воскресенье, 25 ноября 2012 г.

Энергетика на водороде — миф или реальность?



Бедственная экология мегаполисов, повышение содержания СО2 в атмосфере, потепление климата, резкое увеличение числа климатических аномалий, которые все чаще принимают форму метеорологических катастроф, — все это провоцирует разговоры о водородной энергетике как о кардинальном решении экологичес­ких проблем. Действительно, при сжигании водорода получается только чистая вода и никаких «парниковых» газов. Президенты, сенаторы, губернаторы, финансовые магнаты и прочие власть предержащие под давлением общественного мнения делают популистские заявления о пользе водорода и отпускают миллиарды долларов на разработку этого направления. Все ведущие автомо­бильные фирмы уже несколько лет как включились в соревнование по созданию лучшего автомобиля на водороде. Но почему же все это больше похоже на рекламную компанию с целью повыше­ния рейтинга, нежели на действительное стремление сделать кардинальный переворот? Оказывается, есть причина к торможению революционных преобразований, но причина эта мнимая, хотя эксперты уверены в ее объективности. Обсудим эту ситуацию.
Следует отметить, что обычный двигатель внутреннего сгорания хорошо работает на водороде. Такие автомобили еще в 1980 году на Московской олимпиаде обслуживали спортсменов на длинных дистанциях. Это были обычные микроавтобусы с обыч­ными двигателями внутреннего сгорания, у которых, помимо ба -ков с бензином, имелись емкости (дюары) с жидким водородом. Однако это уже прошлый век, а в нынешнем столетии создаются принципиально иные автомобили. Оказывается, еще в конце XIX века был известен способ получения электрической энергии не­посредственно от химической реакции водорода с кислородом, практически без выделения тепла. Уже тогда обнаружили, что ес -ли водород и кислород (кислород атмосферы) разделить проница­емой электролитической мембраной, то реакция образования во­ды на этой мембране будет проходить без горения, но с выделени­ем электрической энергии в виде создания разности потенциалов. Сегодня топливные элементы такого типа (Fuel Cells) усовершен­ствованы настолько, что именно от них получают бортовую энер­гию американские «космические челноки» в орбитальном полете.


Теперь представьте себе автомобиль, оснащенный такими топлив­ными элементами. Это электромобиль с очень компактным электро­двигателем, которому не нужны ни система питания, ни система за­жигания, ни система охлаждения, ни система смазки, ни кривошипно шатунным механизм, ни... Короче говоря, по сравнению с совре­менным двигателем внутреннего сгорания электродвигатель прост до неприличия, и поэтому он гораздо более технологичен и безотказен. Он никогда не застучит (просто стучать нечему), у него не может быть проблем с «запуском», ему не нужна коробка передач (как она не нуж­на троллейбусу). У него нет выхлопной трубы, потому что нет самого выхлопа, а потому он бесшумен, и единственное, что он выделяет во вне, это чистейшая вода, которую можно пить без всякого опасения. У такого автомобиля кондиционер или печка работают независимо от двигателя, поскольку эти устройства автономны. Если вас засыпало снегом или вы где-то безнадежно застряли, что иногда бывает, то в новом автомобиле можно неделю ждать помощи в комфортной тем­пературе без всякого риска отравиться выхлопными газами. В общем, это не автомобиль, а какая-то сказочная мечта.

На воплощение этой мечты фирма «General Motors» потратила свыше 50 млн. долларов, и в 2000-м году представила на суд пуб -лике пятиметрового (в длину) красавца «GM Precept» («precept» — наставление, предписание), способного на одной заправке водо­родом преодолевать свыше 800 км. Несмотря на свои внушительные габариты, этот чудо-автомобиль показал прекрасные динами­ческие характеристики. Близко к этому времени и другие ведущие автопроизводители поспешили продемонстрировать свои нема­лые успехи. Помимо всего прочего, автомобили на топливных элементах потрясающе экономичны, КПД их силовой установки достигает 85%, тогда как из современного бензинового двигателя нельзя выжать более 40%, остальное выбрасывается в атмосферу с выхлопом раскаленных газов. Вот так, попросту, большая часть энергии — на выхлоп, да еще в виде удушающих и отравляющих газов. Разве это не «прошлый век»? А теперь представьте, как из­менится среда обитания, когда все начнут ездить на новых автомобилях, — наши мегаполисы станут тихими и чистыми.

