С чем было связано возникновение интереса к водородной энергетике? Какие технические и экологические задачи необходимо решить при получении водорода? Насколько перспективное решение было предложено российскими энергетиками? Об этом рассказывает доктор технических наук Виктор Зайченко.

Люди всегда склонны к простым техническим решениям, причем одностадийным. В конце 70-х — начале 80-х годов все стали говорить о том, что на нас идет страшное потепление. Этому способствовало то, что была обнаружена над Антарктидой озоновая дыра, и сразу же сказали, что появление этой озоновой дыры связано с выбросами CO2, углекислого газа. Стали предприниматься совершенно отчаянные меры для того, чтобы это убрать.

Все такие меры, на мой взгляд, связаны с двумя вещами. Первое — это участие в интересных вещах, что для науки всегда очень интересно. Надо сделать что-то интересное. И второе — это заинтересованность в бюджетном финансировании. Надо сделать не только что-то интересное, но и получить бюджетное финансирование. Деньги были потрачены огромные. Все холодильники в Европе были переведены на озонобезопасный фреон. Огромные деньги, замечательная идея: фреона больше не будет, только озонобезопасный. А дыра продолжала расти. От этого отказались, возникли новые ощущения, новые идеи, и самая волшебная идея конца 70-х годов прошлого века — это водородная энергетика.

Все были вовлечены. Насколько я помню, на саммите Путин, когда был президентом в первый раз, встречался с секретарем Соединенных Штатов, и они обсуждали вопрос о развитии водородной энергетики в мире. В 1998 и в 2002 годах очень много говорили, что следующее — это водородный мир, мир водородной энергетики. Логика исключительно простая: при сжигании водород образует воду — только вода, никаких вредных веществ. Если вы получили водород, то вы его сожгли и получили воду. А когда вы сжигаете какой-нибудь газ, топливо, то там будут соединения типа CH. Это вредно, это поллютанты, это вообще не очень хорошо.

Потом появилась другая идея. Все говорили, что в городах очень грязный воздух, очень много машин — давайте сделаем двигатель на водороде, и все машины будут на нем ездить. Замечательная идея. Потому что будут только пары воды. В машине же — страшное дело, что на выхлопе. Это была идея создания водородного автомобиля.

Человечество всегда склонно к простым решениям. Что это значит? Давайте возьмем метан. Метан (CH4) — водород и углерод. Разделим на две части — водород будем использовать как топливо. Компания Statoil в 1996–1997 годах предложила CO2, который получается, когда разлагают метан, который нельзя выпускать в атмосферу — гениальное было совершенно решение, — закачивать в скважины отработанных нефтяных и газовых месторождений. Мы будем получать метан из природного газа, а образующийся при этом CO2 будем закачивать в скважины. Этого делать не надо, не надо нарушать баланс. Никогда не надо вмешиваться в природные вещи.

Почему сейчас развивают использование биомассы? Потому что, когда дерево упало в лесу, оно начинает гнить, и в воздух выделяются какие-то газы, которые являются продуктами гниения. Это баланс равновесия, это природная вещь. А когда вы копаете землю и достаете оттуда топливо: уголь, нефть и газ — и сжигаете, то вы не должны этого делать. Это природой не предусмотрено. Природой предусмотрено, чтобы они лежали там. Не надо закачивать CO2 в отработанные скважины. Понятие «отработанная скважина» никому не известно.

Получается интересная вещь с водородной энергетикой: давайте я буду ездить на водороде в городе, и тем самым я очень хорошо снижу выбросы в этом городе, на этой улице, где я буду ездить на водородном автомобиле. С другой стороны, я буду где-то получать водород, а там, где я буду получать водород, я буду затрачивать топливо. Это реакция, требующая расхода огромной энергии. Значит, эти выбросы я буду получать там, за городом, и интегрально у меня баланс будет один и тот же. То, что я бы получил в городе, когда бы ездил на бензине или на газе, я получу за городом, где использую это топливо для процесса получения водорода. Ничего не выиграно.

Идея оказалась не совсем хорошей. Она вовлекла очень многих исследователей, людей от науки. Хотя исходные предпосылки были замечательные, элементарные: возьми природный газ, раздели на две части, куда-то захорони углерод, а водородом будешь наслаждаться — даже с энергетической точки зрения это невыгодно. Наверное, можно говорить только о том, что водород для энергетических целей. Это еще и дорого очень. Разложение природного газа требует не только энергетических затрат, но и капитальных. Можно говорить о том, чтобы водород получался каким-то образом, вместе с чем-то. И вот это «вместе с чем-то», тот второй материал, окупало бы все затраты на получение водорода.

