эквивалентных замен запрещённым фреонам привело к увеличенному расходу электроэнергии в холодильных агрегатах как минимум на 20%, при замене ХФУ-фреонов на суррогаты. Учитывая, что общее потребление электроэнергии в России различными холодильниками и кондиционерами оценивается в 30% от всего объёма потребления энергии, получим 63 млрд кВт⋅ч, которые расходуются сверх прежнего уровня, который был в России до запрета прежних фреонов. Это уже 315 млрд рублей чистого убытка ежегодно.

Помимо очевидных и легко определяемых убытков в промышленной энергетике, убытки в отношении возобновляемых низкопотенциальных источников энергии имеют скрытый характер. При относительно невысокой калорийности запасы дров, торфа, попутного газа и сланцев в России очень значительны, и по общему тепловому потенциалу они не уступают основным источникам энергии, к которым относятся нефть, каменный уголь, газ, атомная энергия и гидроэнергия.

При этом, сегодня в России в качестве альтернативных источников энергии рассматривают только солнечную энергию и энергию ветра. При этом игнорируется тот факт, что Россия расположена значительно северней Европы, а подходящие ветры у нас дуют только на побережье Северного Ледовитого Океана. Сомнительной также является идея широкого использования солнечной энергии в России северней 40-й широты, и уж тем более в диапазоне 50−70 широты северного полушария, особенно в осенне-зимний период, когда световой день сокращается до 4−8 часов.

Но, как известно, именно на этих широтах в России и расположены запасы возобновляемых альтернативных источников энергии. Их потенциал по генерации электроэнергии практически полностью заблокирован запретами Монреальского и Киотского протоколов. Это уже убытки глобального уровня, возникшие из-за принципиального игнорирования стратегических интересов России в начале 90-х годов, и неисправленные поныне.

3. Потенциал возобновляемых источников энергии России

Главным богатством России был и остаётся лес. Ежегодно один гектар леса даёт прирост от 3 до 5 куб. м древесины. В России площадь лесов 8,15 млн кв. км, что по приросту сухой древесины составит 2−2,5 млрд тонн в год. В общей оценке примерно половина прироста остаётся гнить в лесных массивах, поскольку вовлечение в оборот возможно только для деловой древесины. Отходы заготовки леса, равно как и отходы его первичной обработки на практике либо сжигаются на лесосеках, либо остаются гнить. В сравнении с годовым объёмом добычи каменного угля в России (347 млн тонн в 2015 году), ежегодный прирост древесины даёт в пять-шесть раз большую массу энергоносителя, хотя при горении древесина даёт тепла на 40−50% меньше в сравнении с каменным углём. Тем не менее

потенциал древесины, как альтернативного источника теплоснабжения в России, выше, чем у каменного угля.

Перспектива её использования в малых и средних автономных системах энергоснабжения, до запретов на использование фреонов, была вполне реальной и достижимой, поскольку в России официально при заготовке древесины в виде товарного продукта остаётся ровно половина от исходного. При лесозаготовке ветки, сучья, опилки, пни, кора и хворост составляют 21%, а при распиловке горбыль, опилки и срезки составляют 35%. В 2015 году вывоз древесины в России составил 300 млн куб. м, а производство пиломатериалов составило 75 млн куб. м. Это означает, что на лесосеке осталось 60 млн куб. м. К ним добавилось ещё 75 млн куб. м отходов при производстве пиломатериалов. Итого 135 млн куб. м. При плотности древесины 0,9 — это 121 млн тонн. Учитывая более низкую калорийность древесины, можно оценить эквивалентную теплотворную способность древесины в пересчёте на каменный уголь. Получится 75−80 Мт. Это почти 25% от объёма добычи каменного угля, то есть 5% от энергобаланса РФ, если считать за 20% долю угля в энергобалансе России. Это при том, что вывоз леса в 2015 году составил только пятую часть годового прироста древесины.

Технология переработки отходов древесины и торфа в бездымные древесно-угольные брикеты, имеющие калорийность 7000 ккал/кг, что не хуже, чем у лучших сортов каменного угля, разработана в России ещё до войны. Сегодня эту технологию практически не используют, поскольку нет средств для её восстановления. Она просуществовала до 1952 года и была закрыта после появления в продаже бензина по цене 5 копеек за литр, при цене 3 копейки за стакан сладкой газировки. Сегодня стакан бензина значительно дороже стакана газировки, однако технологию переработки древесных отходов в высококалорийное и бездымное топливо, без государственного участия восстановить невозможно.

