Який парниковий газ під час спалювання водню

0 Comments

Що таке парникові гази? Як діє парниковий ефект?

Усі говорять про парниковий газ та парниковий ефект, та багато людей взагалі не уявляє, що саме ховається за цими поняттями.

Проте в наш час атомної енергетики, змін клімату та глобалізації кожен повинен знати і розуміти ці терміни. Першу прогалину в знаннях можна залатати, якщо людина знає, що таке парникові гази.

Що таке парникові гази?

Коли мова йде про парникові гази, то мають на увазі газоподібні речовини, які впливають на випромінювання. Вони знаходяться у повітрі та створюють так званий парниковий ефект. Окрім того, що ці гази утворюються внаслідок людської діяльності, вони ще бувають і природного походження.

Парниковий ефект також легко можна пояснити.

Як діє парниковий ефект?

На Землі не могло б бути такої температури, до якої ми звикли, якщо б в атмосфері не було СО 2 . З іншого боку, надмірна кількість вуглекислого газу примушує нас пітніти і саме це ми можемо спостерігати останнім часом.

Найважливіший постачальник енергії для Землі – Сонце. Навколо планети існує так звана атмосфера. Без неї майже всі промені просто відбивалися б Землею назад у космос, а температура повітря могла б бути щонайменше на 30 градусів нижчою, ніж зараз. Атмосфера – це суміш газів, які притягуються до Землі завдяки силі тяжіння. Чим вище, тим менша густина цих газів. Так званий “природний парниковий ефект” створюють, перш за все, пари води (Н 2 О) та діоксид вуглецю (СО 2 ). Окрім того, на природний парниковий ефект також впливають озон (О 3 ), що знаходиться близько до поверхні Землі, оксиди азоту та метан (СН 4 ).

Лише завдяки короткохвильовим променям видиме світло від Сонця може проходити через атмосферу та досягати поверхні Землі. Вона вбирає цю енергію та віддає її вже у вигляді тепла. А от ці довгохвильові промені вже не можуть потрапити назад у всесвіт. Хвилі, перехоплені хмарами та парниковими газами в атмосфері, повертаються назад у напрямку Землі.

Саме цей обмін тепловим випромінюванням між поверхнею Землі та атмосферою називають парниковим ефектом . Збільшення кількості парникових газів у атмосфері призводить до того, що вони утримують все більше випромінювання і спричиняють глобальне нагрівання Землі.

Який парниковий газ під час спалювання водню

Бог проявив щедрість,
коли подарував світу таку людину.

Світлані Плачковій присвячується

Видання присвячується дружині, другу й соратнику,
автору ідеї, ініціатору й організатору написання цих книг
Світлані Григорівні Плачковій, що стало її останнім
внеском у свою улюблену галузь – енергетику.

Енциклопедія

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 (СО 2 ) по інтегральній реакції вуглецю з киснем:

С + О 2 = СО 2 + енергія.

Зростання концентрації СО 2 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 (СО 2 , SO 2 , NO 2 , О 3 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 СО 2 . За останні 20 років ХХ століття концентрація СО 2 в атмосфері зросла на 15%. Молекули СО 2 добре пропускають короткохвильове сонячне випромінювання, але поглинають випромінювання в довгохвильовому спектрі частот, що є природним регулятором температури поверхні Землі. Зниження концентрації СО 2 призводить до зменшення середньорічної температури планети: при повній відсутності СО 2 в атмосфері вся поверхня Землі покрилася б льодом, а середньорічна температура не перевищувала б–10°С. Протягом мільйонів років існувала природна рівновага вмісту СО 2 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 СО 2 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 СО 2 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 СО 2 в атмосфері, зростанням виробництва та споживання енергії, проте за останні 30 років ХХ ст., незважаючи на зростання вмісту СО 2 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 СО 2 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 CO 2 . Потім йдуть метан (CH 4 ), закис азоту (N 2 O), гідрофторвуглеці (ГФВ), перфторвуглеці (ПФВ), гексафторид сірки (SF 6 ). 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 СО 2 в атмосфері за останні 250 років. Згідно з даними льодовикових кернів в Антарктиці, концентрація СО 2 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

Природні джерела, 168–260 млн. т СН 4 /рікАнтропогенні джерела, 264–428 млн. т СН 4 /рік
Заболочені землі145–231Домашні тварини76–92
Терміти20–29Вирощування рису31–112
Дикі тварини15Енергетика77
Геологічні джерела4–14Видобуток газу і нафти36–68
Океан4–15Спалювання біомаси14–88
Гідрати5Видобуток вугілля32–48
Лісові пожежі2–5Відходи35–49
Рослини з циклом С 3 та С 436

Метан (СН 4 ) є другим за значимістю парниковим газом після СО 2 . 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 СО 2 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. N 2 O належить важлива роль у хімії атмосфери, оскільки цей газ є джерелом NО 2 , що руйнує стратосферний озон. Парникові гази техногенного походження. До газів техногенного походження відносяться галогеноємні гази метанового та етанолового рядів, а також гексафторид сірки SF 6 , 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 СО 2е на рік, рослинність поглинає 145 млн.т СО 2е на рік. Молекула СО 2 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 СО 2 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 СО 2 в продуктах згорання. Мал. 2.5. Структура викидів парникових газів

Використання матеріалів сайту дозволене за умови наявності посилання на сайт.
Передрук матеріалів з інших джерел (ЗМІ, наших партнерів) можливий у випадку зазначення першоджерела.