Аннотация. В статье рассматриваются экологическая, гуманитарная и ресурсная составляющие кризиса, порожденного доминированием промышленных технологий нагревания через сжигание топлива в атмосфере в современном хозяйственном укладе. Предлагается инженерно-обоснованный выход, не требующий сокращения производств и снижения темпов хозяйственного развития.

Ключевые слова: экологический кризис, экологическая катастрофа, выбросы в атмосферу, двуокись углерода, объемный высокочастотный прогрев, сверхмощные высоковольтные высокочастотные транзисторы, КС-транзисторы, КС-технологии.

ON REDUCING CARBON DIOXIDE EMISSIONS INTO THE ATMOSPHERE WITHOUT REDUCING INDUSTRIAL PRODUCTION

1. A. Kraeva¹, S. G. Tikhomirov²

¹ Pasteur research Institute of epidemiology and Microbiology, Saint Petersburg, Russia

² LLC "T-THREE", Saint Petersburg, Russia

Abstract. The article deals with the environmental, humanitarian and resource components of the crisis caused by the dominance of industrial heating technologies through combustion of fuel in the atmosphere in the modern economic system. We propose an engineering-based solution that does not require reducing production and reducing the pace of economic development .

Keywords: environmental crisis, environmental disaster, atmospheric emissions, carbon dioxide, volumetric high-frequency heating, heavy-duty high-voltage high-frequency transistors, CS-transistors, CS-technologies.

                                                                                                                                        1.   Экологический кризис

Согласно исследованиям, положенным в основу Парижского соглашения (2015 год) уже достигнутая к настоящему времени за счет антропогенных факторов концентрация двуокиси углерода (СО₂) в атмосфере планеты (0,04% - 400 ppm) грозит человечеству в ближайшие десятилетия опаснейшими экологическими последствиями. Опасность соотносится в первую очередь с ожидаемым повышением средней температуры воздуха более чем на 2°С (парниковый эффект) в случае превышения концентрации СО₂ значения 0,05% (500 ppm). Что, как ожидается, должно сопровождаться повышением уровня океана (затоплением территорий), засухами и метеорологической неустойчивостью атмосферы (ураганы, торнадо и т.д.).

По мнению экологов ограничение потепления величиной 2°C (характеризующей опасное изменение климата) уже невозможно без прекращения экономического роста в развитых и развивающихся странах. Социальная неприемлемость стратегии прекращения экономического роста вынуждает страны либо обходить тем или иным способом нормативы парижского соглашения (через покупку квот - ЕС, Япония), либо вовсе выходить из него (США). В реальности ситуация воспринимается настолько трагично, что стали появляться глубоко конфликтные стратегии бойкота инвестиций в экономику либо стратегии антироста экономики цивилизации, чреватые непредсказуемыми социальными последствиями.

Среди экологов существует также мнение, что эти алармистские настроения основаны на сомнительных экстраполяциях и/или на неубедительном численном моделировании сложнейших планетарных метеорологических процессов, порожденных повышением концентрации СО₂ в атмосфере. При этом сам факт нарастания концентрации двуокиси углерода, как следствия антропогенных причин, никто сомнению не подвергает, поскольку он выявлен и многократно подтвержден прямыми инструментальными исследованиями.

                                                                                                                                         2.   Гуманитарный кризис

Но помимо экологической опасности развития парникового эффекта, существует еще одна не менее серьезная, и при этом совершенно бесспорная для человечества опасность, порожденная нарастанием уровня СО₂ в атмосфере.

В мировой медицине существует полное единомыслие и согласие в вопросе о вреде повышенных концентраций двуокиси углерода во вдыхаемом воздухе. И если кратковременное (в течение нескольких часов) повышение содержания СО₂ приводит к развитию у человека преходящего симптомокомплекса, характеризующегося головной болью, усталостью, нарушением концентрации внимания и т.д., то длительное нахождение в условиях повышенной концентрации СО₂ (от нескольких часов до нескольких лет) способно привести к нарушению гомеостаза в организме человека и развитию метаболического ацидоза, приводящего к заболеваниям крови и сердечно - сосудистой системы, диабету, снижению иммунитета, а также к ухудшению качества сна, неспецифическим воспалительным процессам респираторного тракта, а, в конечном счете. – к ухудшению репродуктивной функции человека и негативным изменениям в его ДНК.

Рис. 1.

