ДЕМОКРАТИЧНА УКРАЇНА НАУКА
ПОГОНЯ ЗА ВОДНЕМ
Як прогнозують фахівці, водень — паливо майбутнього. У багатьох країнах дослідження з водневої енергетики належать до пріоритетних. Так, США реалізують дві грандіозні національні програми «Автомобіль без нафти» та «Свобода від палива». Їхня мета — стати незалежними від імпорту нафти. Адже запаси вуглеводного палива закінчаться. Через скільки років це відбудеться? Відповіді різні, але ж рано чи пізно це станеться.

Першим ролі палива майбутнього удостоївся водень. Лише для розроблення транспортних засобів на водневих паливних елементах уряд Сполучених Штатів виділив $1,7 млрд, ще $1,2 млрд — для виробництва водню з кам’яного вугілля. Додамо близько $1 млрд щорічно від комерційних структур. До 2020 року кожний житель Америки матиме можливість придбати автомобіль на водневому паливі за тією самою ціною, що й на бензині. Країни Євросоюзу також мають намір на дослідження та розробку в галузі водневої енергетики витратити $5 млрд, Японія — $4 млрд. Аналогічними дослідженнями з водневої енергетики за вищої державної підтримки займаються фахівці Австралії, Індії, Канади, Китаю, Росії...
Світовий бум у сфері водневої енергетики не міг не привернути увагу фахівців НАН України. Чимало академічних і галузевих інститутів України в 60–80-х роках минулого століття успішно працювали в цій галузі. Торік президія НАНУ започаткувала цільову комплексну програму досліджень «Фундаментальні проблеми водневої енергетики». В центрі уваги хіміків, фізиків, матеріалознавців, мікробіологів, економістів — процеси синтезу водню, нові матеріали для його збереження, накопичення, транспортування та енергетичного використання.
Фахівці сподіваються на екологічну чистоту водневої енергетики, адже водень при згорянні залишає лише воду. Однак виникає запитання: де знайти щедре джерело дешевого водню?

