Сейчас ходит много разговоров про декарбонизацию, при этом делается упор на углеродные выбросы. Но мало кто говорит о водяном паре, который имеет еще более губительный эффект. Забыли или еще не пришло время?

Переход к водородной энергетике обосновывается необходимостью снижения выбросов в атмосферу углекислого газа. Этот процесс называется декарбонизацией.

Известно, что увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере Земли приводит к повышению средней температуры воздуха, то есть «глобальному потеплению».

Для стимулирования процесса декарбонизации Европейский Союз планирует принять так называемый «углеродный налог» на все импортируемые товары.

В июле прошлого года аналитики компании KPMG подсчитали вероятные потери российских экспортеров в случае введения сбора. При худшем сценарии он появится уже в 2022 году и коснется как прямых, так и косвенных выбросов. Тогда поставщики заплатят 50,6 млрд евро до 2030 года. При базовом сценарии налог введут в 2025 году и распространят только на прямые выбросы, это обойдется российским экспортерам в 33,3 млрд евро. Самый позитивный сценарий предполагает появление налога в 2028 году, в таком случае производители заплатят 6 млрд долларов.

При развитии водородной энергетики будут снижаться выбросы в атмосферу углекислого газа и увеличиваться выбросы водяного пара, поскольку в процессе реакции водорода и кислорода выделяется энергия и водяной пар.

Считается, что водяной пар безвреден для человека и окружающей среды.

Есть ли связь между водяным паром и парниковым эффектом?

Чем выше температура воздуха, тем большее количество водяного пара может содержаться в воздухе.

Влияет ли водяной пар, растворенный в воздухе, на климат и если влияет, то можно ли сравнить его влияние с влиянием углекислого газа?

Сжигание природного газа

Природный газ состоит из смеси предельных углеводородов, таких, как метан (СН₄), этан (С₂Н₆), пропан (С₃Н₈), бутан (С₄Н₁₀), пентан (С₅Н₁₂) и гексан (С₆Н₁₄), а также незначительного количества инертных газов.

Характеристики природного газа, такие, как плотность и теплота сгорания, с большой точностью могут быть определены с помощью характеристик первых четырех гомологов. Общая формула реакции предельных углеводородов с кислородом имеет следующий вид:

СnH(2n+2) + 0,5 (3n+1)O2 → nCO2 + (n+1) H2O,

где n — число молекул углерода и порядковый номер гомолога углеводорода.


Рассмотрим уравнения реакции горения четырех первых гомологов углеводородов С1, С2, С3 и С4, которые в атмосферных условиях находятся в газообразном состоянии.

При n=1

CH4 + 2O2 → CO2 + 2 H2O

(т. е. 1 моль метана, соединяясь с 2 молями кислорода, образует 1 моль углекислого газа и 2 моля водяного пара).


При сжигании одного килограмма метана (СН4) выделяется 50 МДж тепловой энергии, а также 2,75 кг углекислого газа (СО2) и 2,25 кг водяного пара (Н2О), то есть выбросы водяного пара в атмосферу немного ниже, чем выбросы углекислого газа.

При n=2

C2H6 + 3,5O2 → 2CO2 + 3 H2O.

При сжигании одного килограмма этана (С₂Н₆) выделяется 47,8 МДж тепловой энергии, а также 2,93 кг углекислого газа (СО₂) и 1,8 кг водяного пара (Н₂О), то есть массовая доля водяного пара в продуктах сгорания этана меньше, чем при сжигании метана.

При n=3

C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4 H2O.

При n=4

C4H10 + 6,5O2 → 4CO2 + 5 H2O.

Из данных выражений видно, что при увеличении номера гомолога углеводорода для его полного окисления требуется больший объем кислорода, при этом выделяется больший объем углекислого газа и водяного пара, чем при сжигании метана. Объем выделяющегося при сжигании углеводородов СО₂ пропорционален порядковому номеру гомолога, а водяного пара — n+1. При сжигании метана выделяется в два раза больше водяного пара, чем углекислого газа, а при увеличении доли «тяжелых» углеводородов в сжигаемом газе эта пропорция уменьшается.

Сжигание водорода и метана

Сравним количество выбросов в атмосферу парниковых газов при сжигании водорода и метана, который является основным компонентом природного газа.