Компенсаторные механизмы человека до определенной степени справляются с кратковременным повышением содержания СО₂ до 600-1000 ppm во вдыхаемом воздухе производственной среды. Однако длительное, а при развитии парникового эффекта на Земле, постоянное и значительное превышение концентрации СО₂ более 1000 ppm (0,1%) в атмосферном воздухе приведет к необратимым последствиям в виде снижения качества и продолжительности жизни человека, особенно в комплексе с другими составляющими экологической деградации на планете (Рис.1).

Объективные замеры показывают значительное увеличение (практически удвоение) концентрации СО₂ а в закрытых помещениях (так как СО₂ более тяжелый газ, чем воздух) в сравнении атмосферной концентрацией. Следовательно, прогнозируемая концентрация СО₂ в жилых, производственных и общественных помещениях, в которых современный человек проводит большую часть своей жизни, будет объективно превышать уровень 1500-2000 ррм, Такой уровень двуокиси углерода во вдыхаемом воздухе сейчас оценивается, как объективно опасный для здоровья даже в кратковременных дозах.

                                                                3.   Динамика выбросов двуокиси углерода в атмосферу Земли

Из открытых общедоступных источников известны следующие параметры, необходимые для дальнейших расчетов:

―     Масса атмосферы Земли:	5.16*1015 тонн.
―     Масса СО2 в атмосфере Земли в настоящее время (при современной концентрация 400 ppm= 0.04%):	2.06*1012 тонн.
―     Масса ежегодных выбросов СО2 в атмосферу:	5*1010 тонн.
―     Масса СО2 в атмосфере земли, соответствующая концентрации 500 ppm (соответствует увеличению средней температуры на 2°С):	3.16*1012 тонн.
―     Масса СО2 в атмосфере земли, соответствующая концентрации 1000 ppm (максимально допустимой по медицинским показаниям):	5.16*1012 тонн.

Элементарные расчеты показывают, что при сохранении существующих темпов накопления двуокиси углерода в атмосфере, критическая концентрация 500 ppm в атмосфере (экологическая катастрофа) будет достигнута уже через 15 лет. А критическая концентрация двуокиси углерода в атмосфере в 1000 ppm (гуманитарная катастрофа) будет достигнута не позже, чем через 40 лет. И даже при нулевых темпах роста экономик планеты, критическая концентрация СО₂ в атмосфере Земли будет достигнута не позднее, чем через 20 лет и 60 лет соответственно.

                                                                                                4.  Динамика добычи и расходования топлива

Современный хозяйственный уклад, использующий технологии нагревания через сжигание топлива в атмосфере, ставит человечество перед фатальной альтернативой:

• либо избежать экологической и гуманитарной катастроф, резко сократив хозяйственную деятельность, что неизбежно вызовет резкое обнищание населения, социальные потрясения и межгосударственные конфликты, чреватые мировой войной.
• либо сохранить, если не темпы роста, то хотя бы уровень производства и войти в ближайшие десятилетия в экологическую катастрофу с не менее опасными и непредсказуемыми природными последствиями.

Но ситуация оказывается еще более абсурдной, если рассмотреть динамику добычи и расходования нефти и других «условных горючих жидкостей» (битумы и т.д.) на планете. Не вдаваясь в анализ сложных и проблем нефтяной отрасли, отметим два общепризнанных и важных для данного рассмотрения факта.

 

Рис. 2.

Во-первых, мировое производство нефти в настоящий момент достигло своего максимум и в дальнейшем его объемы могут только падать (рис.2). В ближайшие 30 лет мировое производство нефти ожидаемо сократится как минимум вдвое.

Во-вторых, доступной нефти, осталось на планете не более триллиона баррелей. И в ближайшие 30 лет мировые запасы нефти, доступные для добычи с помощью существующих технологий будут исчерпаны (рис.3). И, если сохранить прежний хозяйственный уклад, то сжигать будет просто нечего. Производства придется просто останавливать. Оставшаяся и пригодная к использованию нефть будет слишком дорогой для технологий нагревания через сжигания.

Следовательно, в рамках существующего хозяйственного уклада, никакой альтернативы, даже самой трагичной, в реальности не существует. Нас ожидает не «или одна беда или другая беда», нас подстерегают все беды вместе.

Конкретно, при существующем укладе, использующем сжигание топлива в атмосфере для различных технологий нагревания рабочих тел, прогнозируются:

• экологическая катастрофа, порождаемая парниковым эффектом и перегревом атмосферы (срок - 15 ÷ 20 лет);
• гуманитарная катастрофа, порождаемая увеличением концентрации двуокиси углерода в атмосфере (срок - 30 ÷ 40 лет);
• хозяйственная и социальная катастрофа, порождаемая неизбежным сокращением производства, вызванным сокращением добычи горючего (срок - 30 ÷ 40 лет).

