Зелёная энергетика и покорение космоса на топливе из мусора: российские учёные получили водород из отходов
Ученые СПбГУ придумали, как получать водород из отходов химического производства. А водород — это и ракетное топливо, и топливо для зелёной энергетики. При его сгорании образуется просто вода и ничего более. А химические отходы, о которых идёт речь, образуются при производстве ацетилена. Ацетилен — это газовая сварка и резка металлов. Таких отходов в России образуется около 23 миллионов тонн в год. Эта цифра постоянно растёт, так как ацетилен важен в том же строительстве, да и вообще в промышленности. Миллионы тонн отходов нужно как-то утилизировать и без мечтаний о зеленой энергетике. Но с новым методом от российских учёных это уже даже не отходы — это просто новый ресурс.
Фото: pxhere
Двоякий водород
Концепция идеального топлива простая — при его сгорании получается много энергии, а продукты распада либо безвредные, либо легко утилизируются или разлагается на составляющие, которые и в свою очередь безвредные, или легко утилизируются, или даже могут использоваться для других реакций. Если сжигать водород, то получится просто вода. Нет копоти, нет пепла или чего-то ещё.
Человечеству разложение воды на составляющие электрическим током (электролиз) стало известно еще больше двух веков назад — постарались англичане Энтони Карлайл и Уильям Николсон, хотя они всего лишь в 1800 году сделали простой опыт с первой в мире «батарейкой», которую изобрёл итальянец Алессандро Вольта. Она состояла из слоев меди, цинка и пропитанной солёной водой ткани. Николсон и Карлайл опустили провода в воду и подключили к ним «батарейку». Провода начали пузыриться: с одного из них начал выделяться водород, со второго — кислород. Англичане поняли, что воду можно разложить на какие-то составляющие с помощью электрического тока. Но сама суть составляющих была не сразу понятна — свойства водорода изучили не сразу. С кислородом дело обстояло сложнее. Позже великий физик и химик, член Лондонского королевского общества Майкл Фарадей поставил ряд опытов с сожжением водорода и получавшейся в результате водой.
«Помнится также, что я познакомил вас вкратце с одним аппаратом, который я охарактеризовал как некий химический источник энергии или силы, устроенный так, чтобы по этим проводам передавать нам свою энергию. Тогда же я сказал, что употреблю эту энергию для того, чтобы разложить воду на части, — так сказать, разорвать ее на куски, — с целью узнать, что же, кроме водорода, содержится в воде. Ведь вы помните, когда мы пропускали водяной пар сквозь железную трубку, мы получали очень значительное количество газа, но отнюдь не столько по массе, сколько мы туда впускали воды в виде пара. Теперь нам предстоит выяснить, каково то, другое вещество, которое там имеется» — Майкл Фарадей, «История свечи. Гореть, чтобы жить».
Фарадей таким образом закрыл множество имевшихся вопросов. Его выводы можно назвать одними из самых ранних мыслей об идеальном топливе: если воду разложить на компоненты, то их можно сжечь. Если сжечь их, то получится снова вода. Воду можно разложить. И так далее. Но энергетика на водороде может быть намного эффективнее, чем просто принцип сжигания топлива ради тепловой энергии. И сложнее.
Топливо для водородных батарей
В 1838 году англичанин Уильям Грове изучал электролиз воды и в какой-то момент случайно понял, что реакция электролиза обратима. Ученый отключил элемент питания от установки для гидролиза и заметил, что электроды начали поглощать только что выделившийся газ и выработали ток. Грове сосредоточился на попытках изучить это явление, сумел повторить его и таким образом открыл электрохимическое «холодное» горение водорода, которое стало знаменательным событием в энергетике. С холодным горением нет надобности сжигать водород, чтобы затем какая-нибудь турбина или другой двигатель приводили в движение электрогенератор, что существенно повышает коэффициент полезного действия таких установок. Суть батареи заключается в том, что в ней отдельно содержатся кислород и водород. Благодаря специальной системе электродов и мембран перед тем, как атомы водорода и кислорода соединятся в молекулу воды, они «подарят» системе некоторое количество электрического тока. После этого вода покидает топливную ячейку (иногда в виде пара). Никаких других продуктов реакции нет.