При соединении двух молекул водорода с одной молекулой кислорода возникают две молекулы воды. Реакция соединения водорода и кислорода сопровождается выделением энергии.

2*Н2 + О2 → 2*Н2О + энергия (1)

При сжигании одного килограмма водорода (Н₂) выделяется 120 МДж тепловой энергии и 9 кг водяного пара (Н₂О).

При соединении одной молекулы метана с двумя молекулами кислорода возникают две молекулы воды и одна молекула углекислого газа. Реакция соединения метана и кислорода сопровождается выделением тепловой энергии.

СН4 + 2*О2 → 2*Н2О + СО2 +
тепловая энергия (2)

При сжигании одного килограмма метана (СН₄) выделяется 50 МДж тепловой энергии, а также 2,75 кг углекислого газа (СО₂) и 2,25 кг водяного пара (Н₂О), то есть 5 кг парниковых газов.

Для получения 120 МДж тепловой энергии потребуется сжечь 2,4 кг метана. При этом в атмосферу попадет 6,6 кг углекислого газа и 5,4 кг водяного пара, то есть 12 кг парниковых газов.

Данные приведенных выше расчетов приведены в таблице 1.

Примечание: Учитывается только низшая теплота сгорания водорода и метана.

Из данного расчета видно, что при получении одинакового количества энергии суммарные выбросы парниковых газов при сжигании метана на 30% выше, чем при сжигании водорода.

При этом выбросы водяного пара при сжигании природного газа на 40% ниже, чем при сжигании водорода.

Из публикации Lindzen (1996) видно, что влияние водяных паров на парниковый эффект в 2,3 раза выше, чем влияние углекислого газа.

Если учесть этот факт, то парниковый эффект от сжигания 1 кг водорода будет соизмерим со сжиганием 2,4 кг метана. То есть при выделении одинакового количества энергии влияние водорода и метана на парниковый эффект соизмеримо.

Вместе с тем, по публикациям зарубежных средств массовой информации (СМИ) можно сделать вывод, что на увеличение парникового эффекта оказывает влияние только углекислый газ!

В Rick Panpaleo (2014) сообщается, что исследования, проведенные учеными из University of Miami Rosenstiel School of Marine and Atmospheric Science, подтвердили, что водяные пары в тропосфере — слой атмосферы, расположенный между поверхностью Земли и простирающийся на высоту 5–20 км — будут играть возрастающую роль в изменении климата в будущем.

Исследователи из Флориды сообщили, что увеличивающееся количество водяного пара в атмосфере вызвано человеческой деятельностью.

Если это так, то наряду с уменьшением выбросов в атмосферу углекислого газа необходимо контролировать и выбросы водяного пара.

Источники выбросов водяного пара

Как уже отмечалось выше, при использовании углеводородных газов, таких, как метан, этан, пропан и бутан, наряду с выбросами углекислого газа образуются водяные пары.

В тепловой и атомной энергетике рабочим телом, участвующим в выработке электрической и тепловой энергии, является водяной пар, для конденсации которого применяются различного типа градирни, а также прямоточное охлаждение водой из рек, озер и водохранилищ.

В 2008 году при проектировании и строительстве новых электростанций в России прямоточное охлаждение было запрещено.

Так называемые «мокрые» градирни являются источниками выбросов водяного пара в атмосферу.

Сократить выбросы водяного пара в энергетике позволяют «сухие» градирни, а также воздушные конденсационные установки (ВКУ).

Водород — топливо будущего

Как отмечалось выше, замещение природного газа водородом в качестве топлива не приводит к уменьшению парникового эффекта в случае, если пар, образующийся в результате сжигания водородсодержащего газа, не конденсировать.

Это относится и к топливным элементам, в которых электрическая энергия вырабатывается электрохимическим способом, поскольку на выходе из топливного элемента наряду с электрической энергией образуется водяной пар.

То есть при переходе к водородной энергетике надо стимулировать не только технологии, снижающие выбросы в атмосферу углекислого газа, но и водяного пара. И нашим ответственным лицам стоит задуматься о возможности введения ответного налога на продукцию, поставляемую в РФ, которая произведена на водородном топливе с выбросами водяного пара в атмосферу.