ДЕМОКРАТИЧНА УКРАЇНА НАУКА
КОЛУМБ ХХІ ст.: «БАЧУ «НОВІ ЕМІРАТИ»
Фахівці прогнозують: у недалекому майбутньому на зміну традиційним видам палива може прийти екологічно чистий водень. Для багатьох держав світу, в тому числі України, дослідження з водневої енергетики стають пріоритетними. Вони забезпечуються фінансовою підтримкою держави й бізнесових структур.

Зрозуміло, що основна мета нинішнього етапу розвитку водневих технологій — пошук шляхів зниження залежності від традиційних енергоносіїв, а головне — зменшення токсичних викидів до атмосфери під час спалювання вуглеводневого палива.

Екологічний негатив
Негативні екологічні наслідки використання нафтових палив уже очевидні у великих промислових центрах, найперше, «завдячуючи» транспорту. Так, для міста з населенням приблизно мільйон осіб на частку автотранспорту припадає десь 70% від сумарної кількості екологічно шкідливих, токсичних викидів (кілька сотень тонн на добу). Передбачається, що до 2030 року на планеті кількість автомобілів подвоїться й досягне 1,6 млрд на відміну від нинішніх 800 млн. Тож очевидно, що перехід на використання водню як моторного палива на транспорті — принадне завдання. Незаперечні переваги очікуваного палива, по-перше, в тому, що будь-яке виділення енергії з використанням водню дає сприятливе співвідношення енергія — маса. Іншими словами, водень — енергоємне паливо. Так, при згоранні його на одиницю маси виділяється майже в 3,5 раза більше тепла, ніж при згоранні вуглеводнів нафти чи вугілля. Особливо важливо й те, що при використанні водню практично не буде викиду шкідливих речовин, передовсім вуглекислого газу. Адже при згорянні водню утворюється лише вода. Ось чому водневе паливо в суспільній свідомості знайшло епітет — «екологічно чисте». Однак ще відсутні недорогі й екологічно надійні технології добування водню.

Дайош водень!
Існує два промислових джерела одержання водню. Це — електроліз води (на нього покладаються найоптимістичніші надії) й хімічна конверсія органічних речовин (горючих копалин, біомаси або синтетичних продуктів переробки біомаси — спиртів) до воденьвмісного газу (іншими словами, синтез-газу). За деякими даними, собівартість виробництва водню у США становить: 1,5 (із горючих копалин), 2,5 (електролізом), 2,9 (з біомаси) дол./кг.
Зрозуміло, що найбільшого екологічного ефекту варто чекати, коли перевести на водень увесь транспорт великих міст, адже саме там відбувається забруднення довкілля. Тож оцінимо ситуацію, коли всі моторні палива, що споживаються в світі, вдалось би замінити на водень. Ця цифра вражаюча: 2 200 млн. т/рік. Завдяки енергоємності й більшому коефіцієнту корисної дії водневих приводів порівняно з двигунами внутрішнього згоряння, водню в цьому разі буде потрібно приблизно 700 млн т/рік, тобто в 3,5 раза менше, ніж вуглеводневого палива. Щоб одержати водень за допомогою найсучасніших електролізних технологій, необхідний для заміни всіх моторних палив, потрібно буде як мінімум утричі збільшити виробництво електроенергії. А збільшити електропотужності у три рази доведеться тому, що залишаться як мінімум існуючі споживачі (15 500 млрд кВт/год). Певна річ, це поки що не реально. Для обґрунтування наведемо такий факт: 60–65% усієї світової електроенергії виробляється на теплових електростанціях, у яких спалюються горючі копалини (газ, мазут, вугілля тощо). Ці витрати суттєво неможливо буде зменшити доти, доки не винайдено надійне альтернативне джерело електроенергії, наприклад, термоядерний синтез. Це приваблива перспектива. Та передбачувана периферія термоядерних станцій настільки дорога (гігантські вакуумні камери, рідкий гелій для охолодження кабелів, рудники й збагачувальні фабрики на Місяці для видобутку там гелію-3, його доставка звідти для термоядерних станцій), що не відомо, чи буде така електроенергія рентабельною. Поки немає в світі жодної термоядерної станції, є тільки проекти, точніше, один проект — ITER (Міжнародний термоядерний експериментальний реактор). Проект розпочався в 1985 році під час зустрічі Михайла Горбачова й Рональда Рейгана, коли слід було відволікти американського президента від небезпечної для СРСР ідеї «зоряних воєн». США перейнялися ідеєю спорудження в міжнародній кооперації реактора на реакціях термоядерного синтезу, який відбувається на Сонці. Втім, згодом американці вийшли з проекту. Вже обрано майданчик для будівництва експериментального реактора в містечку Кадараші (Франція). Робота тут почалася 2007-го й триватиме вісім—десять років. Проект обійшовся людству в кілька мільярдів доларів.
Не виключено, що можливо згодом удасться 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, розробка яких здійснюється в багатьох країнах світу, але й дотепер ще не вийшла зі стадії дослідно-конструкторських робіт.

