Метанова икономика

Въведение

По-голямата част от нашата  икономика и много наши домакинства използват природен газ.Този ресурс , подобно на петрола, е резултат от биологическа активност случила се преди милиони години, и е ограничен ( Последното твърдение може би се нуждае от корекция , тъй като са възможни процеси на формиране на метан в земната кора, подобно на синтезиране на метан от въглероден диоксид и водород в известната Сабатие реакция).Един ден , тези ресурси ( и може би малко по-късно въглищата и ядреното гориво) ще се изчерпат , и в резултат на това , транспорта и транспортната ин- дустрия ще колабират защото са базирани изцяло на карбонови енергоносители.Същата съдба ще споделят пластмасовата индустрия , производството на торове и производството на електроенергия и топлина.Необходимо е да се осигури непрекъснат приток на природен газ или Метан,за да продължи живота такъв какъвто го познаваме днес, с други думи да поддържа енергийните инсталации , транспорта, химическата про мишленост и бита.Изход  за цялото човечество има.Благодарение на усилията на водещите нации , САЩ, Германия , Япония , Канада , Австралия , Бразилия , Китай, Индия , Испания , Италия , Холандия , Дания , Швеция , Норвегия и Израел много нови ВЕИ технологии достигнаха пазарна зрялост и могат да станат основа на световен план за изход от световната енергийна криза и в борбата с климатичните промени.Тези нови технологии позволяват производството на Метан , Метанол , Дизелово гориво и суровини за пластмасовата индустрия в много голями обеми,от Въглероден диоксид извлечен от атмосферата, водород получен от слънчевата енергия и вода.

Процеса е възможен в интегрирана система

Първа стъпка е разделянето на водата на водород и кислород посредством електроенергия получена от слънчевата радиация или ветрогенератори.Канадски учени създадоха търговски зряла технология за извличане на Въглероден диоксид в голями обеми от атмосферата , цената на един тон CO2 получен по този начин е равна на цената на 100 ктч карбонова електроенергия.Така получените водород и СО2 се подават като входни инградиенти на инсталация Sabatier/RWGS с подходящи катализатори за получаване на Метан и СО. С подходящ избор на работни параметри производството може да се разшири до получаване на Метанол , Етилен , Дизелово гориво , суровини за прозводството на пластмаси.

Водород от водата

На фиг.9 по-горе е изобразен графично процеса на получаване на карбонови горива от СО2 , слънчева енергия и вода.Квадрата означен като LSPV представлява мощно фотоволтаично поле 100 до 1000 Мгвт , което доставя електроенергия на инсталацийте за производство на водород от вода.Това са модерни Електролизери , които са в състо- яние  да произвеждат 1 кубически метър водород, при нормално налягане , с разход на 4.5 квтч електроенергия.Тук бихме могли да спрем анализа и да обявим началото на

