Lex_Divina (lex_divina) wrote,
Lex_Divina
lex_divina

Нефть 6

В 2020-х годах Россию ждёт бюджетная катастрофа. Однако здравствуйте.

Дабы несколько сбить градус межэтнической НЕНАВИСТИ, захлестнувшей этот уютный бложик с моей подачи, вернёмся к нашим нефтям. На раскалённую сковородку — да холодную воду оплеском. Благо относительное затишье на украинских фронтах позволяет.

Часть шестая,
в которой мы вновь возвращаемся к физике и химии нефти


Итак, оставив США (или, как их тогда называли, СаСШ) осмыслять наличие у них нефти, а Великобританию — её отсутствие, вернёмся вновь к вопросу о том, почему она столь незаменима и уникальна в качестве топлива. Частично он уже затрагивался прежде, но тема поистине неисчерпаемая, и каждый раз может повернуться и засверкать новыми гранями.

Несложно уловить, чем прежде всего отличается нефть от двух своих собратьев по углеводородной триаде. Агрегатным состоянием. Уголь твёрдый, нефть жидкая, природный газ — внезапно — газообразный.

Чем неудобно твёрдое топливо? Своей твёрдостью (у нас сегодня просто вечер сорванных покровов какой-то получается). В некоторых социальных группах людям с непростой судьбой принято наносить татуировки ниже спины, изображающие кочегара, лопатой забрасывающего уголь в топку. В этом есть какой-то пронзительный и глубокий символизм — труд кочегара действительно грязен и тяжёл, однако совсем обойтись без него долгое время не получалось.

«Бьётся в тесной печурке Лазо, на поленьях глаза как слеза...» — творчески переосмыслили каноническую версию гибели известного революционера менее канонические пионеры, и мы сразу же обращаем внимание на некоторую несообразность: ну какие в паровозной топке поленья? На дровах ездила разве что знакомая многим своими очертаниями телега Кюньо, вернее сказать — ползала медленнее пешехода, что, однако, не помешало изобретателю вынести на ней стену парижского Арсенала. Поговаривают, правда, что основные разрушения были причинены не столько самим столкновением, сколько последовавшим за ним взрывом парового котла. Это важный момент, который стоит запомнить, так как он нам сегодня ещё потребуется.



Почему же дров категорически недостаточно для удовлетворения потребностей современных социальных суперорганизмов со стальным скелетом и углеводородным метаболизмом? Ответ следует искать вот в этой сухой и сдержанной табличке.

Вообще правильные ответы на большую часть вопросов жизни нашей тяжкой содержатся чаще в скучных табличках, чем в ярких, образных и пустых абзацах текста, но пока будем говорить не о фундаментальных вопросах мироздания, а о конкретном физическом параметре, удельной теплоте сгорания различных веществ. Мы видим, что дрова из наших родных берёзушек-матушек и сосёнок-красавиц дают чуть больше 10 МДж энергии с каждого сожжённого килограмма. Ну килограмм вы себе, наверное, хорошо представляете, а вот 10 мегаджоулей имеет смысл попробовать на вкус и поперекатывать по языку. В калориях это выйдет порядка 2436 ккал, то есть количество, современной женщине достаточное на целые сутки, и ещё приятных округлостей добавится. Это также составит 3 киловатт-часа энергии, чего хватит на полное обеспечение её суточных потребностей в электричестве даже при его расходовании на широкую ногу. На узкую ногу средняя россиянка тратит 2 кВт·ч, а на золушкину — 1 кВт·ч в день.
Любопытно, что удельная теплота сгорания дерева (10,2 МДж/кг) значительно превышает таковую у тротила (4,2 МДЖ/кг) и тем более пороха (3,8 МДж/кг). Нюанс, конечно, заключён в скорости этого сгорания: у пороха и ТНТ оно идёт такими темпами, что называется уже не сгоранием, а детонацией. Преимущество в скорости порождает новое качество — о том же самом мы будем говорить применительно к преимуществам нефтяного топлива.


Массо-объёмная диаграмма плотности энергии, получаемой из различных источников. Чем правее тот или иной источник располагается по горизонтали, тем больше энергии он содержит на единицу веса. Чем выше он располагается по вертикали, тем больше энергии он содержит на единицу объёма. В правой верхней четверти диаграммы, таким образом, располагаются лучшие источники энергии, сочетающие в себе лёгкость и компактность. Выбирайте из них любой в качестве альтернативы нефти.