Теперь о втором источнике низкопотенциальной энергии. О торфе. Его запасы в России больше, чем в любой стране, по официальным данным 188 млрд тонн, то есть 37% от мировых запасов. Однако использование его в качестве источника энергии в балансе России всего 0,2%, тогда как в Финляндии — 11%, в Ирландии — 15,3%, в Белоруссии — 4,1%. Причина здесь в том, что последние полвека к торфу, как источнику энергии, пропал интерес. В 50-е годы в период аномально низких цен на бензин, торф оказался невыгоден. Его производство резко упало, разработки новых технологий прекратились. И в 90-е годы, когда соотношения цен на бензин, уголь и дрова стали возвращаться к уровню 30-х годов, технология добычи и использования торфа отстала на полвека. Но самое главное отставание было в том, что дальше Шатурской электростанции, работающей с 1925 года на торфе, техническая мысль в России так и не шагнула. Более того, и Шатурскую ГРЭС № 5 с 1989 года перевели на газ и мазут, доведя суммарную мощность до 1500 МВт, при этом всё-таки 600 тыс. тонн торфа сжигают на ГРЭС № 5. В общем подходе к энергоисточникам в России торфу оставили нишу теплофикационных котельных без функции выработки электроэнергии. Производство малых и средних по мощности электростанций на торфе развивать не стали, поскольку в те времена в энергетике царила гигантомания. Хотя никаких технических преград для выработки электроэнергии при сжигании торфа не было. Фреоны, тогда ещё незапрещённые, могли без особых технических проблем использоваться для генерации электроэнергии с использованием торфа, тем более что технические решения таких циклов уже были в эксплуатации в СССР с середины 60-х годов на Камчатке. В качестве рабочего тела для турбинного цикла мощностью 500 кВт там использовали фреон-12, ныне запрещённый к использованию и производству.

Сегодня в России появились региональные котельные на торфе с довольно высокими КПД и неплохими показателями по отношению к окружающей среде. Выбросы в атмосферу более «мягкие» в сравнении с мазутными котельными. И зольные остатки от сгорания торфа полезны в качестве калийных удобрений.

Во Владимирской области общая мощность торфяных котельных уже достигла 10,18 МВт. Но в странах ЕС, небогатых по запасам торфа, сегодня насчитывается 125 электростанций малой и средней мощности, использующих торф в качестве энергоносителя. Цена электроэнергии на таких станциях существенно ниже, в сравнении с газовыми, угольными и мазутными. Учитывая динамику цен на электроэнергию от российских монополистов, потребность в таких электростанциях неизбежно возникнет.

Но при этом опять возникает вопрос по поводу рабочих тел для таких электростанций. Нам ничего не оставлено, кроме углеводородов, например, пентана. По физическим свойствам он всем хорош, да только взрывоопасен, как и все углеводороды. На энергетических машинах утечки рабочего тела довольно частое явление и последствия таких явлений крайне печальные. По этой причине вопрос о безопасных рабочих телах для электростанций на торфе или на дровах стал неразрешимой проблемой после введения запретов на применение фреонов.

Но не только энергетика пострадала от введения запретов на использование практически всех наименований фреонов. Фреоны как технологические среды, использовались в пожаротушении, медицине, технологии машиностроения для обезжиривания и очистки поверхностей, в технологии микроэлектроники при газофазном травлении поверхности кремния, при производстве пенопластов.

4. ХФУ не разрушали стратосферный озоновый слой Земли!

Несмотря на громкие заявления о глобальной катастрофе, грозящей человечеству от гибели озонового слоя, виновность фреонов в нарушении озоносферы Земли не только не доказана, но и опровергнута в 1991 году при извержении филиппинского вулкана Пинатубо.

Извержение филиппинского вулкана Пинатубо (1991 г.)
Извержение филиппинского вулкана Пинатубо (1991 г.)

