Время новых подходов

Пришла пора ответить на вызовы, связанные с глобальным потеплением


Возможна ли в России и Сибири чистая угольная генерация? Что стране-экспортеру угля мешает делать из него ценные и полезные продукты? На эти и другие актуальные вопросы отвечает Зинфер Исмагилов, научный руководитель Федерального исследовательского центра угля и углехимии СО РАН в Кемерове, лауреат Международной премии «Глобальная энергия»-2021 в номинации «Традиционная энергетика», академик РАН.

— Зинфер Ришатович, вы получили премию за фундаментальный вклад в химию углеродных материалов, гетерогенный катализ для энергетики и борьбу с изменением климата. Что сыграло решающую роль?

— За полвека мы с коллегами из новосибирского Института катализа имени Георгия Борескова и кемеровского Института углехимии и химического материаловедения ФИЦ угля и углехимии СО РАН подготовили тысячу публикаций, получили около двухсот патентов, защитили более тридцати кандидатских и шесть докторских диссертаций. И добились значимых результатов, в том числе на международном уровне. Так, например, начиная с 1990-х совместно с японскими партнерами исследовали ряд каталитических методов получения углеродных нановолокон и углеродных нанотрубок из различных углеводородов. Разработали и запатентовали методы внедрения атомов азота в их структуру. Эти ценные твердые углеродные материалы используются в производстве суперконденсаторов для хранения электроэнергии, топливных элементов, катализаторов очистки моторных топлив, а также для упрочнения композитов, применяемых в энергетике, авиастроении, медицине и других отраслях. При этом наноматериалы производятся без сжигания природного газа и полного исключения выделения количества СО2, зато мы получаем газообразный водород — энергетическое сырье будущего.

Сегодня повышаются экологические требования к генерации, развивается водородная энергетика и топливные элементы, а значит, становится актуальной технология беспламенного низкотемпературного горения топлива. Когда при окислении водорода или углеводородов на поверхности катализаторов выделяется тепло, а вредных токсичных выбросов — угарного газа, сажи и оксидов азота — нет. Автор этого направления, кстати мой учитель, — академик Боресков (к нему в лабораторию я пришел, еще будучи студентом). Изучив механизм окисления водорода изотопными методами, мы предложили более активные катализаторы. На основе этой технологии созданы каталитические камеры сгорания и каталитические генераторы тепла. Последние, например, используют в Омске для сжигания иловых осадков сточных вод. А фундаментальные исследования продолжаем вместе с партнерами из Европы, Китая, Индии и Южной Кореи.

Еще одно важное направление — получение водорода ароматизацией метана на цеолитных катализаторах. Так называемого водорода «зеленый плюс» — без образования углекислого газа, но с производством дополнительных ценных продуктов.

К слову, один из членов Международного комитета по глобальной энергии — нобелевский лауреат британец Родней Джон Аллам предложил новую низкоуглеродную технологию сжигания угля с помощью чистого кислорода. Углекислый газ при этом не выбрасывается в атмосферу, а концентрируется и используется как теплоноситель. Пока идут опытно-промышленные испытания. Так называемый «цикл Аллама» можно опробовать в Кузбассе, добывающем больше половины всего российского угля. Тем более что в регионе созданы условия для реализации двух десятков проектов Комплексной научно-технической программы «Чистый уголь — зеленый Кузбасс».

Но бесспорный лидер по разработке чистых технологий сжигания угля — институт теплофизики имени Семена Кутателадзе СО РАН в Новосибирске. Его научный руководитель академик Сергей Алексеенко с коллегами активно разрабатывают водоугольные, пылеугольные и другие эффективные технологии генерации. Так что конкурентные преимущества у нашей российской науки есть.

— Учитывая разнообразие климата в нашей стране, уступит ли когда-нибудь традиционная энергетика в России место энергетике нетрадиционной?

— Давайте будем реалистами. Сегодня в России доля традиционной энергетики превышает 99 процентов. В то время как в некоторых странах до 20 процентов занимает генерация из возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Конечно, у нас энергопереходы будут непростыми. Достаточно вспомнить, что в США прошлой зимой пришлось отогревать обледеневшие ветрогенераторы с помощью традиционных видов топлива. Европа и Китай тоже замерзают. Потому, не отрицая новых трендов, нужно подходить к вопросу сбалансированно. Угольная генерация в Китае достигает 65 процентов, в США — 27, в ЕС — 18, а России — около 15 процентов. И еще на 20-25 лет она твердо сохранит свои позиции. В перспективе до 2050 года — уголь, вероятнее всего, будет в значительном объеме использоваться в отечественной энергетике. С применением газификации, последующим сжиганием газа, сбором и захоронением СО2.