Как видим, кило дров — это не так уж и мало, но весь вопрос в том, с чем мы его сравниваем. Получаемый из них же древесный уголь дает уже 31 МДж/кг, и именно благодаря ему стало возможно развитие железной металлургии, так как обычная древесина не даёт пламени достаточной температуры и устойчивости. Помните карту обезлесения Европы в одной из первых записей? Вот куда уходили леса. На переработку тонны железной руды требуется порядка 40 кубометров дров, или почти целый железнодорожный вагон. За той маленькой оговоркой, что никаких железных дорог тогда не было, и дровишки носили сами, ручками-с, ну и лошадки помогали тоже, конечно. Представьте длинные составы до горизонта, доверху гружённые древесиной, и тогда вы лучше поймёте, какие огромные энергозатраты стояли за внешне простым, компактным и немудрёным снаряжением и обмундированием высадившихся в Новом Свете конкистадоров со стальным оружием и доспехами. Что им могли противопоставить индейцы со своей зайчаточной металлургией?
Военное преимущество Писарро заключалось в наличии у испанцев стальных мечей и других видов холодного оружия, стальных доспехов, ружей и лошадей. Этому вооружению воины Атауальпы, не имея животных, чтобы сражаться верхом, могли противопоставить только каменные, бронзовые и деревянные дубинки, палицы и ручные топоры, плюс пращи и стеганые доспехи. Такая несопоставимость боевого снаряжения сторон сыграла решающую роль в бессчетном числе других столкновений европейцев с коренными американцами, и не только с ними.
В испанском завоевании Инкской империи огнестрельное оружие играло лишь второстепенную роль. Заряжать и стрелять из его тогдашней разновидности (так называемых аркебуз) было довольно трудно, и у Писарро было лишь около дюжины таких орудий. Гораздо серьезней были испанские стальные мечи, пики и кинжалы, прочные острые клинки которых легко пропарывали тонкие доспехи и тела индейцев. Напротив, оружие индейцев — дубинки без заостренных наверший — хотя и были способны наносить увечья испанцам и их лошадям, почти никогда не могли их убить. Испанские стальные латы, стальные кольчуги и особенно стальные шлемы, как правило, обеспечивали надежную защиту от ударов дубинкой, тогда как индейские стеганые доспехи не давали вообще никакой защиты от стального клинка.

Джаред Даймонд. Ружья, микробы и сталь

А всё от того, что в кузнице не было гвоздя, да и самих кузниц практически не было. А в Европе — были, ну а чем больше зелёных кузнечиков, тем меньше зелёных лесов, всё просто. Индейцы, не обременённые в такой мере металлургическими заботами, гораздо лучше сохранили свои леса, в конечном счёте также использованные европейскими колонизаторами. Ещё один из поучительных уроков прошлого: скрупулёзное сохранение ресурса не всегда благо, а его расточительное расходование — не всегда зло. Ну то есть в сферическом вакууме, понятно, и благо, и зло, а на нашей грешной земле чаще всего тот, кто потребляет больше и интенсивнее, просто по мере истощения собственных угодий сгоняет более аскетичных соседей с их земель, и приступает к пожиранию ресурсов, накопленных уже ими. Об этом будет полезно вспомнить, когда мы дойдём до проклятий в адрес банды Путина, меняющей невосполнимые природные богатства России на резаную бумагу.

Но вернёмся к удельной теплоте сгорания. Как ни странно, у куда более привычных нам бурого и каменного угля она ниже, чем у древесного — 15 и 29 МДж/кг соответственно. Однако же они образуются и накапливаются в породе сами по себе, пережигать для этого огромные объёмы древесины особым образом не требуется, а горят они все же жарче неё.

А что же наша лоснящаяся иссиня-чёрная красавица? Она даёт до 41 МДж/кг, превосходя и любые угли, и тем паче дровишки. А почему, собственно? В чём секрет? Об этом можно догадаться, двигаясь дальше по табличке. Бензин даёт до 44 МДж/кг; метан, из которого почти полностью состоит привычный нам тоталитарный природный газ, — уже больше 50 МДж/кг. Тоже газообразный и тоже углеводородный пропан, что характерно, меньше — 47,5 МДж/кг. Почему так? Если ещё не догадались, смотрите на первую строчку таблицы, которую с гигантским отрывом от преследователей занимает водород с его запредельными 120 МДж/кг. Всё просто: топлива с бóльшей массовой долей водорода горят жарче, и неистовее всех отжигает, понятно, он сам.