Водородната икономика

В реалноста може би Водородната икономика в чист вид никога няма да се случи. Осно вания за подобно твърдение са някои недостатъци на водорода като енергоносител. Ико номически неизгодно е транспортирането на голями обеми водород на дълги дистанции а съхраняването на голями обеми водород е съпроводено с неприемливи загуби. Един- ствено метал-хидридните контейнери за съхранение на водород до 10 кг и повече са достигнали пазарна зрялост , но са много скъпи.Въпреки високата цена, тези устройства предлагат изход за решаване на транспортния проблем , защото при определени условия на международната среда,( признати за крайно опасни ) политически,икономически и степен на увреждане на околната среда, може да се приеме на въоръжение именно   тази технология за преминаване към чист транспорт  (разума диктува , че вместо да произвеждаме бомбардировачи , подводници , танкове , вакуумни и водородни бомби, по-добре е да изградим част от водородната икономика , а именно метал-хидридни контейнери за съхранение на водород , което ще даде възможност за няколко години огромната част от световния транспорт да премине на водород). Днес проклинаме карбоновите енергоносители заради уврежданията които причиняват на околната среда, но нека си спомним изказването на химик от 19-ти век „ горенето на петрола е сравнимо с горенето на банкноти”.Проклинаме и Въглеродния диоксид , считаме го за враг, в действителност СО2 е нашето енергийно спасение , спасение за химическата промишленост.Човешкия род някак дълбоко е свързан с Въглеродния диоксид , с развитието на нови изгряващи технологии ще нараства неговото значение.Единствено трябва да се страхуваме от постепенното намаляване на запасите от СО2 , причинено от неразумно поведение на хората.Чист транспорт, чиста енергийна промишленост , чиста индустрия и земеделие не означава само базиране на водорода , а и изграждане на инсталации за съхраняване на разнородни видове енергия в голями обеми.Нанотехнологийте и свърхпродниците постепенно заемат своето място в глобалната икономика и енергетика и ще дадат своя огромен принос за изграждане на цветущо световно общество без войни , без болести ,без гладуващи.Метановата икономика е базирана на равновесие между изхвърляния в атмосферата Въглероден диоксид и извлечения от атмосферата СО2.Това дава възможност да погледнем от друг ъгъл карбоновите енергийни инсталации.Те могат да изхвърлят в атмосферата неограничени количества Въглероден диоксид и нищо повече , никакви нитритни и сярни съединение , никакви тежки елементи.Това лесно се постига ако горим Метан в газови турбини работещи в когенерационни схеми.Необходими са ни нови източници на Метан освен природните газови находища.Това е целта на настоящия кратък анализ, да покаже възможноста за подобен подход.При преобразуването на слънчевата радиация с фотоволтаика може да се говори за 14% ефективност на преобразуване,но метода е скъп защото освен фотоволтаиката са необходими и електролизери.Цената на фотоволтаиката и електролизерите драстично намалява ,когато се строят мощни инсталации известни като LSPV(Large Scale Photovoltaic) или Bulk Photovoltaic.Масовото производство на Електролизери също снижава цената.В рамките на Национален проект за преминаване към пълна подмяна на всички инсталации и производства базирани на карбонови и ядрени носители, е задължително построяването на собствени мощности за производство на фотоволтаични клетки , комбинирани фотоволтаични и топлинни слънчеви колектори , електролизери , BOS, газови турбини , инсталации за извличане на СО2 от атмосферата.Изброените устройства ще формират микса от технологии които ще представляват гръбнака на енергоиндустрия от нов , модерен, ВЕИ тип. Преди да продължим, нека изясним един въпрос.Произведената от LSPV електроенергия бихме могли да използваме без отлагане във времето , безспорно това е най-ефективния начин.Но със залеза на слънцето губим тази възможност.Затова пристъпваме към преобразуване на електроенергията ( определена част от нея) , във химическа енергия на водорода.Тук отново част от произведения водород можем да акумулираме за нуждите на транспорта и остатъка да превърнем в Метан.Именно този Метан ще изиграе ролята на Природния газ който днес получаваме по тръбопроводи.За случая на България, обема на произведения по този начин Метан,ще е равен на действието на два тръбопровода(Южен поток и Набуко)  взети заедно , ако преобразуваме целия слънчев потенциал на 6% от територията на страната. По-долу ще приведем доказателства за това твърдение.Друга възможност за акумулиране на електроенергията произведена от LSPV, е прехвърляне на голями обеми вода в горното хранилище(язовир) на  хидроенергийна каскада от тип +pumped-storage Фиг.10

Не е задължително каскадата да бъде построена на пътя на река.Язовирите на подобна каскада може да бъдат захранени пъроначално от система водопроводи и тунели , а водата да бъде събирана от снеготопенето , валежите , реките , река Дунав  и много други източници на вода.Убеден съм че това в бъдеще ще се случи , ситемата от подобни каскади ще стане гръбнакът на нова модерна Национална иригационна

наситен с СО2,се преобразува в Na2CO3 и попада в серия от реактори където се обработва с СаО до получаване на СаСО3,добре познатия ни калциев карбонат(Causticizer).В схемата  следва нагряване на Калциевия карбонат в реактори (Calciner) , където се възстановява СаО , а получения Въглероден диоксид се акумулира.Последователните фази на процеса представляват стъпала със затворен цикъл, поради което няма загуби на натриева основа и Калциев оксид.Подобни процеси са рутинна практика в заводите за производство на цимент.Процеса е изобразен графично на Фиг.12

Процеса на извличане на Въглероден диоксид от атмосферата може да бъде подчинен на две цели : 1) Производство на синтетични енергоносители и Метан 2) Производство на СО и Етилен като суровина за Химическата индустрия.С тези две определения може да се твърди , че се изчерпва списъка на възможните приложения на подобни инстала- ции , защото обемите извлечен СО2 ще бъдат контролирани по начин който осигурява концентрации на Въглероден диоксид в атмосферата характерни за прединдустриалния период (1800 г).Това е една възможна граница , която с подобна технология може да бъде достигната в рамките на 50 години.Една от целите на борбата с глобалното затопл яне и замърсяването на околната среда е намаляване на концентрацийте на СО2 и замърсителите на атмосферата именно до прединдустриални граници.Може да се твърди , че към днешен ден човечеството разполага с технология за борба с парниковия ефект.Нека погледнем по-отблизо какво представлява Метана и да разширим представата за слънчевия потенциал на България , фотоволтаиката и топлинните слънчеви технологии.