Табель про ранги
Нині відомо два основні напрями одержання хімічного елемента номер один у промислових умовах: електроліз води (на нього тривалий час покладають найбільші надії) й хімічна конверсія органічних речовин (горючих копалин, біомаси або продуктів переробки біомаси — спиртів).
Оцінимо ситуацію, коли всі моторні палива (2 200 млн т/рік), що споживаються у світі, вдалося б замінити на водень. Завдяки енергоємності й більшому ККД водневих приводів порівняно з двигунами внутрішнього згоряння, водню в цьому разі буде потрібно 680–700 млн т/рік, тобто в 3,5 раза менше, ніж вуглеводневого палива. Проте щоб одержати цю кількість, потрібно буде як мінімум утричі збільшити виробництво електроенергії. А наростити електропотужності доведеться тому, що залишаться як мінімум існуючі споживачі (15 500 млрд кВт/год). Зрозуміло, це — поки нереальне завдання. Для обґрунтування наведемо такий факт: 60–65% світової електроенергії виробляється на теплових електростанціях, у яких спалюють горючі копалини (газ, мазут, вугілля тощо). Ці витрати суттєво зменшити буде неможливо доти, доки не винайдено надійне альтернативне джерело електроенергії, скажімо термоядерний синтез (поки що — далеке майбутнє).
Можливо, згодом удасться істотно збільшити частку електроенергії від атомних станцій та поновлюваних джерел енергії (сонячної, вітрової тощо). Однак, крім дешевої й доступної електроенергії, потрібні також промислові електролізери надвеликої потужності, розробкою яких займаються в багатьох країнах світу.
Що буде з викидами вуглекислого газу? Вони невпинно призводять до погіршення екологічної ситуації на планеті, глобального потепління. В результаті спалювання вуглеводних моторних палив в атмосферу Землі щороку виділяється майже 7 млрд т вуглекислого газу. Оцінимо, скільки його виділятиметься за найпростішим ланцюжком: мазут > електроенергія > електроліз > водень. Близько 11,5 млн т/рік! Тож «екологічно чиста» електролізна технологія одержання водню призведе до суттєвого погіршення на планеті — вуглекислого газу виділятиметься майже вдвічі більше.
Отже, хочемо ми того, чи ні, але перехід на водневе паливо в найближчі десятиліття зажадає водневої переорієнтації нафто-, газо- і, можливо, вуглепереробної промисловості. Інакше кажучи, індустрія, котра з горючих копалин одержує моторні палива, мусить виробляти, головним чином, водень для потреб нової енергетики. Тоді можна буде позбутись забруднення великих міст.
Як це зробити? Існує кілька промислових шляхів одержання водню з нафти, вугілля, біомаси та природного газу. Візьмемо природний газ, оскільки в ньому природою акумульовано найбільший вміст водню порівняно з іншою воденьутримуючою сировиною. Тут найпростішим рішенням буде одержання водню за парової конверсії метану — основної складової природного газу. Підраховано, що об’єм природного газу, необхідний для виробництва тих же 680 млн т водню, складе близько 1800 млн т. Перспективний, але досі маловивчений процес спеціального окиснення природного газу.
У результаті використання перелічених технологій одержання водню можна досягти рівня загальних викидів вуглекислого газу 6–7 млн т/рік. Та якщо добуватимемо водень з нафти або вугілля, то екологічний виграш стане суттєво меншим (у них нижчий вміст водню порівняно з природним газом).
Отже, такий шлях переходу до водневої енергетики потребуватиме переорієнтації нафто- і газопереробної промисловості на виробництво водню. Для цього знадобиться майже стільки ж корисних копалин, скільки їх потрібно нині. Одначе пророкувати глобальний перехід на водневу енергетику за реального скорочення вуглеводневих ресурсів і невпинного зростання попиту на паливо теж не доводиться. Йтися може про вирішення нагальних локальних проблем постачання паливом автотранспорту на регіональному рівні або в окремо взятих країнах. А заява президента США Буша про те, що американці до 2020 року пересуватимуться на водневих автомобілях, нагадує обіцянку Хрущова побудувати комунізм до 1980-го.