Такую технологию в свое время мы предложили. В чем она заключается? Мы берем биомассу, например древесину, и делаем древесный уголь — только не тот, который для шашлыков, а почище. При более высокой температуре. Что такое древесный уголь? Это пористая структура. Вообще дерево состоит на 50% из углерода, остальные — летучие, и если его прожечь в нейтральной атмосфере, то останется только пористый углерод. Это первая стадия. Вторая стадия: мы через эту пористую углеродную структуру пропускаем природный газ. При высокой температуре природный газ — он состоит из CH4 — разлагается на две вещи: C (углерод) и H2 (водород). Этот углерод из природного газа проникает в пористую углеродную структуру исходной углеродной матрицы, которая из древесины, и ее заполняет. А водород выходит — этот газообразный продукт.

Рекомендуем по этой теме:
2237
Распределенная энергетика

Что значит «он ее заполняет»? Была пористая углеродная древесная матрица, туда вошел углерод метана — получился монолит. Этот монолит состоит из углерода метана и углерода природного газа. Насколько он может быть чистым? Количество примесей, золы в древесине не больше 1,5%. Значит, вы получаете углерод чистотой 98,5%. Это нормально, это реальная вещь. Это то, что мы делали долго, и то, на чем мы даже хотели построить крупное промышленное производство. По некоторым причинам у нас не получилось.

Почему это крайне выгодно? Мы сегодня говорим, что у нас огромная проблема — такой проблемы нет нигде — это утилизация попутных нефтяных газов. Почему такой проблемы нет нигде? У нас слишком большая страна. Было бы неплохо все эти попутные нефтяные газы, которые сжигаются в факелах, как-то убрать. Тут разные цифры, я не берусь их комментировать, но то, что 10 миллиардов — это Путин сказал. 10 миллиардов кубов мы сжигаем каждый год. Причем убрать не столько с точки зрения экологии, сколько с точки зрения того, что это просто жалко. Один из вариантов, который всегда пригоден для этого, — взять этот попутный газ, направить на электростанцию и там сжечь. Но у нас есть одно «но»: очень большие расстояния. Трубу надо проложить, например, на тысячу километров, на две тысячи километров. Это дорого. Слишком большая страна.

Давайте подойдем по-другому, с точки зрения распределенной энергетики. Давайте сделаем на месте, где попутный газ, какой-то материал, очень дорогой, который будет пользоваться большим спросом на рынке. Давайте сделаем углеродный композит. Мы его назвали пироуглерод, гранулированный пироуглерод. Это чистый углерод, с чистотой 99,9%. Одновременно мы разлагаем CH4 — углерод мы используем как композит, который вместе с углеродом древесины составляет этот монолит, чистый углеродный материал, а водород выделяется. Так это можно использовать в энергетических целях. Цена этого пироуглерода окупает все затраты на получение водорода. Даже если вы этот водород просто сожжете, то цена этого пироуглерода уменьшится на 2%, потому что это продукт, который сегодня в мире необходим.

Почему он необходим? Это производство чистых сталей. Любое сталелитейное производство требует раскисления железа, для чего используется углеродный раскислитель. Если это уголь, либо кокс, либо коксовая мелочь и прочее, то это чревато тем, что впадают какие-то примеси в этот металл, и дальнейший процесс рафинирования, чтобы эту примесь убрать, стоит очень дорого. Если вы получаете чистый углеродный продукт, то это решает эти вопросы.

А где же здесь экология? Вы же все равно получили C (углерод) и сожгли. Так вы бы сожгли и природный газ, и чистый углеродный материал. Здесь абсолютный баланс. То ли вы сожгли кокс, то ли вы сожгли чистый углеродный материал. Тут баланс полностью совпадает, тут никакого выигрыша нет. Выигрыш в другом: вы сокращаете производство кокса.

Производство кокса — это одно из самых вредных производств в мире. Во-первых, это 4–5 миллиардов тонн в год. Это огромные выбросы, огромные затраты, чтобы эти выбросы пассивировать. Таких попутных газов нет ни у кого. В 1999 или в 2000 году опубликовали опрос и результаты исследования, что металлургия Западной Европы испытывает потребность примерно в 8–10 миллионах тонн чистых углеродных материалов. То есть они согласны купить сегодня 8–10 миллионов тонн. Честно говоря, мы не поверили этому делу и сказали: «Мы продаем». Они тут же, через три дня, были у нас и сказали: «Мы покупаем, но только при одном условии: вы гарантируете, что будете соблюдать определенные времена поставки». Мы — академический институт, я работаю в Институте высоких температур. Это была шутка молодого поколения, которое написало, и они тут же были у нас. Но они согласны покупать. По тем ценам — тоже шутка молодого поколения, — по которым они хотели покупать, у нас получалось, что окупаемость этого процесса меньше года, если построить промышленный объект. Меньше года вообще не может быть. Но это новая вещь, которая, мы думаем, достаточно перспективная, которая решит проблему водородной энергетики. Взял, разделил водород, заправил автомобиль — получаешь удовольствие.