МЕТАН

Свойства

Molecular formula CH₄

Molar mass 16.042 g/mol ,Appearance Colorless gas

Density 0.717 kg/m³, gas ,415 kg/m³ liquid

Melting point -182.5 °C, 91 K, -297 °F

Boiling point -161.6 °C, 112 K, -259 °F

Solubility in water 3.5 mg/100 mL (17 °C)

                                  Изгаряне на Метан в кислородна среда

Изгарянето  на Метан в кислородна среда става на няколко стъпки Като първа стъпка се предполага че Метана формира формалдехид (HCHO or H₂CO). На свой ред формалдехида дава радикала  (HCO),който след това образува въглероден окис (CO). Този процес се нарича кислороден пиролизис :

CH₄ + O₂ → CO + H₂ + H₂O

След процеса на пиролиза, водорода H₂ се окислява като  освобождава топлина и образува вода H₂O .Процеса протича много бързо в рамките на една милисекунда

2H₂ + O₂ →2H₂O

Накрая CO  се окислява като формира CO₂ и отделяйки още топлина .Този процес е по-бавен в сравнение с предходните химически преобразувания и заема няколко мили- секунди

2CO + O₂ →2CO₂

Като резултат от горното се случва следното тотално химическо уравнение :

CH₄(g) + 2O₂(g) → CO₂(g) + 2H₂O(l) + 890 kJ/mol

Където скобите "g" означават газова фаза , а скобите "l" означават течна фаза. Като използваме последния  резултат ,  890 kJ/mol може да определим, че при изгарянетo на един грам Метан се отделят 890:16 = 55.6 kJ/gr

                         Разходна норма на Метан при изгаряне в газова турбина

Нека определим колко мола се съдържат в 1 кг Метан

                                                 1000 : 16.0425 = 62.33 мол/кг

Като имаме  предвид, че при изгарянето на един мол Метан се отделят 890 kJ/mol,ако изгорим 1 кг Метан в газова турбина с коефициент на полезно действие 100% ще получим

                                                    890х62.33 = 55 480 kJ

Зависимоста между 1 квтч и еквивалентното количество топлина е 1 квтч = 3600 kJ . Тогава можем да определим количеството Метан за генерирането на 1 квтч при изгарянето му в газова турбина по следния начин

                                                 55 480 --- 1 кг

                                                 3600    --- Х

Сега можем да съставим уравнението

                                    Х = 3600 : 55 480 = 0.06 кг/ квтч

В практиката ефективноста на реалните газови турбини е около 28%. Вече можем да открием реалната разходна форма  за количеството  Метан необходимо за получаване на 1 квтч от газова турбина

                                             Yх28:100 = 0.06

                                Y = 0.06х100 : 28 = 0.21 кг/квтч

Често срещано число за слънчевия потенциал на България , усреднено по цялата й тери- тория и за една година е 1450 квтч/м²/год.Изказано с думи , на всеки квадратен метър площ в България , за една година сумарната доза слънчева радиация  е цитираното чи- сло.Една година има 8760 часа.Сега можем да определим усреднената мощност на идеализирания източник на слънчева радиация , който осигурява годишното количество енергия на един квадратен метър , а именно :

                                   1500:8760= 0.165 квт/м² = 165 вт/м²

Нека си представим , отново  идеализиран случай , че този идеализиран квадратен метър е застлан с фотоволтаичен панел с ефективност 14%. Тогава електрическата мощ която ще получим от панела е :

                                           165х0.14 = 23.1 вт/м²

Нека отново си представим един квадратен километър застлан с фотоволтаика с коефициент на запълване 0.7 и ефективност 14% и заместим полученото идеализирано число 23.94 вт мощност на всеки квадратен метър от площа , тогава :