Итак, водород чрезвычайно привлекателен. Но почему же мы продолжаем жить по старому? Проблема в том, где этот водород взять. На поверхности планеты он существует в виде воды. Ее, ко­нечно, можно подвергнуть электролизу и получить водород. Но когда мы употребим этот водород в качестве энергоносителя, то получим меньше энергии, чем было затрачено на его производст­во. Таким образом, для перевода транспорта и энергетики на во­дород, придется сжигать больше угля и нефти, придется больше расщеплять урана, и все это для сохранения уже достигнутого уровня энергопотребления. Разумеется, станет несравненно луч­ше там, где водород будет использоваться, но экология планеты в целом начнет ухудшаться более быстрыми темпами. В этом экс­перты от энергетики видят непреодолимый тупик. К тому же полученный из воды водород (как энергоноситель) оказывается го­раздо дороже углеводородного топлива. И это, естественно, сдер­живает тех инвесторов, которых не волнуют проблемы глобальной экологии. Итак, что же получается? Водородная энергетика — это все-таки миф и чудо-автомобили никогда не заполонят наши до­роги? Но давайте немного повременим с таким суровым пригово­ром и обсудим эту проблему с новой (нашей) точки зрения.

Когда эксперты выносят свой суровый приговор, они даже не подозревают, что жестоко ошибаются, поскольку находятся в пле­ну ошибочных представлений о строении Земли. Действительно, если наша планета имеет железное ядро, а все остальное у нее си­ликатное, то о водородной энергетике лучше и не мечтать. Разуме­ется, это направление можно развивать вне зависимости от того, как устроена Земля. Можно, например, застелить Неваду солнеч­ными батареями, понаставить повсюду «ветряков», получать эле­ктрическую энергию и тратить ее на производство водорода. Но даже при самом благоприятном раскладе со всего этого мы будем иметь лишь малую долю того, что требуется, и это не спасет ни нас, ни планету.

Теперь посмотрим на проблему в свете новой концепции. Силикат­ная оболочка нашей планеты имеет мощность 150 км под континентами, Земля расширяется, в зонах рифтогенеза литосфера утоняется и бескислородные интерметаллические силициды подни­маются к поверхности в виде гигантских выступов (см. рис. 20). Су­дя по геофизическим данным, в осевых частях океана, под рифтовыми впадинами, эти выступы располагаются на глубине 1,5 км от поверхности дна. На континентах, в зонах современного рифтогенеза, они располагаются на глубине примерно 35 км. Однако мес­тами языки и гребни, отходящие от этих выступов, можно обнару­жить на глубине 3 — 5 километров (рис. 55). Если мы найдем эти ме­ста и приспособимся добывать оттуда силицида, то каждый кило­грамм этого вещества (в результате химической реакции с водой) будет давать по 1200 литров водорода и дополнительно к водороду по 13,5мега-джоулей тепла (13,5 МДж выделяются при сжигании од­ного килограмма бурого угля). Таким образом, если Земля устрое­на «по-нашему», то она позволяет добывать водород из воды, не только не затрачивая энергию, но еще и получая ее попутно и в больших количествах. Кроме того, в нашем варианте нет выбросов углекислого газа, о котором так много ведется разговоров в связи с парниковым эффектом и потеплением климата. Наш источник энергии обещает быть экологически чистым и неисчерпаемым в мас­штабах человеческих потребностей, поскольку объемы силицидов на доступных глубинах могут измеряться тысячами кубических ки­лометров. И это только языки и гребни на континентах, а в более отдаленной перспективе, возможно, человечеству достанет умения получать водород в рифтовых долинах океанов, где силициды сов­сем близко подходят к поверхности дна.