 

Рис. 3.

                                                                 5.  Пути и проблемы преодоление прогнозируемых катастроф

Чтобы избежать или смягчить экологическую и гуманитарную катастрофы, необходимо исключить или в максимальной степени уменьшить использование в хозяйственной деятельности технологий, требующих сжигания горючего в атмосфере. Но чтобы не допустить развития хозяйственной катастрофы, порождаемой неизбежным сокращением производства, вызванным сокращением добычи горючего, необходимо заместить технологии нагревания через сжигание в атмосфере иными технологиями, не менее эффективными и рентабельными, но экологически более приемлемыми.

Рассмотрим проблему более детально. Динамика ежегодных выбросов двуокиси углерода в атмосферу Земли (рис.4) демонстрирует ежегодный неуклонный рост.

Общий баланс поступлений СО₂ в атмосферу в 2016 году выглядит следующим образом:

• на сжигание топлива для получения электроэнергии (синий сектор рис.4) приходится примерно 38%;
• на сжигание топлива для нагрева рабочих тел в промышленных технологиях (красный сектор рис.3) приходится примерно 48%;
• на все остальное (коричневый сектор рис.4) - 4%.

Рис. 4.

В настоящее время основные усилия, направленные на ограничение или снижение выбросов двуокиси углерода, порожденных сжиганием топлива в атмосфере, прикладываются в основном к энергетике (синий сектор). Сокращение выбросов осуществляется через переориентацию энергетики с топливного ресурса на ресурсы, не требующие сжигания в атмосфере (АЭС, «зеленая энергетика», оптимизации энерготрафика и т.д.) без существенного снижения объемов вырабатываемой электроэнергии. Эти усилия несколько смягчают или отдаляют прогнозируемые катастрофы, но не устраняют их.

Но, как видно из рис.4, основной источник выбросов СО₂ в атмосферу это сжигание топлива для нагревания рабочих тел в промышленных технологиях (красный сектор рис. 3). Этот источник практически не затрагивается усилиями по сокращению выбросов. Причины очевидны – отсутствуют альтернативные экологически чистые промышленные технологии нагревания рабочих тел с приемлемыми показателями рентабельности и эффективности.

                                        6.   Технологии и проблемы объемного высокочастотного прогрева (ОВП)

Существуют и давно известны технологии нагревания рабочих тел, использующие объемный высокочастотный прогрев (ОВП) вещества. Суть этих технологий иллюстрируется (рис.5). Энергоблоком генерируется электрическая высокочастотная энергия, которая поступает в изолированную рабочую камеру. В рабочей камере создается энергонасыщенная область пространства, в которую помещается рабочее тело. Рабочее тело поглощает высокочастотную энергию и нагревается.

Рис. 5.

Технологические преимущества ОВП давно известны. Среди них отметим наиболее существенные:

• высокая энергетическая эффективность нагревания (КПД не хуже 70%). При правильном конструировании рабочей камеры греется только рабочее тело;
• мгновенная и точная управляемость процессом нагрева;
• бесконтактный характер нагрева, исключающий существование градиента тепловыделения, накаленных поверхностей и теплоносителей;
• высокоэффективный нагрев по всему объему без участия процессов конвекции или иного перемещения или перемешивания рабочего тела;
• изолированность пространства нагрева от окружающей среды, возможность безопасного нагрева при повышенном/пониженном давлении и в химически активной среде.

Наиболее удобными для технологий ОВП являются частоты коротковолнового диапазона (до 30 МГц – мягкий ОВП), обеспечивающие высокую равномерность и большую глубину прогрева вещества. Промышленная установка ОВП структурно мало отличается от обычной мощной радиопередающей станции. Разница в основном в том, что радиостанция излучает высокочастотную энергию через антенну вовне, в эфир. А устройства ОВП излучает энергию вовнутрь, в рабочую камеру. Поэтому теория и методика проектирования основных узлов и устройств ОВП также мало отличается от таковых для радиопередающих систем.

Безусловные технологические и тактико-технические преимущества технологий ОВП перед иными технологиями нагрева (через сжигание, контактный, поверхностный, конвекционный…) неоднократно подтверждались в прямых экспериментах, стендовых и полевых испытаниях демонстрационных макетов устройств ОВП промышленного и сельскохозяйственного назначения, проведенных в частности авторами доклада еще в 90-х годах. Но тогда же проявились основные недостатки устройств и технологий ОВП:

• высокая стоимость,
• низкая надежность
• малое время наработки на отказ,
• низкая ремонтопригодность,
• сложность в эксплуатации,
• большие амортизационные расходы и т.д.