                                      23.1х0.7х 10⁶ = 16.17 Мгвт/клм²

Тези 16.76 Мгвт са мощноста на идеализирания квадратен километър , и тази условна слънчева централа може да бъде сравнявана с мощноста на конвенционална или ядрена централа с мощност 16.76 Мгвт  работеща ежесекундно.Отново си представяме , че сме покрили 6000 квадратни километра от площа на България с така дефинираната по-горе фотоволтаика. Полученото число ще бъде приведената мощност на слънчевия потенциал на България съответен на около 6% от територията на страната :

                                           16.17х6000 = 97 020 Мгвт

Полученото число е еквивалентно на 50 ядрени централи като нероден Петко АЕЦ Бе- лене.Ето това е богатството , ресурса даден ни от природата , който за сега кротува горе на небето , и който трябва да приземим за да му се радваме.Не ни трябват петролни кладенци или газови находища.Ако употребим цялата енергия произведена от тези 100,000 Мгвт за производство на водород чрез електролиза , след това превърнем получения водород и добития от атмосферата Въглероден диоксид в Сабатие реактори , ще получим около 49 млрд нкубм Метан за една година.Което може да се сравнява с природния газ получен от два газопровода като Южен поток и Набуко.Как Ви се струва перспективата да се превърнем в газови Шейхове.Напомням още веднъж , че този анализ се отнася за идеализиран случай , едва ли цялата енергия на слънчевия ни потенциал ще приложим за производство на Метан , защото всяко превръщане на енергоносителите е съпроводено  със загуби между 15 и 20%.Така че , ще заработят по-ефективни схеми в енергопроизводството , индустрията , транспорта и битът.И това съвсем не е всичко.Предстои да се запознаем с една изключително приятна изненада. В САЩ , Канада , Холандия , Швеция,Израел  и вероятно още страни по света , има произведени и доведени до търговска зрялост комбинирани слънчеви панели за производство на ток и топлина.Тези инсталации за всеки произведен ват електроенергия произвеждат и около 3.5 вт топлина.Топлоносителя напуска инсталацията при температури от 90 гр Ц до 220 гр Ц при различните производители.Следователно нашия слънчев потенциал определен по горния начин ще ни осигури и още 350 000 Мгвт топлини.Това огромно за днешните ни мащаби количество топлина може да се употреби в бита , селското стопанство , някои индустриални процеси , в енергопроизводството(например при извличане на топлинна енергия от недрата на земята).Тези комбинирани слънчеви панели освен че са много евтини , около едно евро на ват , ще преобразят представите ни за вида на малките енергонезависими селища, ще направят възможен живот с високо качество  и стандарт.Ето още една възможност.Кондиционерите за да работят през лятото се нуждаят от топлина.Същото може да се каже и за домашния хладилник.Живота и техниката ще претърпят наистина грандиозни промени.Огромни хладилни инсталации ще работят с топлина доставена от топлохранилища.Огромни парникови инсталации ще работят с топлина от същите топлохранилища.Това ще облекчи значително организирането на енергонезависими селища които се самоосигуряват с храни и селскостопански продукти.Може да се организира модерно животновъдство , осигурено с необходимите количества топлина четири сезона.Отрицателите биха изтъкнали непреодолими финансови затруднения.На този проблем има решения , които ще разгледаме по-долу.Нека отново се върнем към числата за да обосновем горните твърдения.Един модерен 100 киловатов електролизер изразходва 4.5квтч за производството на 1 кубм при нормално налягане водород.Същия този кубически метър  водород тежи приблизително 90 гр.Превърнати в киловати 100 000 Мгвт ще дадат 100 000х 10³ киловата.Сега можем да изчислим какво количество водород може да произведем с тази енергия за една година :

                     ( 10⁸ : 4.5)х8760 = 194.66 х 10⁹ нормални кубически метра Н2

В химическата реакция известна като Сабатие , количествените отношения са както следва : от всеки грам водород може да се получи 2 гр СН4

                                          СО2 + 4Н2 = СН4 + 2Н2О

Един нормален кубически метър СН4 тежи 717 грама.  Водорода получен от 4.5 квтч ще осигури 180 грама СН4 или общо от целия слънчев потенциал :