Годі розігрівати планету
Наступний важливий фактор — викиди вуглекислого газу, що невпинно ведуть до глобального потепління на планеті. Адже дослідження засвідчили, що протягом останнього сторіччя Земля розігрілася на один градус вище від середніх показників. Науковці прогнозують, що в найближчі 50 років температура підвищиться ще на 3–10 °С, це призведе до тяжких наслідків не лише для планети, а й для всіх, хто її населятиме. Вже тепер унаслідок спалювання вуглеводневих моторних палив у атмосферу щороку виділяється майже 7 млрд т вуглекислого газу. Оцінимо, скільки ж його виділятиметься за найпростішим ланцюжком: мазут — електроенергія — електроліз. Одержимо цифру, близьку до 11,5 млн т/рік.
Із наведених даних бачимо, що «екологічно чиста» електролізна технологія спричинить суттєве погіршення — вуглекислого газу виділятиметься майже вдвічі більше. Щоправда, надмірний вуглекислий газ можна утилізувати, скажімо, закачувати під землю: у скважини, що залишилися від видобутих нафти, газу та соленосних і вугільних шарів, які втратили промислове значення. Такі технології за кордоном (поки що у невеликих масштабах) уже використовуються. Але для цього знову-таки треба спалювати вуглеводневе паливо, щоб приводити в дію компресори за допомогою електроенергії, «під рукою» має бути придатний підземний пласт, і ще повинно виконуватися чимало інших умов. Очевидно, перспективніший шлях — використання вуглекислоти як вихідної сировини для одержання корисних органічних і неорганічних сполук. До речі, основи такого перспективного напрямку утилізації вуглекислого газу успішно розробляються в Інституті фізичної хімії імені Л. Писаржевського НАН України.
Отже, перехід на водневе паливо у найближчі десятиліття потребуватиме іншого шляху — водневої переорієнтації нафто-, газо- і, можливо, вуглепереробної промисловості. Інакше кажучи, індустрія, котра з горючих копалин одержує моторні палива, повинна буде виробляти, головним чином, водень для нової енергетики. Тоді стане можливим забрати забруднення з великих міст і перенести у місця, де вироблятиметься водень.

Отже, глухий кут?
Існує кілька промислових шляхів одержання водню з нафти, вугілля, біомаси та природного газу. Для подальших оцінок візьмемо природний газ, оскільки в ньому акумульовано найбільший вміст водню порівняно з іншою воденьвмісною сировиною.
Простим рішенням буде отримання водню за допомогою парової конверсії метану — основної складової природного газу. Цей процес відомий давно. Технологічне устаткування для нього не дуже дороге на відміну від конкурентних технологій, наприклад, на основі кам'яного вугілля. Підраховано, що об'єм природного газу, необхідний для виробництва тих же 680 млн т водню, становитиме близько 1800 млн т. Другий спосіб — парокиснева конверсія природного газу. Її проводять в одному або кількох реакторах із водою й киснем, що попередньо виділений з повітря на кріогенних установках. Нарешті, перспективний, але мало вивчений технологічний процес,— спеціальне окиснення природного газу.
Унаслідок використання перелічених технологій одержання водню можна досягти рівня загальних викидів вуглекислого газу до 6–7 млн т/рік, приміром, за допомогою парової конверсії метану. Якщо виробляти водень із нафти або інших вуглеводневих джерел, то екологічний виграш буде значно меншим (у них менший вміст водню порівняно з природним газом).
Чи не простіше одержувати водень термічним розкладанням всюдисущої води? На жаль, це можливо за надто високих температур — близько 3500°С, де вміст водню у рівноважній суміші термічних перетворень не перевищує кількох об'ємних відсотків. Подібний процес може бути технічно здійснений у майбутньому. Однак слід зазначити, що прямий піроліз (розщеплення) води є привабливим технологічним процесом, хоча б через те, що крім водню, у цьому разі одержують чимало і кисню.
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 й нині. Та говорити про глобальний перехід на водневу енергетику за реального скорочення вуглеводневих ресурсів і невпинного зростання попиту на паливо теж не реально. Може йтися лише про вирішення нагальних локальних проблем постачання паливом автотранспорту на регіональному рівні чи в окремо взятих країнах. А заява Дж. Буша про те, що нове покоління американців їздитиме на водневих автомобілях після 2020 року, надто нагадує обіцянку Микити Хрущова про нове покоління радянських людей, яке житиме при комунізмі.
Виходить, ми потрапили в глухий кут?
Не зовсім. Узагалі, водень у Всесвіті — найпоширеніший хімічний елемент. А ось на Землі, як не дивно, цей елемент у вільному стані в дефіциті: лише 3–4%. Та, можливо, його все-таки більше?