По мощности это извержение относится к крупным, во время которых выбросы хлора в атмосферу достигают значений, соразмерных с годовыми выбросами хлора мировой промышленностью. В соответствии с фреоновой гипотезой над вулканом или вблизи его по розе ветров ожидалась гигантская озоновая дыра. Но прогноз не подтвердился — «дыру» не обнаружили, хотя её очень ждали. Это поставило жирный крест на достоверности гипотезы Молины-Роуленда о влиянии хлора и хлорсодержащих фреонов на озоновый слой земли. Наиболее обоснованной сегодня является водородная гипотеза гибели озона, предложенная и экспериментально проверенная вулканологом из МГУ В.Л.Сывороткиным ещё в 1993 году [2, 3].

Невольно возникает вопрос о целесообразности нахождения России среди фанатичных «верующих в непогрешимость гипотезы Молины-Роуленда», равно как и вопрос об адекватности цены этой веры. Ежегодные убытки от признания за истину этой ошибочной гипотезы составляют в следствие запрета на использование фреонов в холодильной промышленности $200 млрд. В мировой промышленной энергетике недополучение энергии составляет 10% от объёма генерации, то есть 2000 млрд кВт⋅ч. А это уже триллионы долларов! Полностью исключена безопасная генерация электроэнергии из возобновляемых источников энергии, мировой потенциал которых равен потенциалу основных источников.

И ради чего? Ради недоказанной гипотезы? Конечно, нет! Ответ давно известен: запреты на использование рабочих тел послужили инструментом захвата рынков энергетического оборудования несколькими ТНК во главе с американской корпорацией «Дюпон». Но более интересен другой вопрос: почему после провала Монреальского протокола и очевидной научной несостоятельности фреоновой гипотезы разрушения озоносферы ничего не меняется — все страны покорно выполняют предписания Озонового комитета ООН?

5. Безопасные рабочие тела энергетических циклов

Решения задачи по нахождению безопасных рабочих тел для энергетических циклов в рамках условий Монреальского протокола были предложены в самом начале, существуют они и сегодня. Главный вопрос — в их востребованности, а точнее невостребованности со стороны государственных институтов и производителей продукции энергетического профиля. Сегодня эти запреты продолжают служить гигантским тормозом в развитии альтернативной энергетики на возобновляемых источниках энергии. Очевидно, что запреты Монреальского и Киотского протоколов служат цели сохранения монополии ТНК на захваченных российских рынках.

Первый вариант решения

Первое и наиболее простое решение Монреальской головоломки заложено в тексте Венской конвенции об охране озонового слоя (ВК), которая является первичным документом для Монреальского протокола. Принципиально то, что в ВК речь идёт о выяснении причин гибели стратосферного озона от антропогенных веществ, производимых человеком в промышленных условиях. В конвенции была поставлена задача найти эти вещества, доказать их роль в гибели озона, но о запретах на их производство и применение ничего не говорилось. О веществах природного происхождения в Венской конвенции речи вообще не идёт, поскольку они существуют вне зависимости от деятельности человека. Заметим, что именно к таким веществам относятся газы из состава вулканических выбросов.

В тексте Монреальского протокола это условие Венской конвенции не заметили (или проигнорировали), не разделив неантропогенные и антропогенные вещества, посчитав видимо, что природа не может производить виновные в предполагаемой гибели озона ХФУ (хлорфторуглероды). А именно в разделении антропогенных и неантропогенных ХФУ и кроется выход из Монреальского тупика, так как среди природных веществ в составе вулканических газов есть все представители запрещённых озоноразрушающих веществ: ХФУ и бромсодержащих газообразных соединений. Остаётся только найти подходящие источники этих газов на Камчатке или на Курильских островах и наладить их выделение из потока выходящих фумарольных газов. Мировой объём выбросов этих газов по содержанию хлора и фтора оценивается в 10 млн тонн в год. Причём соотношение хлора и фтора примерно 10:1. На территории России находятся 200 действующих вулканов — это пятая часть всех действующих вулканов в мире.

Главным условием для реализации возможности обеспечения энергетики необходимыми рабочими телами природного происхождения является наличие государственной программы и необходимое финансирование для технического воплощения этой, чисто инженерной, задачи среднего уровня сложности.