                       194.66 х 10⁹ х (180:717) = 48.86 х 10⁹ нкубм СН4

или с думи четиридесет и девет милиарда нормални кубически метра Метан , което количество е равно на годишния дебит на Южен поток и Набуко взети заедно.Нека още един път напомним , че този анализ има за цел да информира гражданите на Република България за величината на един природен ресурс.Между момента на реализацията на този потенциал и днешния момент лежи пропаст от неинформираност , липса на профе- сионализъм , липса на цели индустриални  сектори , гадно отношение на държавата към науката и образованието,което се споделя и от голями маси профанизирано население , зомбирано в течение на десетилетията комунистическо робство.Тежко сбъркана Енергийна стратегия , тежко сбъркана стратегия в Икономиката и Националната сигурност , липса на Визия за национално развитие , липса на адекватна оценка на глобалните политически , икономически и социални процеси.Светът като цяло , нашата страна, ще тръгнат в съвършенно  нова посока , но нека не се заблуждаваме , основен фактор в предстоящия , за нас вече истински преход , ще бъде времето.Някои учени и анализатори ангажирани с проблемите на предстоящия преход към наистина устойчиво развитие на света , бият тревога , нямаме време , на света като цяло остават около три десетилатия , за да вземе правилните решения.За нас , българите , това време е не повече от 10 години. Тези десет години са необходими за вземане на решения които ще ориентират страната в правилна посока, времето за реализация на същинския преход може да продължи от 40 до 80 години.Ще бъде наистина гигантски и величествен преход , извор на творческо вдъхновение за цялата нация.Част от анализа ще бъде посветен на описание на физическата картина на новия свят в който ще живеят нашите внуци и правнуци и тяхните деца.Сега ще продължим с изследване какво би се случило,  ако разполагаме с огромни полета фотоволтаика.Ще изследваме :

v  Загубите до които водят превръщанията на енергоносителите един в друг

v  Енергийните технологии които ще се превърнат в гръбнакът на нова енергийна индустрия , нова енергийна система за производство на ток и топлина

Както беше отбелязано , в модерните електролизери с 4.5 квтч енергия се осигурява 90 гр водород, в Сабатие реактора , тези 90 гр водород осигуряват синтезирането на 180 гр Метан.В 4.5 квтч енергия има 4.5 х 3600 = 16200 кJ топлина , а в180 гр СН4 има 180х55.6 = 10000 кJ топлина.Тези превръщания на електроенергията в химическа енергия на водорода и метана   и съответните еквивалентни количества топлина дават представа за загубите -    10000:16200 = 0.62 (62%) коефициент на полезно действие . Като имаме предвид че по-добри акумулатори на произведената в голями обеми електроенергия след преобразуване на слънчевата радиация с фотоволтаика просто няма , трябва да се примирим.И отново напомням , че анализа следва една идеализирана картина , което означава , че истинските загуби от превръщанията на енергията не могат да се предскажат и при най-точен анализ.Полученият коефициент на ефективност има смисъл при взимане на решение при избора на един бъдещ път на развитие на страната в енергийно , икономическо и политическо отношение.Очевидно трябва да се откажем от залегнали в икономическата и енергийна стратегия основни постулати,като например водещата роля на карбоновата и ядрена енергетика.Що се касае до основни постулати за икономическото развитие на страната , очевидно те трябва да бъдат съобразени със слънчевия ресурс на страната , което ще доведе до създаване на нови енергийни сектори в индустриалното производство.Към тази тема ще се върнем в нови раздели на анализа.Както беше отбелязано, за производството на 1 тон СО2 в инсталация за извличане на Въглероден диоксид от атмосферата са необходими 100 квтч конвенционална енергия(ядрена или карбонова).За производство на 100 квтч електроенергия в газова турбина на Метан , с коефициент на ефективност 28% , в турбината се изгарят 21 кг Метан. В Сабатие реактора за получаване на 21 кг Метан се разходват 21х2.75=57.75 кг Въглероден диоксид. В един тон СО2 има 1000:57.75=17.31 пъти повече Въглероден диоксид . Това показва степента на икономическа изгода в процеса на извличане на СО2 от атмосферата.Така решаващо за цялостната икономическа изгода,от първостепенно значение е начина на получаване на водорода ангажиран в тези процеси.Което ни води до представата , че получаването на електроенергия от слънчевия потенциал и борбата срещу климатичнити промени чрез ограничаване на емисията на парникови газове са взаимосвързани процеси, те взаимно се подпомагат и са една възможна алтернатива за бъдещото развитие на човечеството.Това дори може да се окаже най-правилния път на развитие.За да няма двусмислие , горенето на синтезирания Метан в газови инсталации е съпроводено с отделяне на СО2 в атмосферата(Фиг.13), което се компенсира от равно количество добит от атмосферата Въглероден диоксид. На Фиг.13 е показан затворен цикъл по отношение на СО2 , същата схема може да се приложи и при отворен цикъл.