Вихід із глухого кута
Отже, безвихідь? Адже розвідані родовища водню невідомі. Але, можливо, їх просто не шукали?.. Людство спалювало спочатку дрова, потім торф і вугілля, далі нафту, метан... Де ж на планеті концентрується водень?
У 70-х роках минулого століття молодий геолог (нині — доктор геолого-мінералогічних наук) Володимир Ларін запропонував нову металогідридну концепцію будови ядра Землі. Відповідно до його обґрунтувань виділення водню характерно для так званих рифтів, тобто глибинних розломів, що проходять по дну океанів і морів, рідше виходять на поверхню. Водень у цих розломах — свідчення постійної дегазації планети.
На думку доктора геолого-мінералогічних наук Олександра Портнова, справжніми потенційними родовищами водню є вулкани. Вони діють на Землі мільярди років, до них тягнуться від кордонів рідкого ядра й нижньої мантії природні газогони, що дренують ядро планети.
Виходить, у її надрах містяться величезні запаси водню — основи будівельної «цегли» Всесвіту. На Землі налічується близько 1300 діючих вулканів. Більшість їх сховано на дні океанів і морів. Є вони й у Чорному та Азовському морях. Нещодавно морські геологи завершили дворічні роботи за програмою НАНУ «Мінеральні ресурси України та їх видобування», у межах якої вивчалися нафто- і газоносні ділянки Азово-Чорноморського басейну. Так, у акваторії Чорного моря виявлено чимало грязьових вулканів і потужних газових факелів, що є чіткими ознаками наявності вуглеводнів і газів (метану, водню, сірководню...)... Таких вулканів виявлено близько 50. Причому за активністю викидів газів деякі з них нагадують каспійські, де згодом було засновано великі нафтові й газові промисли, вважає головний морський геолог України академік НАНУ Євген Шнюков. Із районом, у якому можна почати підготовку до розробки першого в Чорному морі родовища газогідратів, учені визначилися. Найперспективнішою ділянкою морського дна вважається западина Сорокіна глибиною 2 км, розташована на південному сході від Ялти. Там виявлено близько 30 грязьових вулканів, зафіксовано викиди газових факелів заввишки до 800 м.
Успішне підключення до планетарних газових труб, де роль «терміналів» виконують вулканічні конуси, приведе до небувалого енергетичного прориву людства, прогнозує згадуваний О. Портнов. Зрозуміло, що гази виверження — вторинні продукти, що утворюються під час згоряння водню й метану.
Інструментальні геохімічні й геофізичні дослідження доводять, що під вулканами перебувають грандіозні стовпи нагрітої пластичної речовини діаметром десятки й сотні кілометрів, що заглиблюються на тисячі кілометрів у товщу планети, до кордону рідкого ядра й нижньої мантії. Нагрівання порід супроводжується концентрацією розсіяного газу, тобто водню й метану. У вигляді величезних пухирців ця потенційно горюча й вибухова суміш, стійка в глибинному безкисневому середовищі, піднімається нагору й формує шлях для нагрітого стовпа гірських порід. Тому вулкани — глибинні труби, по яких рухається потужний потік мантійних газів із перевагою водню, а заодно викидається розплавлена магма.
Чому лава розпечена до 1200-1500 оС? Адже геофізики давно з’ясували, що верхня мантія Землі — тверда й нагріта лише до 600–700 оС. Звідки береться величезна додаткова енергія, що створює киплячий силікатний розплав? Тепловиділяючі елементи (уран і торій) у мантії практично відсутні. Мабуть, плавлення порід пов’язане з потужними екзотермічними реакціями окиснення водню й метану, що відбуваються у жерлах вулканів. Як наслідок, чуємо страшні вулканічні вибухи й моторошне ревіння газових потоків. Але ж лава — не динаміт, вона вибухає лиш тоді, коли насичена газом. Величезна теплова енергія окиснення водню в жерлах вулканів плавить гірські породи, катастрофічно гріє атмосферу, наганяє жах на населення навколишніх міст. З історії відомі трагедії гігантських вивержень вулканів.

Вулкан замість бензоколонки?
Технічне вирішення цієї проблеми фахівці вбачають у підключенні до природних газопроводів планети шляхом буріння похилих свердловин під основою регулярно діючих вулканів. Завдання газовиків майбутнього — перехоплення неокисненого мантійного газу до того, як він згорить у жерлі діючого вулкана.
Фахівці Росії й України мають досвід буріння надглибоких свердловин. У часи СРСР був установлений світовий рекорд буріння Кольської надглибокої свердловини — 12,3 км. Він і дотепер не перекритий. 1984 року розпочалася реалізація проектів Криворізької й Дніпро-Донецької надглибоких свердловин (проектні глибини 11–12 км). Проте за відомих економічних обставин проекти законсервовано.
Буріння газових свердловин під основу вулканів не вимагає таких глибин, але технічне рішення тут непросте через агресивність глибинних газів, високі температуру й тиск. Сучасні геофізичні методи дають змогу одержати об’ємну детальну модель вулкана, обчислити точні координати підземної «газової труби» і спрямувати свердловини до визначеної мети. Глибина свердловин сягатиме кількох кілометрів. А постійне відведення газів з-під дрімаючих вулканів запобігатиме катастрофічним їх виверженням, вирішить енергетичні й екологічні проблеми Камчатки, Японії, України... Тоді вогненні вулканічні пояси Землі стануть головними джерелами енергії. Екологічно небезпечні торій, уран, вугілля, нафта втратять своє значення.

Григорій КОВТУН, член-кореспондент НАН України
також у паперовій версії читайте:

• ТЕЧЕ СВІТЛО

назад »»»