Дорогой читатель, если вы спросите меня: «Как это все обуст­роить?» — то данный вопрос не ко мне — геологу, а к специалистам технических профессий — инженерам, энергетикам, технологам и др. Могу лишь выразить надежду, что для обустройства этого не­исчерпаемого энергетического источника к пользе человека (и планеты) ничего принципиально нового придумывать не придет­ся и современный уровень развития техники окажется достаточ­ным. Отмечу только некоторую специфику в данной проблеме. Обычно температура в горных выработках растет с каждым кило­метром глубины на 25 — 30 0С, и если руды уходят глубже 2-х км и очень хочется их достать, то приходится монтировать сложную (и дорогую) систему охлаждения нижних горизонтов. По этой при­чине шахты глубже 2,5 — 3 километров становятся нерентабель­ными, даже если вы разрабатываете богатую золотую жилу.

Здесь следует вспомнить, что интерметаллические диапиры внедряются холодными (выше мы много говорили об этом). Северо-Муйский тоннель Байкало-Амурской магистрали находится в зоне современного рифтогенеза, и когда измерили температуру наверху Муйского хребта и внутри его, то градиент составил 2 0С/км! В таких местах можно забираться горными выработками на глубину многих километров, и все равно будет прохладно. Но это Байкальская зона рифтогенеза, где повсеместно развита вечная мерзлота, препятствующая проникновению поверхностных вод на глубину. Возможно, холодные диапиры имеются в некоторых районах запада Соединенных Штатов, например в Неваде, где вы -падает чрезвычайно мало осадков (менее 1 см в год).

В большинстве других рифтогенных зон из-за проникновения воды верхние части диапиров окисляются с выделением большого количества тепла, что ведет к появлению «расплавных шляп» и ареальному магматизму. Разумеется, в таких местах шахту не по -строишь, но за пределами расплавных зон можно бурить скважи­ны и по одним закачивать в силициды воду, а по другим из зоны реакции отбирать «горячий водород» (рис. 56). Этот способ будет мало чем отличаться от технологии получения геотермального тепла, только в нашем случае производительность по теплу будет во много раз выше, да плюс к этому еще и водород. Аналогичный процесс реализуется в природе. Рифтовые зоны океанов газят водородом. В Исландии много воды, и там, в рифтовой долине, струи водорода местами вырываются со свистом. Демонстрацией этого явления планета как бы подсказывает нам: «Делай, как я». Так давайте последуем этому совету! И возможно, в недалеком бу дущем будем ездить на чудо-автомобилях по удивительно чистой планете. Я даже опасаюсь, что начнется конкуренция с животны­ми и растениями, которые ринутся осваивать мегаполисы, вос­принимая их как неосвоенное жизненное пространство (открыв­шуюся экологическую нишу). Вспоминаю стародавние времена в Москве: на окне нашей комнаты ласточки лепили гнездо, каждую весну мы их ждали, и как замечательно это было.

Предварительные технико-экономические оценки показыва­ют, что новый энергетический источник будет конкурентоспособ­ным на энергетическом рынке. И в этих оценках учитывалась только энергетическая составляющая, а положительный экологи­ческий аспект в расчет не принимался. Между тем в последнее время мне все более привлекательной представляется идея добычи силицидов подземными выработками с последующим полным переделом их в заводских условиях. В конце концов, ведь это уже готовые металлы (магний, кремний, алюминий и др.), производство которых традиционными методами требует очень больших затрат энергии и отнюдь не улучшает окружающую среду. Сплавы на основе магния хорошо обрабатываются, обладают прекрасны­ми механическими свойствами, не ржавеют, они в 1,5 раза легче алюминия и в 4,37 раза легче железа. При изготовлении автомоби­ля из сплавов на основе магния его вес уменьшится в разы. Соот­ветственно, можно будет существенно уменьшить мощность си­ловой установки при сохранении тех же динамических характери­стик. Кроме того из-за отсутствия коррозии в период эксплуата­ции после износа такого автомобиля его корпус и многие детали можно будет вновь пускать в переплавку. Так почему бы нам не использовать некоторую долю металлов по их прямому техническому назначению: в автопроме, строительных делах, на транспор­те. Только представьте: спальный вагон будет весить в 3 раза мень­ше обычного, железного, если его сделать из «электрона» (сплава магния и алюминия, в пропорции ~ 9:1). При современных ценах стоимость такого вагона баснословно велика из-за очень высоких энергетических затрат при традиционных способах получения этих легких металлов. Однако если их не требуется извлекать из окислов, а нужно только расплавить, то энергетические затраты сокращаются в 20 раз! Похоже, близится конец «железного века»? И можно не сомневаться, утилизация силицидов в заводских ус­ловиях покажет еще много плюсов, о которых сейчас мы даже не догадываемся.

