Как углерод стал топливом

С щелчком зажигалки вспыхивает искра, и в ладони мгновенно высвобождается энергия. Та же самая, что приводит в действие наши машины, освещает дома и даже отправляет корабли за пределы планеты. 

Как ни удивительно, в основе всех этих чудес лежит один элемент. Он окружает нас повсюду: растворен в воздухе, которым мы дышим, спрятан в том, что мы едим, и присутствует в каждом живом существе. Его латинское имя — карбониум, от слова «карбо», уголь. Речь, как вы наверняка догадались, об углероде. 

В этом тексте мы разберем, как он превратил человечество в хозяев огня, почему его соединения горят по‑разному, как из нефтяной смеси получается бензин, и каким образом наука пытается усмирить углерод, не разрушая природу.

Что такое углерод и какой из углеродов самый известный  

Первая встреча с углеродом обычно происходит у школьной свечи. Если поднести к пламени стекло, на нем появится тонкий слой сажи — результат неполного сгорания парафина. Парафиновые молекулы, вроде С₁₈Н₃₈, соединяясь с кислородом, должны превращаться в воду и углекислый газ, но при недостатке воздуха часть углерода выпадает в виде черного порошка. Стоит поднять стекло чуть выше, обеспечить приток кислорода, и копоть исчезает: углерод полностью окисляется до CO₂. Этот простой опыт — фотография нашего элемента в двух ипостасях: чистой сажи и невидимого газа, который тяжелее воздуха и способен задушить горящее пламя. Налитый из колбы на свечу, диоксид углерода тушит ее, и пожарные давно пользуются этим свойством.

Есть и другой портрет углерода — миллионы лет его писала природа. Каменный уголь, на 90 % состоящий из карбона, сформировался в далеком каменноугольном периоде. Тогда климат на планете был теплым и влажным, гигантские папоротники и хвощи поглощали углекислый газ и запасали солнечную энергию в органике. Умирая, они опускались на дно болот, образуя слои торфа. Сверху наседали песок и глина, давление выжимало воду, органика уплотнялась, превращаясь сначала в бурый, а затем в каменный уголь. Возможно, бактерии тоже внесли свой вклад в превращение растительных останков в черный камень. Так в недрах Земли возникли накопления концентрированной энергии — и они бы остались там навечно, если бы человек не научился их добывать.

Древние китайцы, греки и римляне знали, что этот камень горит долго и жарко, но едкий дым ограничивал его применение кузницами. Ситуацию изменило Средневековье: леса Европы редели, дрова дорожали, и в Англии уголь постепенно вытеснил древесный в доменных печах. Настоящий звездный час черного золота наступил с приходом промышленной эры. 

Первые паровые машины создавали, чтобы откачивать воду из шахт, а оказались теми, кто открыл ворота к шахтным залежам. Паровоз стал символом эпохи, построенной на скрытой энергии угля; за один лишь XIX век человечество сожгло около десяти миллиардов тонн. Чтобы увидеть эту энергию, достаточно бросить на горелку маленький кусок антрацита: на воздухе он лишь тлеет, медленно соединяясь с кислородом до CO₂, но в атмосфере чистого кислорода внезапно вспыхивает ярким пламенем.

Как сейчас используют каменный уголь

Сегодня 3/4 добываемого угля все еще идет в топки, но далеко не все электростанции зависят от него. Так, московская ТЭЦ‑22 выдает около 1365 мегаватт — этого хватает для юго‑востока столицы и ближайших населенных пунктов. Основное топливо здесь природный газ, но ТЭЦ должна иметь и резервное топливо. На всех остальных столичных электростанциях это мазут. Но данная ТЭЦ исключение. Тут в качестве резерва используют уголь.

На складе станции лежит 212 000 тонн черного камня — запаса хватит на месяц работы при полной замене газа. Однако доля угля в топливном балансе не превышает 10 %, и механизм разгрузки вагонов запускается редко. Перед подачей в котлы уголь перемалывают в пыль в барабанных мельницах, где стальные шары массой пятьдесят тонн дробят его в порошок. Шестнадцать таких мельниц производят по 25 тонн пыли в час. Поскольку мелкая фракция воспламеняется неохотно, в корневую часть факела добавляют немного газа — его называют «подсветкой». Внутри котла горит факел высотой с пятнадцатиэтажный дом, температура достигает 2000 градусов, и вода в стеновых трубах мгновенно превращается в пар. Он направляется в турбины, чьи валы вращают генераторы со скоростью 3000 оборотов в минуту. Мощная 335‑мегаваттная турбина выдает около 450 000 лошадиных сил, что сравнимо с мощностью 2000 автомобилей, а интеллектуальная система мониторинга следит за сотнями датчиков, предупреждая о неполадках задолго до поломки.