Кроме того, необходимо на уровне правительства РФ дополнить законодательные акты по обязательствам России в отношении Монреальского протокола разъяснением, что действие запретов распространяется только на вещества антропогенного происхождения, сославшись на первичный текст Венской конвенции 1985 года.

При отсутствии правительственной помощи как по линиям законодательства, так и финансирования, задача использования безопасных и эффективных природных рабочих тел пока не имеет решения. Поэтому до выхода этих правительственных документов лесные отходы будут продолжать гореть или гнить на лесных делянках, торф ждать своего часа, а альтернативной энергетикой будут продолжать считаться солнечная и ветровая энергетика.

Второй вариант решения

Второй вариант решения Монреальской головоломки не столь универсален, как первый. Он изложен в 1993—1994 годах в нескольких зарубежных и российских патентах [4, 5 ]. Безхлорный заменитель фреона-12 и фреона-22 был создан в виде азеотропной смеси Фреона R-218 (C3F8) и Фреона R-846 (SF6). Многолетние испытания этого хладагента, названного Хладон-510, показали его полное превосходство по энергетической эффективности над заменяемыми фреоном R-12 и фреоном R-22, исключительную стабильность и безопасность для окружающего персонала. Холодильники, заправленные Хладоном-510 в 1996 году, работают и по сегодняшний день без перезаправки агрегатов.

Единственным недостатком российского Хладона-510 является его цена. Она выше цены прежних фреона R-12 и фреона R-22, поскольку сегодня исходные компоненты Хладона-510 значительно дороже прежней цены этих фреонов. Однако в течение полугода Хладон-510 окупает себя за счёт экономии в потреблении электроэнергии, поэтому у него есть все основания называться действительной альтернативой для фреона R-12 и фреона R-22.

Помимо заменителя запрещённых хладагентов, Хладон-510 может с успехом использоваться в качестве рабочего тела для низкопотенциальных видов топлива, поскольку критическая температура этого хладагента всего +70оС и критическое давление 26 бар. При таких параметрах вполне возможно осуществить турбинный цикл генерации электроэнергии, не превышая температуру рабочего тела выше 120оС, что позволит использовать недорогое машинное оборудование с очень простыми инженерными решениями и высокой надёжностью.

Выводы

1. Не существует никаких юридических и технических препятствий для преодоления большей части запретов Монреальского протокола на использование безопасных и эффективных рабочих тел энергетических циклов без всякого нарушения обязательств, принятых Россией в рамках Монреальского протокола.

2. Расширенная трактовка Минприроды РФ Приложения к Киотскому протоколу как безусловного запрета парниковых газов (в число которых входят элегаз и Хладон-510), по образцу запретов фреонов в Монреальском протоколе, противоречит Киотскому протоколу и Парижскому соглашению по климату, не имеет научного обоснования и наносит непоправимый ущерб энергетике России.

3. Представление солнечной энергетики и энергетики с использованием ветра в качестве единственных вариантов использования возобновляемой энергии в России глубоко ошибочно и не соответствует природным особенностям России.

4. Сохранение обязательств по охране стратосферного озона по версии гипотезы Молины-Роуленда, добровольно принятых Россией в рамках Монреальского протокола, не имеет смысла по причине, во-первых, научной несостоятельности гипотезы Молины-Роуленда и, во-вторых, неприемлемых убытков для России из-за крайне низкой эффективности суррогатных заменителей запрещённых рабочих тел, использовавшихся в мировой энергетике до принятия запретов Монреальского протокола.

Литература

1. Гохштейн Д.П. Некоторые особенности парогазовых схем с неводяными парами. Энергетика. №11. 1964.

2. Сывороткин В.Л. Дегазация Земли и разрушение озонового слоя // Природа. 1993. № 9. С. 35−45.

3. Сывороткин В.Л. Глубинная дегазация Земли и глобальные катастрофы. — М.: «Геоинформцентр», 2002.

4. Патент России № 2 057 779 «Рабочая смесь для холодильных машин», приоритет 29.09.1993.

5. Патент США. № 6.153.117. «Озонобезопасная смесь для холодильников», приоритет 29.09.1993.

Читайте ранее в этом сюжете: Уголь остается важнейшей составляющей мировой энергетики – Путин

Читайте развитие сюжета: Фреоновая версия разрушения озоносферы — совершенно очевидный домысел!