Чистый водород горит так. Помните этого фрейдистского красавца из записи про конвергенцию?
Чаще пересматривайте подобные видео, когда будете выслушивать упоительные истории о том,
как водородный транспорт легко и непринуждённо заменит бензиновый.


Теперь несложно понять, почему более простые углеводороды горят жарче более сложных. В молекуле метана все связи атома углерода идут на присоединение атомов водорода (CH4), что в итоге даёт нам массовую долю водорода на уровне 25% (атомная масса углерода равна 12, водороды же весят по единичке каждый, итого на них приходится 4 единицы из общих 16). В более сложных углеводородах часть связей используется атомами углерода на соединение друг с другом, то есть на каждый атом углерода приходится уже не по четыре водородины, а меньше (этан С2Н6, а не С2Н8; пропан С3Н8, а не С3Н12, и т.д.).

Различия в теплотворности различных топлив могут казаться не очень значительными, пока мы не вспоминаем о том, что кроме собственно груза (или пассажиров) транспортное средство должно перемещать и себя, а обычно и запас своего топлива. Очевидно, что чем ниже теплотворность используемого нами топлива, тем больший его запас приходится брать на прохождение того же пути, и тем сильнее уменьшается доступная полезная нагрузка. Можно, конечно, поднять ее, поставив двигатель помощнее, но ведь он, собака, и топлива будет жрать больше, и сам окажется тяжелее, и в итоге мы получим более крупного, но едва ли более выносливого монстра.
В суровых реалиях орбитальных полетов, вынужденных преодолевать не скромную силу трения о поверхность, но могучее гравитационное притяжение целой планеты, собственно полезная нагрузка носителя составляет буквально считанные проценты от его массы, примерно столько же приходится на сам носитель, а всё остальное — это топливо (вот почему земляне для активизации освоения космоса так остро нуждаются в реализации проектов вроде космического лифта или орбитальной разгонно-тормозной платформы — без них мы очень скоро окончательно сползём по стенкам гравитационного колодца на самое его дно, когда и флаговтык на Марсе окажется за пределами возможного). С другой стороны, на воде, где сила трения гораздо меньше, а против гравитации играет сам Архимед, становятся оправданными даже такие экзотические формы передвижения, как хождение под парусом и на веслах. Однако и на воде, и на суше, и в воздухе нефть не имеет себе равных (если абстрагироваться от ее более высокой стоимости, что мы охотно и сделаем, так как пока обсуждаем именно физическую сторону вопроса).
Именно поэтому идея сухопутного транспорта на дровах утопична, транспорта на угле — вполне реализуема, транспорта на нефти — отлична, а ничего лучшего у нас нет и не просматривается. И среднедушевая добыча нефти на планете уже идёт вниз, да.

Жидкое и газообразное топливо не только удобнее сжигать. Его удобнее и перемещать. Все знают, что самый дешёвый вид транспорта в длительной перспективе — трубопроводный (и в этом свете зловеще-красноречиво выглядят настойчивые отказы от проектов прокладки трубопроводов от американских сланцевых месторождений: сами инвесторы не верят в то, что они успеют окупиться, поэтому предпочитают обходиться железнодорожным и автотранспортом). И что у России есть только два союзника: это ее нефтепроводы и ее газопроводы, а вот углепроводов нет, несмотря на обилие и угля тоже. Правда, часто конкуренцию трубам составляет железная дорога, которой вроде бы все равно, что везти, но достаточно разгрузить пару вагонов с углём, а затем пару цистерн с нефтью, чтобы сполна ощутить разницу. Вот вы наверняка любите потягивать через соломинку мохито, нежась на пляжах Доминиканы, а попробуйте через ту же соломинку втянуть фуа-гра или дефлопе.
То-то и оно.

Вышесказанное помогает понять, почему в Третьем Рейхе так активно внедряли процесс Фишера-Тропша и прочее гидрирование углей перед Второй мировой войной. Продукт этих многоступенчатых и энергозатратных реакций, строго говоря, не являлся ни бензином, ни дизелем, ни керосином, ни мазутом, ни нефтью, но он был жидким углеводородным топливом, и уже в силу этого превосходил твёрдое углеводородное топливо столь значительно, что дорогостоящая игра стоила свеч — тех самых свеч, на смену которым незадолго до того пришли керосинки, вскоре вытесненные электрическими лампами.