Не такая и зеленая энергетика
Теперь понятно, что для зеленой энергетики есть куда более рациональное использование водорода, чем его сжигание в каких-то двигателях или турбинах. Но есть еще один фактор, который делает зелёную энергетику неэффективной – сама добыча водорода.
Насколько трамвай может быть «зелёным», если для его работы в ТЭЦ сжигают мазут в больших количествах? Насколько водородный транспорт может быть «зелёным», если топливо для него получать приходится тоже, к примеру, с помощью электричества, выработанного неэкологичным методом? Часто термин «зелёная энергетика» употребляют без знаний о том, что у водорода есть несколько цветов в этой системе (единой международной системы нет, в некоторых странах есть и розовая, фиолетовая и желтая градации). Зелёный водород — тот, который получен электролизом с применением тока от ветряков или солнечных панелей. Есть голубой водород — его получают из природного газа и других ископаемых видов топлива методом так называемой паровой конверсии метана. Это довольно популярный и относительно дешевый способ. Для него нужно сложное, но уже понятное и освоенное человечеством промышленное оборудование. На выходе помимо водорода получают угарный газ и углекислый газ.
С популяризацией зеленой энергетики предприятия всё чаще и чаще оборудуют разными системами улавливания всех продуктов реакции, но всё же метод даже с ними дает существенное количество углекислого газа. Есть ещё и «серый» водород, и он самый «грязный». Чаще всего его добывают с помощью паровой конверсии угля. От предыдущего типа это отличается лишь тем, что механизмами улавливания выбросов углекислого газа никто не пользуется. Производство серого водорода является самым дешевым и самым распространенным на сегодняшний день. Но всё же многие специалисты считают, что даже «серый» водород ненамного лучше, чем традиционное использование какого-либо ископаемого топлива.
Зелёные отходы
Почему отходов от ацетилена так много? Можно ли от него отказаться? И нужно ли будет отказываться при разложении отходов? Сегодня карбид кальция используют для получения газа ацетилена, в котором очень нуждается промышленность — этот газ используется в разных производствах от уксусной кислоты и этилового спирта до пластмассы, каучука и ракетных двигателей. С его же помощью сваривают металлические конструкции типа арматур для железобетонных конструкций. Без них в любом строительстве чего-то сложнее сарая никуда.
Ацетилено-кислородную смесь применяют для сваривания практически всех металлов, включая чёрные, цветные и их сплавы. Ацетиленовая газовая сварка активно применяется в строительно-монтажных процессах, но особое распространение она получила при прокладке труб. Мощность пламени легко регулируется, во время сварки кромки соединяемых деталей расплавляются и слегка перемешиваются. Поэтому после застывания образуется прочный шов. Проще говоря, сварка с помощью ацетилена — это просто, быстро, надёжно, дёшево. Редко какие технологии обеспечивают хотя бы два из этих параметров. И существенный недостаток: самый простой способ получения ацетилена — залить водой карбид кальция в герметичном и прочном баллоне. От реакции с водой газ и выделится. Именно с отработавшим своё карбидом кальция и научились работать специалисты из СПбГУ.
«Мы провели крупное исследование и обнаружили, что нагревание так называемого карбидного шлама, того самого остатка после реакции получения ацетилена, с определенными металлами приводит к выделению водорода. Варьируя металлы и условия реакции, нам удалось достигнуть его количественного выхода. Таким образом, остаток от гидролиза карбида может быть полностью разложен до ценного водорода и оксида металла. Это может быть использовано для переработки отхода химического производства», — объяснила аспирант научной лаборатории кластерного катализа СПбГУ Кристина Лоцман.
А дальше ученые проверили, какие металлы можно использовать в этой реакции. И несколько удивились. Если использовать кальций и разложить отходы от ацетилена, можно получить реагент для получения карбида кальция. Круг замыкается — с помощью карбида кальция можно снова получать ацетилен, отходы разлагать. Ещё предстоит работа над усовершенствованием методов и поиском новых рабочих идей для оборудования, но, учитывая саму роль ацетилена и водорода в современной жизни человека и в обозримом будущем, метод позволяет верить, что это будущее может быть светлым.