Поиски интерметаллических диапиров, разумеется, имеет смысл проводить только в зонах современного рифтогенеза. И в этом деле важны буквально все виды исследований: и геологиче­ские наблюдения, и геохимия, и разнообразные геофизические методы.

Геологические наблюдения. В процессе внедрения интерметал­лических диапиров от них могут отделяться струи резковосстановленных флюидов, в основе которых водород и силаны (кремний-водородные соединения, построенные по типу углеводоро­дов). Эти силаны обладают высокой реакционной способностью. Если они попадают, например, в гранодиориты, то все темноцвет­ные минералы (содержащие окислы железа) выедаются начисто, от них остаются только дырки, около которых зерна кварца и по -левых шпатов оплавлены, а в стекле можно различить микроскопические листочки самородного железа. Еще более впечатляюще выглядят последствия контакта силанов с карбонатными порода -ми. Среди светлых известняков (а бывает — белых мраморов) появляются черные зоны графитизации в результате реакции: CaCO3 + SinHm ® CaSiO3 + C + H2. Графит в этих зонах чрезвы ­чайно мелкий (пылеватый) и ужасно пачкается, так что невозмож­но пройти и не заметить*.

* Когда все это происходит практически на поверхности, то водород улетает, а углерод выпадает в виде графитовой пыли. Но если этот процесс идет под экраном, на глубине хотя бы пер­вых километров, то я не вижу причин, которые могли бы запре­тить реакцию соединения углерода с водородом с образованием широкого спектра углеводородов: nC + mH2CnHm. При этом, заметьте, отделение водородно-силановых флюидов от диапи-ров силицидов может быть спровоцировано попаданием в них воды, имеющейся в земной коре. Это может быть также вода атмосферных осадков или гидросферы, если имеются проницае­мые зоны. Таким образом, наша концепция предполагает воз­можность образования месторождений нефти и газа без прито­ка глубинного водорода.

Если же водородно-силановая струя проела себе путь наружу, то начинаются взрывы при контакте с атмосферой, на глубине не­скольких метров и на поверхности. Результаты этого мне доводи­лось видеть на южном борту Тункинской впадины (Байкальская область рифтогенеза). Идешь по прекрасному лесу и вдруг попа­даешь на какую-то «дьявольскую лесосеку». Лиственницы в два обхвата поломаны на кусочки, как спички, и эти обломки переме­шаны с глыбами пород, которые здесь же выходят в коренном за­легании. Я долго не мог понять причину этого: на обвал или сход лавины непохоже, не тот рельеф; смерч (?), но он не способен вы­дирать метровые глыбы из коренных обнажений; сейсмический удар (?), но он не может проявиться так локально. Понимание пришло после посещения штата Айдахо (на западе США), об этом я уже упоминал выше, в разделе 8.3.

Совершенно очевидно, что силаны не могут далеко уходить от своих источников, они быстро расходуются из-за своей химичес­кой агрессивности. И если мы встречаем признаки воздействия силанов, то в этих местах диапиры силицидов, скорее всего, приближены к поверхности.