Скарби під ногами
У 1970-х роках російський геолог, нині доктор геолого-мінералогічних наук Володимир Ларін висунув нову геохімічну концепцію будови ядра Землі. Як і ведеться у наукових колах, її обережно підтримали фахівці, в всякому разі, ніхто не спростував. Учений стверджує, що запасів водню багато, але до нього треба добратися. Зробити це не так складно, достатньо пробурити свердловини у потрібних місцях земної суші. Сутність гіпотези Ларіна полягає в тому, що ядро нашої планети складається переважно не із заліза й нікелю, як вважалось раніше, а з металогідридів. Точніше, з насичених воднем магнію та кремнію тільки потім — із заліза та нікелю. Наголосимо, що ніяких доказів того, що ядро Землі «залізне», немає. Вчені тільки з'ясували, що воно складається з якогось компактного металу, і вважали, що цим металом є залізо. До речі, цієї гіпотези дотримувався й академік Володимир Вернадський — перший президент Української академії наук. Зате чимало доказів металогідридної теорії. Наприклад, вулкани й земні розлами викидають у атмосферу водень. І саме так, як передбачає металогідридна концепція й усупереч тому, що постулює «залізна» гіпотеза. На підставі своєї теорії В. Ларін правильно передбачив появу в базальтових породах самородних металів. За допомогою неї пояснюються загадкові зміни густини земної мантії на глибинах 400, 670 і 1050 км. Тут повинен бути кремній, адже тільки гідридний кремній має три стрибки густини за відповідних глибинних тисків (експериментально доведено у лабораторіях).
Проте найголовніше у висновках В. Ларіна полягає ось у чому. На суші є точно встановлені місця, в яких земна кора має товщину 5–12 км (звичайно — 120–150). Це так звані зони рифтогенезу — ділянки розтягнення літосфери, тобто місця своєрідних величезних «шрамів» на поверхні Землі. Англійський геолог Джон Грегорі, який описав подібні структури в Східній Африці, назвав їх рифтами (від англ. rift — розрив, тріщина, щілина), а ланцюжки з кількох рифтів зазвичай іменують рифтовими зонами.
Ендогенні потоки водню з метаном, азотом і гелієм давно підтверджено інструментальними спостереженнями. Приміром, газ вулкана Етна з острова Сицилія складається з водню — 17%, метану — 1,0, вуглекислого газу — 28,8%, інше припадає на азот, оксиди сірки та інертні гази. А ось внесок вулканів Курильської дуги до вмісту водню в атмосфері оцінюється приблизно в 100 т/рік. Головною особливістю процесу глибинної дегазації Землі є її нерівномірність у часі й просторі. Як доведено професором Володимиром Сивороткіним із Московського держуніверситету, потоки ендогенних газів у рифтових зонах на два порядки перевершують потоки з інших геоструктурних зон. Головними каналами дегазації Землі, через які розчинені в зовнішньому ядрі гази виходять на поверхню, є світова рифтова система земної суші та світового океану.
Тож, на думку Ларіна, пробуривши в цих місцях свердловини, можна добратися до металогідридного шару. Тоді потрібний газ буде не тільки віддаватися металогідридами, а й виникати завдяки хімічним реакціям того ж кремнію або магнію з водою. Розрахунки, зроблені російськими вченими, довели: у разі достовірності металогідридної теорії ділянка в 20 км2 дасть за рік водню стільки, що ним можна буде замінити 400 млн т нафти. Це, між іншим, майже стільки, скільки нині добуває вся Росія. У 1989 році в Геологічному інституті АН СРСР відбулася нарада, де заслухали доповідь В. Ларіна й ухвалили: «Рекомендувати надглибоке буріння до 10–12 км у зоні сучасного рифтогенезу. Запропонувати як об'єкт Тункінську впадину, де буріння може мати велике значення для енергетики та екології, тому що дасть змогу оцінити й перевірити науково обґрунтовану можливість виявлення принципово нового і екологічно чистого енергоресурсу, який може скласти конкуренцію традиційним енергетичним джерелам». Тункінська впадина — місцевість неподалік від Байкалу, де товщина земної кори становить 4–6 км. На Землі подібних місць небагато. Крім цієї впадини, придатні для буріння суходільні зони є в Ісландії, Ізраїлі, на заході Канади, у США (штат Невада). Це і є нові Емірати для майбутньої водневої енергетики. Шкода, але тоді, наприкінці 80-х — на початку 90-х, країні було не до експериментальних свердловин. До речі, у Сибірському відділенні АН СРСР устигли зробити попередню техніко-економічну оцінку цього проекту. Виходило, що з десяти квадратних кілометрів можна було б одержувати 100–200 млн т умовного палива щороку. А дефіцитне «чорне золото» — нафту — варто зберегти для одержання ліків, пластмас, моторних масел...

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

назад »»»