Если не каменный уголь, то что? 

Несмотря на былые заслуги, мир постепенно уходит от угля. Сажа, твердые частицы и огромные объемы CO₂, выбрасываемые при его сгорании, делают этот источник топлива одним из главных виновников загрязнения и изменения климата.

Природный газ в этом смысле выглядит куда привлекательнее. В его основе — метан (CH₄), углеводород, где каждый атом углерода окружен водородом. 

При сгорании такого топлива диоксида углерода образуется вдвое меньше, сажа практически отсутствует, а газовые турбины можно быстро запускать и останавливать. Газ поступает по трубопроводам, не требует складов и полувагонов с топливом. 

Откуда берется газ. И нефть — тоже 

Версий несколько. Одни исследователи считают, что нефть и газ образуются глубоко в мантии из неорганических элементов. Так думал, например, Менделеев. Если это предположение верно, то запасы практически неисчерпаемы. 

Другая, более популярная теория утверждает, что углеводороды — результат разложения древней биомассы под давлением и при участии бактерий, и значит, ресурсы конечны.

Можно ли получить газ в лаборатории? 

Да. Один способ получения метана — химический: берем карбид алюминия, заливаем водой, и начинается реакция, в которой образуются гидроксид алюминия и пузырьки газа. Собрав их в воронку и поднеся спичку, мы увидим голубое пламя, а продуктами будут лишь вода и углекислый газ. 

Другой путь — биологический. В болотном иле живут археи, крошечные организмы, для которых превращение органики в метан — повседневная работа. Если накрыть стакан с илом колбой, через несколько дней под ней соберется «болотный газ». Такой метод лежит в основе биогазовых установок, которые перерабатывают отходы в топливо, пригодное для отопления и электрогенерации — его применяют на фермах и очистных сооружениях.

Как нефть стала топливом 

Природный газ прост, а вот нефть — это коктейль сотен соединений углерода и водорода. Поведение этих веществ как топлива сильно различается. Наглядный пример: гексан и ксилол. Первая молекула — это цепочка из шести атомов углерода; она горит спокойным, почти бесцветным пламенем. Вторая — более сложное ароматическое соединение; при поджигании оно вспыхивает ярко, выделяя облака черной сажи. Чем длиннее и ветвистее молекула, чем выше доля углерода, тем сложнее ей полностью сгореть и тем больше копоти.

Чтобы эффективно использовать нефть, ее, как поленницу из разных дров, приходится сортировать. Делают это на нефтеперерабатывающих заводах с помощью атмосферно‑вакуумной перегонки. Разогретую нефть подают в колонну: легкие фракции — газ, бензин, керосин, дизель — поднимаются наверх и отбираются, а тяжелый мазут остается внизу. Эта схема знакома многим по учебникам химии, но в реальности за ней стоят сложные аппараты и точные расчеты.

В лаборатории исследовательского центра нефтяной компании такой процесс повторяют в миниатюре. Нефть постепенно нагревают, пары проходят через холодильник, конденсируются и по очереди собираются в отдельные колбы: легкий и тяжелый бензин, керосин, газойль, тяжелый остаток. Качество каждой фракции критично: погрешность даже 0,5 % в прогнозе означает, что завод недополучит или перепроизведет тысячи тонн продукта. 

Интересно, что в XIX веке наиболее востребованным продуктом нефтепереработки был вовсе не бензин, а керосин для ламп. Все остальное зачастую сливали. 

После появления двигателя внутреннего сгорания потребности резко изменились. 

Сейчас мир производит примерно 12,5 миллиона тонн бензина и дизельного топлива в сутки. Чтобы представить этот объем, можно мысленно построить железнодорожный состав из 250 тысяч цистерн общей длиной 4500 километров — половина Транссиба.

Современная нефтехимия не ограничивается простой перегонкой. 

Чтобы автомобильный бензин был устойчив к детонации, его октановое число увеличивают с помощью реформинга и изомеризации. В риформинге длинные линейные молекулы под действием температуры и катализатора превращаются в кольцевые, благодаря чему октановое число прыгает с 60 до 96 без каких‑либо присадок. В изомеризации линейные углеводороды «заворачивают» боковые цепи: линейный октан становится изооктаном, а у него октановое число 100. 