Благодаря достижениям оте­чественной науки и технологий неуклонно будут снижаться вредные выбросы традиционной энергетики и эмиссия парниковых газов. Но не стоит обещать, что через десять лет мы перейдем на возобновляемые источники энергии — ветряные, солнечные, геотермальные, приливные генераторы, использование биомассы и петротермальную энергетику. А наиболее чистая генерация в России сегодня атомная, если, конечно, обеспечена ее безопасность. Кстати, мы разработали технологию безвредной переработки органических отходов производства тепловыделяющих элементов для АЭС. Когда масла, загрязненные соединениями урана, не сжигаются, а окисляются в кипящем же слое катализатора при низкой температуре.

— В России разрабатывают систему ценообразования на выбросы парниковых газов, а вы тем временем подготовили программу по утилизации СО2…

— Глобальное потепление грядет, и, если не принимать серьезных мер сегодня, через двадцать-тридцать лет климат изменится очень сильно. Потому большое внимание уделяется ограничению эмиссии метана и СО2. Хотя наша страна выбрасывает в воздух несопоставимо меньшие по сравнению с другими объемы углекислого газа. Китай, например, перерабатывает и сжигает около трех миллиардов тонн угля. Тогда как Россия, добывая 420-450 миллионов тонн, львиную долю экспортирует. Остальное идет на производство кокса и угольную генерацию.

Между тем весь мир выделяет гигатонны углекислого газа. И есть масса вариантов его утилизации. Многие компании уже внедряют технологии его нулевого баланса, утверждая, что при добыче нефти или газа в недра закачивается адекватное количество СО2. Метод позиционируется как стимуляция нефтеотдачи и дополнительный вклад в нулевой углеродный след при производстве топлива. Но загнать газ под землю можно только под высоким давлением, сконцентрировав. А это — энергозатраты в виде… сжигания топлива. Хорошо, если в будущем прибегнут к помощи солнечных батарей.

В рамках «Глобальной энергии» мы предложили искать альтернативные, каталитические методы получения полезных продуктов из СО2, выделяемого угольными станциями. Проект, представленный на Петербургском международном экономическом форуме-2021, вошел в десятку прорывных идей в области энергетики на ближайшие десять лет. Сегодня лишь чуть больше двухсот миллионов тонн СО2 идет на получение полезных продуктов. И производится их не так уж много, хотя потенциал большой. Есть технологии выпуска мочевины, салициловой кислоты, полимеров и стройматериалов. В Китае из СО2 и воды делают моторное топливо. А мы руководителей угольных компаний убеждаем в том, что углекислый газ — на самом деле проблема. Но когда выяснилось, что Парижское соглашение обязывает платить углеродные налоги и пошлины, подвижки наметились.

— Появится ли в Кузбассе карбоновый полигон? Изначально угледобывающий регион не попал в список пилотных территорий.

— Заявка правительством области подана. Свою лепту внесут бизнес, вузы и академическая наука. Но я считаю, что полигон должен быть многофункциональным, а не только для изучения поглощающей способности растений, лесов и ландшафта. Важен контроль эмиссии парниковых газов, их поглощения и так далее. Выделение метана и СО2 можно снижать уже на стадии извлечения сырья из недр. Использование неэффективных технологий добычи и транспортировки углеводородов тоже негативно влияет на климат. Как, впрочем, и качество используемого топлива. Золоотвалы вокруг угольных теплоэлектростанций растут и ширятся. В общем, снижать экологические последствия нужно на всех стадиях производства энергии. И заниматься очисткой образующихся продуктов сжигания.

Приведу пример длительного, но продуктивного движения от результатов фундаментальных исследований на молекулярном уровне до технологии очистки попутного нефтяного газа от сероводорода. Последний дурно пахнет и наносит огромный вред окружающей среде. Транспортировать его по трубам от каждой скважины на газоперерабатывающий завод безумно дорого, а если просто сжигать, в атмосферу попадет серная кислота. Мы провели исследования и нашли катализаторы, благодаря которым сероводород окисляется до элементарной серы, а дальше реакция не идет. Получаемая в итоге «лимонно-желтая сера» — востребованный на рынке товар. Технологию сначала опробовали на нефте- и газоперерабатывающих заводах в Татарстане, Оренбурге, Туапсе, Уфе и на других территориях. За десять лет на одном из нефтяных месторождений, добыв 70 миллионов тонн нефти, переработали и поставили потребителям более миллиарда кубов попутного топливного газа и предотвратили выброс в атмосферу 220 вагонов концентрированной серной кислоты. А если бы не наша технология, нефть бы там вообще добывать не смогли.

