Наполеон энергетики: как самый простой углеводород стал незаменимым топливом и сырьем
Наполеон Бонапарт происходил из весьма заурядной семьи и в детстве не прослыл вундеркиндом, но это не помешало ему создать империю и, по легенде, уметь заниматься семью делами одновременно. Как и французский император, газ метан довольно прост и решает сразу несколько задач. С помощью него люди получают тепло и электричество, топливо для автомобилей и производят множество полезных продуктов. Выясним, как самому простому углеводороду удалось занять лидирующие позиции в мировой энергетике и химической промышленности.
Метан — самое простое органическое вещество, единственный углеводород с одним атомом углерода в молекуле: его химическая формула — СН4. Метан встречается в чистом виде, например попадает в атмосферу из почвы в виде переработанных бактериями остатков погибшей органики. Большая же часть метана на Земле хранится в виде смешанных газов: природного, попутного нефтяного, болотного. В составе природного газа от 75 до 98% метана (в среднем — 90%), поэтому все, кто готовит еду на газовой плите и ездит на автомобилях с газовым двигателем, сжигают метан.
Болотный газ вызывает таинственное свечение, научное объяснение которому впервые дал Алессандро Вольта. Он собрал и изучил газ, выделяемый со дна болота на границе Италии и Швейцарии, и в 1778 году продемонстрировал его горючесть, поджигая газ от электрической искры. В 1813 году Хэмфри Дэви показал, что рудничный газ (еще одно старинное название природного), выделяющийся из пластов каменноугольных шахт, по качественному составу не отличается от болотного.
Метан не имеет цвета, вкуса и запаха, но для бытового использования в него добавляют одорант — вещество со специфическим запахом испорченных яиц. Если охладить метан до температуры минус 165,8 градуса, он превратится в жидкость и сожмется в 600 раз: это свойство используется для его транспортировки.
Николай Главнов
Директор по развитию газового направления Научно-Технического Центра «Газпром нефти»
Природный газ транспортируют в жидком и газообразном состояниях. Газ перемещают по трубам и каждые 70–150 километров повышают его давление с помощью компрессора, чтобы скорость движения газа по трубопроводу не снижалась.
Метан в энергетике
Главная особенность метана с точки зрения энергетики — это высокая теплота сгорания на единицу массы. При сжигании килограмма метана в котле или газовой печи выделяется 50,1 мегаджоуля тепла, при сжигании древесного угля — 31, дров — 15. Из горючих веществ по этому показателю с метаном конкурируют лишь ацетилен (50,4 МДж/кг), вещество нестабильное и взрывоопасное, и водород (141 МДж/кг), который теоретически эффективен, но на практике его производство, хранение и транспортировка требуют больших затрат.
Метан также ценен для энергетики благодаря низкому уровню выбросов в атмосферу. Если сжечь природный газ и уголь с одинаковой выработкой тепла, то в первом случае в воздух попадет почти в пять раз меньше диоксида азота (NO2) и монооксида углерода (CO), чем во втором, на 43% меньше углекислого газа, а выбросов пыли и золы практически не будет.
Россия обладает огромными запасами природного газа: только известные составляют более 44 триллионов кубометров. Эта цифра с каждым годом растет за счет геологоразведочных работ. В 2022 году прирост разведанных запасов в нашей стране составил 675 миллиардов кубометров, при этом добыча в том же 2022 году составила 573 миллиарда кубометров.
Богатые запасы, эффективность в качестве топлива и экологичность обусловили лидерство природного газа как первичного источника энергии в энергобалансе России — в 2021 году его доля составила около 55%. Кроме того, он все более популярен у автомобилистов. Сегодня автопроизводители выпускают, в том числе, машины на метановых или двухтопливных двигателях. В распоряжении россиян почти 500 газовых заправок.
Первый в истории двигатель внутреннего сгорания, построенный бельгийским изобретателем Этьеном Ленуаром, работал на «светильном газе», применяемом в XIX – начале XX веках в фонарях уличного освещения. Его получали пиролизом каменного угля или нефти — разложением химических соединений на более легкие молекулы под действием высокой температуры, обычно в инертной среде.
Что еще умеет метан
В химической промышленности из метана делают синтез-газ. Это смесь монооксида углерода с водородом, получаемая с помощью конверсии метана с водяным паром. Образующийся водород можно будет использовать как топливо, когда для этого появится инфраструктура. Сейчас он служит сырьем для производства аммиака, незаменимого для получения минеральных удобрений и медицинских препаратов.
Из синтез-газа сегодня производят метанол, используемый для добычи газа, производства кислот, эфиров, пластмасс, синтеза лекарственных веществ. Также из синтез-газа получают альдегиды — класс органических соединений, содержащих альдегидную группу (-CHO). Из них делают пластмассы, лаки, краски, лекарственные вещества, сырье для парфюмерии.
С помощью электрокрекинга метана производят ацетилен, который используется для сварки и резки металлов, синтеза ракетного топлива, взрывчатых веществ. Химическое разложение метана при нагреве позволяет получить технический углерод (сажу), применяемый для производства резины, типографской краски, наполнения пластмасс, электрических кабелей.
