Все лайфаки любимых гаджетов здесь . Подписывайтесь на уведомления.
О водородной энергетике как о ближайшей реальности всерьез заговорили в середине 70-х годов в связи с энергетическим кризисом. Уже тогда стало ясно, что для решения задач устойчивого экономического развития надо не только искать новые источники энергии, но и совершенствовать методы преобразования в энергию уже имеющихся энергоресурсов. Речь шла о замене традиционных ископаемых видов топлива на новый энергоноситель — водород, при сжигании которого образуется только вода. Тема, которой занимаются ученые лаборатории оксидных систем Института химии твердого тела Уральского отделения РАН под руководством члена-корреспондента РАН Виктора Кожевникова, связана с развитием нового подхода к переработке природного газа — метана. Надо заметить, что метан, или СН4, — весьма прочное соединение, его не так просто преобразовать в какие-то другие полезные продукты. В настоящее время для этого метан подвергается паровому реформингу: его смешивают с водяным паром и при высокой температуре пропускают над катализатором. Метан взаимодействует с водой, продукт этой реакции — смесь монооксида углерода и водорода, так называемый синтез-газ. Синтез-газ — это хорошее сырье, из него относительно просто можно получать широкий спектр продуктов, начиная от собственно водорода и кончая жидкими углеводородами (топлива различного назначения, масла и т.п.). Основы этого процесса были разработаны еще в 20–30- е годы прошлого века немецкими химиками Францем Фишером и Гансом Тропшем. После нефтяного кризиса 70-х развитие технологий получения жидких углеводородов из ископаемого сырья получило новый импульс. Исследовательские работы по связанным с этой задачей направлениям поддерживаются такими известными компаниями, как BP, Exon, Shell. Паровой реформинг природного газа — это масштабный процесс. Для его реализации с приемлемыми экономическими параметрами требуется строительство крупных предприятий, что выливается в большие капитальные затраты, вывод из хозяйственного оборота больших территорий. Более того, он сопровождается поглощением тепла так, что для его поддержания приходится сжигать дополнительное количество газа. Таким образом, 30–40 процентов подаваемого сырья идет просто на поддержание температуры. Кроме того, синтез-газ, получаемый в процессе парового реформинга, необходимо очистить от непрореагировавших исходных компонентов и скорректировать в нем соотношение монооксида углерода и водорода, чтобы эти компоненты могли быть наиболее полно использованы на дальнейших стадиях переработки. Эти операции приводят к дополнительному снижению эффективности и удорожанию производства. Более экономичной и не такой грандиозной по масштабу альтернативой этому хорошо отработанному, классическому процессу, может быть парциальное окисление метана. Реакция, лежащая в его основе, принципиально отличается от парового реформинга, потому что идет с выделением тепла и, следовательно, может быть организована без сжигания дополнительных объемов газа. Однако, чтобы организовать такой процесс, нужен чистый кислород. Воздухом его нельзя заменить уже хотя бы потому, что в нем присутствует около 80 процентов балласта — азота, что неприемлемо ухудшает экономику процесса. Такие же аргументы экономического плана делают невозможным использование кислорода, получаемого, например, путем дистилляции сжиженного воздуха. В середине 90-х годов у исследователей созрела мысль организовать процесс с использованием керамических мембран, обладающих способностью пропускать кислород и в то же время быть непроницаемыми для азота. — В принципе, воплощение идеи кажется крайне простым — делаем из такого материала мембрану в виде трубки. Внутрь трубки подаем поток воздуха, с другой стороны — метан. Доводим температуру до 850–900°С и, пожалуйста, получаем чистый кислород на «метановой» стороне. Он окисляет метан до монооксида углерода и водорода с хорошим соотношением компонентов, а реактор греет сам себя. Но простота, как это слишком часто бывает, только кажущаяся. К материалам мембраны предъявляются очень жесткие требования — они должны выдерживать высокую температуру и резкий перепад в химических свойствах газов, омывающих мембрану, быть устойчивыми к продуктам реакции и обладать еще многими важными свойствами, — пояснил директор ИХТТ УрО РАН Виктор Кожевников. Собственно, разработка и изучение свойств материалов, которые можно с пользой применять в приборах и устройствах, а также при организации современных технологических процессов, и составляют основную тематику лаборатории оксидных систем. Что особенно радует ученых — результаты их исследований востребованы сегодня как научным сообществом, так и промышленностью. Статьи их охотно публикуют ведущие российские и международные издания, регулярно удается выигрывать гранты на проведение исследований, растет объем хоздоговорных работ. Заработанные средства позволяют приобретать современное оборудование и ряд комплектующих для создания уникальных приборов, а также поддерживать привлекательный уровень оплаты труда специалистов. В чем заключаются достижения уральских ученых? В результате фундаментальных исследований в области химии твердого тела и изучения свойств оксидов переходных металлов им удалось найти ряд соединений, которые более полно отвечают требованиям мембранного процесса парциального окисления метана, чем известные ранее материалы. Они первые в России получили синтез-газ методом парциального окисления и опробовали ряд концепций мембранных реакторов. Работа ученых счастливо совпала с интересом, который проявили к ней промышленники. В конце 2003 года президент РАН академик Юрий Осипов и генеральный директор горно-металлургического комбината «Норильский никель» Михаил Прохоров подписали комплексную «Программу научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по водородной энергетике и топливным элементам». Она включала те направления, по которым должны были вестись исследования, и намечала приоритеты. В ней оказались задействованы около 20 академических и отраслевых институтов, в том числе и Институт химии твердого тела УрО РАН. Несколько позже для реализации комплексной программы «Норникель» создал национальную инновационную компанию «Новые энергетические проекты» (НИК НЭП), которая, в настоящее время вкладывает значительные средства в развитие технологий получения, хранения и использования водорода. Основная задача компании — вывод на российский и мировой рынки изделий и технологий водородной энергетики. Конкуренция в этом научно-технологическом секторе очень серьезная, над комплексом проблем водородной энергетики работает ряд ведущих американских и европейских производителей и переработчиков нефти и газа, в исследования вовлечены большие группы специалистов из различных научных учреждений. Значение, которое придается разработкам в этой области, подчеркивает, например, недавнее решение Конгресса США об учреждении нескольких «стимулирующих премий» — четыре по миллиону долларов каждая — будут присуждаться два раза в год за важные усовершенствования в производстве, хранении и использовании водорода; за создание перспективных прототипов автомобилей на водородном топливе обещаны четыре миллиона, а за инновационный прорыв в создании водородных топливных элементов обещана премия 10 миллионов долларов. В отношении России, ряд аналитиков полагает, что, учитывая наличие у нас сильных научно-естественных школ, решение проблем водородной энергетики в нашей стране, вероятно, будет ограничено только научными разработками. Насколько верно это суждение, покажет недалекое будущее. /, 27.11.06/ |