Там, где кора обводнена сравнительно слабо, ареальный магматизм при внедрении интерметаллических диапиров проявляет -ся спорадически и местами. Однако именно в таких случаях можно получить ценную информацию, особенно если удается просле­дить, куда магматическая активность стягивалась со временем. Самые поздние проявления часто бывают представлены сильно ошлакованными лавами, которые образуют миниатюрные шлако ­вые конусы и гряды (высотой не более 100 метров). По сути, из­вержения происходили в виде пены с многочисленными пузыря­ми. И если в этой вспененной лаве вам доведется встретить ксено­литы (например, валуны из четвертичных конгломератов), то вы будете поражены химической агрессивностью этой пены, и у вас не останется никаких сомнений, что газовая составляющая по­добных извержений содержала много силанов (а они не могут ухо­дить далеко от своего источника — силицидов).

Важную информацию может дать изучение рельефа — время и характер его образования. И следует иметь в виду, что некоторые положительные формы рельефа могут оказаться совсем молодыми протрузиями. Эти факты также помогают лучше понять про­цессы, протекающие на глубине (разумеется, если рассматривать их в рамках нашей концепции).

Геохимические исследования являются важной составной частью в поисках интерметаллических диапиров. Гелий — самый благо­родный газ, он не вступает ни в какие реакции. В земной коре изо­топное отношение 3Не/4Не = 10-8, в диапирах силицидов оно вы­ше на 3 порядка и составляет ~ 10-5. Поэтому, когда в выбранном регионе замеры показывают величину 3Не/4Не = 10-5, это означа­ет, что земная кора здесь очень сильно растянута (утонена) и диа-пиры силицидов дышат своим гелием наружу. Если же такие зна­чения (10-5 или близкие к ним) не обнаруживаются, то территорию следует считать бесперспективной. Беда только в том, что не все­гда можно отобрать пробы. Для этого нужно собрать пузырьки га­зов из водных источников (лучше — термальных), но этих источ­ников (с пузырьками) иногда бывает явно недостаточно.

Геофизические методы, применяемые при поисках, весьма разнообразны: магнитотеллурическое зондирование, сейсморазведка — методами отраженных и преломленных волн, гравиметрия, магнитометрия, замеры температурных градиентов. Все эти методы перечислены отнюдь не для «красного словца», а решают абсолютно конкретные задачи. Например, если магнитотеллурическое зондирование выявило на глубине зону с аномально высокой электропроводностью, то обычно это связывали с циркуляцией ми­нерализованных вод — природных электролитов. Но для такой циркуляции нужна система открытых пор и трещин, которая уменьшает плотность пород и скорости прохождения сейсмических волн. Вы делаете гравиметрию, и результаты не позволяют предполагать уменьшение плотности, а сейсмические наблюдения, напротив, выявляют высокоскоростной блок, совпадающий с зоной высокой проводимости. Следовательно, минерализован­ные воды отпадают, и одним вариантом становится меньше. Высокие скорости в сочетании с высокой проводимостью можно бы ло бы связать с наличием еще не остывшего интрузива ультраос­новных пород. Но гравиметрия не показывает также и избыточную плотность, характерную для «ультрабазитов», а замеры темпе­ратурных градиентов не позволяют предполагать высокие темпе­ратуры в аномально проводящей зоне. Соответственно, еще один вариант отпадает. И так, шаг за шагом, вы постепенно приходите к уверенности в том, что обнаружен именно диапир интерметал­лических силицидов, у которого нет «избыточной плотности», но есть высокие скорости и аномальная проводимость (заметьте, по­лупроводниковая), и есть еще кое-что, весьма необычное. Прошу меня простить, но на этом я закончу рассуждения на тему «как ис­кать эти диапиры», поскольку мне не хотелось бы до поры до вре­мени раскрывать некоторые «know how».

Итак, наша концепция открывает широчайшие перспективы в энергетическом и сырьевом аспектах и одновременно показывает возможность кардинального решения экологических проблем планеты. И если мы проявим расторопность и быстро научимся использовать открывшиеся возможности, то уже при жизни ны­нешнего поколения существенно изменим условия обитания на Земле в лучшую сторону.









Владимир ЛАРИН


_________________________________________
_______________________________________________________________