В совокупности эти недостатки делали использование технологий ОВП для промышленного нагрева рабочих тел совершенно нерентабельными.

Технико-экономический анализ, проведенный в 1994 году совместно со специалистами Балтийского Государственного Технического Университета имени Д.Ф. Устинова («Военмех», г. Санкт-Петербург), показал, что для достижения приемлемой рентабельности аппаратуры ОВП любого назначения необходима иная более совершенная и экономичная элементная база (транзисторы, лампы) радиопромышленности. Технические характеристики транзисторов должны быть примерно в десять раз лучше. А их стоимость (в пересчете на 1 ватт генерируемой мощности) должна быть примерно в десять раз меньше, чем у существующей элементной базы. Если улучшение технических характеристик элементной базы прогнозировалось, то снижение стоимости не прогнозировалось в принципе, только удорожание. Работы по мягкому ОВП были повсеместно практически прекращены из-за полного отсутствия коммерчески приемлемых перспектив.

Подчеркнем, что внедрению мягкого ОВП в народное хозяйство препятствует не низкая эффективности самих технологий. И не отсутствие нужных технических решений для устройств ОВП. Препятствие носит более фундаментальный характер. Это невозможность разработки и производства аппаратуры мягкого ОВП с приемлемой рентабельностью из-за отсутствия адекватной элементной базы радиопромышленности (транзисторов, ламп).

                                       7.  Инновационная элементная база ОВП: КС-транзисторы, КС-технологии

Проблема создания адекватной элементной базы была нами разрешена к 2010 году. В России разработан новый типа активных элементов - многоструктурные сверхмощные высоковольтные высокочастотные КС-транзисторы и КС- технологии их проектирования и производства. Тематика КС-транзисторов очень объемна, поэтому в данном сообщении мы приведем только основные характеристики.

КС-транзисторы многократно превосходят существующие аналоги по всем важнейшим техническим параметрам (мощности, электрической прочности, коэффициенту усиления и т.д.) При этом стоимость КС-транзисторов в пересчете на один ватт генерируемой мощности также многократно снижена.

Рис.6 демонстрирует некоторые аспекты технико-экономической эффективности КС-технологий.

 

Рис. 6.

А рис.7 иллюстрирует эффективность использования КС-транзисторов при промышленном изготовлении базовых узлов устройств ОВП и высокочастотной энергетики иллюстрируется рис.6.

 

Рис. 7.

Разработанные в России дешевые, мощные и надежные КС-транзисторы дают возможность создавать простую и рентабельную в эксплуатации аппаратуру ОВП для нагрева рабочих тел в промышленности. Появляется экономически приемлемая возможность полного замещения объемным высокочастотным прогревом повсеместно распространенных в промышленности процессов сжигания горючего в атмосфере. При таком замещении рентабельность и эффективность самих производств по крайней мере сохраняется. А экологический вред, связанный с выбросами в атмосферу двуокиси углерода резко уменьшается или исключается.

                                                                                                                                                             8.   Заключение

Развитие процессов, связанных с продолжающимися выбросами углекислого газа в атмосферу, графически представлено на рис.8.

Рис. 8.

Очевидно, что сжигание горючего в атмосфере, как основной технологический процесс в хозяйственной деятельности человечества, неизбежно приведет к цивилизационному коллапсу в среднесрочной перспективе (20-60 лет).

Поэтому крайне необходимо заместить технологии нагревания рабочих тел путем сжигания в атмосфере горючего экологически чистыми и экономически эффективными технологиями нагревания рабочих тел. Исключительно важно, что замещающие технологии не должны снижать экономической эффективности и прибыльности существующих производств, иначе бизнес и промышленность их просто не примут.

Примером такой альтернативной технологии может быть технология объемного высокочастотного прогрева (ОВП). В настоящее время технология ОВП имеет необходимую элементную базу с высокой рентабельностью.

Преимущества предлагаемой технологии ОВП:

• технологическая эффективность, благодаря мгновенной и полной управляемости процессами нагрева;
• экономическая эффективность, благодаря кратному уменьшению потребления энергии, снижению амортизационных и эксплуатационных расходов, удешевлению производства;
• экологическая безопасность, благодаря резкому сокращению вредных выбросов в атмосферу;
• долгосрочность использования, благодаря воспроизводимости источника ОВП, в отличие от конечности запасов природных ископаемых.

Остается решить главный вопрос настоящего времени: когда мы начнем замещать сжигание в атмосфере технологиями ОВП: до наступления экологической и гуманитарной катастрофы и полного истощения доступных запасов нефти или после того, как эти катастрофы наступят.