Парадоксально, но этим же объясняется, почему нефти почти нигде и никогда не удавалось занять в энергобалансе ту беспрецедентно высокую долю, которую на исходе Промышленной революции набрал уголь. Не потому, что нефть была хуже, а потому, что она была лучше угля! Её превосходство было очевидным, это разгоняло цены на нее, и вынуждало более рачительно относиться к ее запасам. Поэтому везде, где нефть могла быть заменена другими видами топлива без критических потерь мощности, удобства и эффективности, она заменялась ими; тем самым сдерживалась ее экспансия. Королеву углеводородов берегли и старались не отвлекать по пустякам. Как уже отмечалось, наиболее высок потенциал нефтезамещения там, где используются крупные, тяжелые, капитальные преобразователи энергии из одной формы в другую — электростанции, котельные. Потому что там можно было стерпеть использование куда более громоздких, неуклюжих и неповоротливых энергетических установок — ну а что, ставятся они надолго, запускаются и останавливаются редко, а дополнительное место уж изыщем, не сидеть же без тепла и света теперь.
Однако на транспорте простор для нефтезамещения значительно ýже по тем причинам, упомянутым во время рассуждений о дрововозах.

А теперь, после многословного обоснования того, почему нефть так удобна именно в силу своего жидкого агрегатного состояния, хотелось бы показать вам одну из реалий XXI века — нефтяные шахты. Именно шахты, не скважины. Вот как выглядит та нефть, что приходит на смену многометровым фонтанам, бьющим из-под земли.



Даже если спирт замёрзнет —
Всё равно его не брошу.
Буду грызть его зубами,
Потому что он хороший.


На полях сетевых энергетических холиваров мне доводилось слышать и такие причудливые доводы в пользу неисчерпаемости нефти — а вон на спутнике Сатурна Титане океаны метана плещутся под метановыми облаками, а это же чистый природный газ, дистиллят практически! Отсутствие там признаков жизни подтверждает возможность абиогенного образования больших объемов природного газа, а если так, то почему не следует ожидать абиогенного образования больших объемов нефти?

Складывается ощущение, что авторы подобных измышлений несколько оторвались от химической стороны вопроса, уйдя в дебри экономики, где нефть и газ в большом ряде случаев вполне взаимозаменяемы. Между тем достаточно сравнить формулы природного газа и нефти, чтобы понять, что возможность абиогенного образования метана абсолютно не означает возможности сколь-либо масштабного абиогенного нефтеобразования. Формула метана просто и незатейлива, CH4, представляя собой в более развернутой записи атом углерода, окружённый четырьмя водородиками. Ну понятно, что реальный природный газ — не чистый метан, там еще всякие примеси есть, но их наличие нам не только не требуется, но даже нежелательно, так как ухудшает качество самого газа как топлива.

Формула же нефти... Как таковая отсутствует. Поскольку нефть — это смесь порядка тысячи различных веществ, подавляющее большинство которых по своему химическому составу сложнее метана. Поэтому идея о том, что возможность абиогенного образования метана говорит о возможности абиогенного образования нефти, мягко говоря, чрезмерно оптимистична.

Правда, говоря о происхождении жизни, учёные тоже вынуждены искать объяснение тому, как из простых веществ возникают те сверхсложные макромолекулы, из которых состоят организмы. Но им на выручку всегда приходит такой мощный инструмент, как запоминающий отбор. Как только некий объект обретает способность к репликации, то есть к самокопированию (которое по определению не бывает абсолютно точным), он под воздействием наследственности, изменчивости и естественного отбора запускает процесс, способный привести к мало чем ограниченному усложнению организации в геологически обозримые сроки, так как прогрессивные адаптации предыдущих поколений репликаторов напрямую наследуются последующими, и их не приходится вырабатывать заново с нуля.

Ничего подобного мы не можем сказать о молекулах углеводородов, из которых состоит нефть. Поэтому гипотеза её абиогенного образования действительно изрядно смахивает на идею о возможности спонтанной самосборки функционирующего «Боинга» после прохождения урагана над мусорной свалкой.
Tags: история, нефть, физика, химия, энергия
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 55 comments