Или другой пример полезного использования СО2. Уже много лет в каждой из десяти теплиц хозяйства под Новосибирском эксплуатируются по две наши небольшие установки с сотовыми блочными катализаторами. Сжигая природный газ, они заменяют котельную, сети и радиаторы — согревают помещение в восемьсот «квадратов» в каждой теплице в холодное время года и подпитывают растения.

— Что нужно сделать, чтобы кузбасский уголь не только уходил за границу, а использовался для производства продуктов с высокой добавленной стоимостью? Во времена СССР такое производство развивалось, что мешает сейчас?

— Причин несколько. Мы — богатая природными ресурсами страна, у нас много газа и нефти. Производство химической продукции из них сегодня обходится дешевле. Это в КНР перерабатывают до двухсот миллионов тонн угля. Мы плотно сотрудничаем с Институтом углехимии Китайской академии наук. Средства на развитие угольных технологий там выделяет центральное правительство, фонд ориентированных технологий, местная власть и бизнес. В большой частной компании по выпуску широкого спектра продуктов углехимии и жидких синтетических топлив в провинции Шаньси — суперсовременные пилотные установки. На них отрабатывают технологии, изучая не только все стадии переработки угля, но и каталитические процессы на глубочайшем, молекулярном уровне. Директор компании пояснил: «Мы хотим быть первыми в будущем». Новая продукция — это всегда новые знания и новые компетенции.

Для развития глубокой переработки угля необходима государственная воля, долгосрочная и мощная целевая программа, поскольку по некоторым продуктам это становится вопросом национальной безопасности страны. Если хотите, настало время масштабного национального проекта. Учеными единственного в России Федерального исследовательского центра угля и углехимии СО РАН подготовлены более десяти научно обоснованных предложений по развитию технологий глубокой переработки угля в стране. Но в новой Энергетической стратегии России и Программе развития угольной промышленности до 2035 года о внедрении перспективных технологий упоминается вскользь. Инвестиции в углехимию у нас по-прежнему не предусмотрены.

— Бизнес в этом не заинтересован?

— Все работающие в России угольные компании — частные.

Большинство их живет сегодняшним днем: выкопал, отгрузил, получил прибыль. Тем не менее при постоянной поддержке региональных властей мы создали банк углей Кузбасса. Не имея возможности строить большие установки для многотоннажных производств, создаем опытно-промышленные стендовые установки. За год вырабатываем по несколько тонн продуктов, чтобы показывать их потенциальным инвесторам уже не в граммах и не на уровне пробирок. Получаем гуминовые препараты из бурых углей. Их сейчас почти не добывают, хотя это отличное сырье для агропрома, медицины и других сфер. Уже четвертый год одно из хозяйств Кузбасса засевает до ста гектаров зерновыми с применением гуматов в качестве стимуляторов роста. Урожайность выросла на 15 процентов (а на опытных делянках рост доходил и до 35).

У нас есть мощная опытная установка по производству углеродных сорбентов и серьезные наработки по очистке воды. Но объемы выпуска сорбентов в России остаются на уровне семи-восьми тысяч тонн при объемах потребления (читай, импорта) в 80-90 тысяч тонн. Страна почти не перерабатывает каменноугольную смолу, которая образуется при коксовании и содержит сотни полезных соединений. Мы эту смолу продаем за копейки в Западную Европу — Бельгию, Германию, Чехию, Испанию. Там углехимические заводы стоят среди цветущих садов и не пылят, производя продукты с высокой добавленной стоимостью. Скажем, из полимера, получаемого на основе только одного соединения — флуорена — делают дорогостоящие гибкие мониторы.

Конечно, углехимия пока не может конкурировать с нефтехимией. Однако есть масса разных вещей, которые можно получить исключительно из угля! Те же воски, углеродные волокна, сорбенты… Но мы импортируем все это, как и многое другое. Повторюсь, быстро угольную генерацию мы не закроем. Но новая генерация и новые технологии за один день не делаются. Для того чтобы через 10-15 лет появился завод по производству инновационной продукции из угля, нужно сегодня финансировать науку. И уже сейчас строить конкретные планы развития чистых угольных технологий.

Юлия Потапова


2024-МАЙНИНГ