Эти процессы позволяют двигателям снимать больше мощности с каждого кубического сантиметра, не разрушая поршни. В лаборатории подобные установки используют для испытания новых катализаторов, а также для модификации углеродного скелета: например, можно снизить температуру застывания дизельного топлива с минус пяти до минус пятидесяти пяти градусов, чтобы оно не кристаллизовалось в мороз.

Не менее любопытна технология производства синтетической нефти из природного газа. 

Классическая схема, разработанная еще сто лет назад, включает массивные реакторы и множество стадий, поэтому обычно строится рядом с крупнейшими месторождениями. Российские ученые попытались упростить процесс. Они создали компактный реактор и новую каталитическую систему, позволяющую превращать метан в жидкие углеводороды в одну стадию. Полученная синтетическая нефть прозрачна, напоминает воду, почти не содержит серы и других примесей. Ее можно производить прямо на месторождении из попутного газа, перерабатывать в топливо для техники, работающей на месторождении, или закачивать вместе с обычной нефтью в трубопровод, увеличивая общую добычу.

Зеленое топливо

За пару столетий люди, полагаясь на уголь, нефть и газ, вернули в атмосферу огромное количество углерода, который природа аккумулировала миллионы лет. 

Это нарушает хрупкий климатический баланс, и сейчас ученые ищут способы продолжать пользоваться углеродом, не усугубляя катастрофу.

Один из перспективных вариантов — микроводоросли, например хлорелла. 

Некоторые ее штаммы в стрессовых условиях накапливают огромное количество липидов, то есть жиров, которые подходят для производства биотоплива. Самые удачные разновидности содержат их в десятки раз больше, чем соя, и способны давать несколько урожаев в год. Из биомассы можно сначала извлечь жиры, добавить спирт и с помощью катализатора получить биодизель. Но можно использовать и весь организм целиком: помещенные в реактор водоросли под действием высоких температур, давления и водяного пара разжижаются до смолянистой субстанции — бионефти. По сути, это ускоренная версия природного процесса, который длится в недрах Земли миллионы лет. Анализ показывает, что состав бионефти пересекается с составом традиционной нефти почти наполовину. Ее можно смешивать с обычной, отправлять на нефтеперерабатывающие заводы и получать из нее автомобильное топливо.

Микроводоросли пригодятся не только для производства топлива, но и для утилизации выхлопных газов. В специальных камерах поддерживают повышенную концентрацию CO₂, и зеленые микробы — спирулина, хлорелла и целые консорциумы бактерий — активно его поглощают, наращивая биомассу. Эти микроорганизмы должны стойко переносить оксид серы и другие вредные соединения, образующиеся при сжигании нефтепродуктов.

Идея заключается в том, чтобы с их помощью очищать выхлопы многомегаваттных газопоршневых электростанций. В лабораторных условиях вместо огромных установок используют обычные двигатели внутреннего сгорания на метане: выхлоп направляется в аквариум с водорослями, и те поглощают CO₂.

Такая технология приближает нас к так называемому нулевому балансу: при сжигании биотоплива выделяется ровно столько углекислого газа, сколько водоросли забрали из атмосферы во время своего роста.

Как бороться с разливами нефти

Когда танкер терпит аварию, на поверхности моря образуется пленка, которая не пропускает кислород и буквально душит все живое. Один из самых щадящих способов борьбы с разливами нефти — механический сбор, но действовать надо быстро: с каждой минутой пятно растекается и становится тоньше, что затрудняет работу. 

Специалисты разработали средство, которое назвали «химическим пастухом». Его добавляют по периметру нефтяного пятна, и капля реагента заставляет пленку стянуться в одну точку. Толщина увеличивается в десятки раз, и нефть легко собрать скиммером или даже пипеткой. В будущем такой реагент планируют распылять с беспилотников: двух литров на километр периметра достаточно, чтобы усмирить пятно.

История отношений человека и углерода — это история нашего взлета. Мы научились высвобождать заключенную в нем энергию и использовать ее для великих проектов: от заводов и железных дорог до космических кораблей. Теперь, когда мы видим обратную сторону этой силы — изменение климата, загрязнение и риски, — самое время подумать, как обращаться с углеродом мудрее. Разговор о топливе — лишь одна глава в этой большой книге. Впереди есть еще немало удивительных историй о том, как этот элемент изменяет мир — и о том, как мы можем изменить наш подход к нему.

Максим Назаров по материалам проекта канала «Наука» «Обуздать углерод».