Водородное топливо в России и энергетическая безопасность страны

Северцев Н.А., Щербаков С.А.

ВОДОРОДНОЕ ТОПЛИВО В РОССИИ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ СТРАНЫ

Рассматривается перспектива скорого исчерпания запасов нефти в России. Обосновывается возможность и необходимость организации производства искусственного углеводородного топлива. Формулируются основные задачи и этапы развития водородной энергетики в России. Все вопросы водородной энергетики рассматриваются в неразрывной связи с вопросами обеспечения безопасности производства, транспортировки и использования водорода.

1. О предстоящем исчерпании запасов нефти в России

Основными видами топлива в России в настоящее время являются природный газ и продукты переработки нефти. При этом значительная часть добываемой нефти поставляется Россией за границу. Более того, Россия является одним из крупнейших поставщиков нефти на мировом рынке. К сожалению, такое положение не может долго сохраняться. В течение ближайшего десятилетия Россию ждет падение добычи нефти на всех эксплуатируемых в настоящее время месторождениях, кроме месторождений вблизи г. Грозного.

Все месторождения нефти и газа делятся на два типа [1] - генеративные и реликтовые. В генера-

тивных месторождениях нефть и газ образуются в настоящее время при взаимодействии ювенильного водорода, выделяющегося по разломам земной коры из-под подошвы материка, с залежами известняков. Если известняки перекрыты слоями глины, в пористых пластах происходит накопление и сохранение залежей нефти и газа. Добыча нефти и газа из генеративных месторождений лимитируется скоростью их образования, но никогда не может привести к полному истощению месторождений.

Генерация нефти на основе ювенильного водорода определяется объемом поступающего водорода, а это связано с общим уровнем геотектонической активности нефтеносного региона, что проявляется, в частности, в интенсивности землетрясений - их частоте и силе. Землетрясения возникают в результате неравномерного опускания участков материков, подвергающихся эрозии на их подошвах. Интенсивность эрозии, в основном, определяется скоростью астеносферных течений под подошвами материков, вызываемых приливными силами, амплитуда которых наиболее велика вблизи экватора, а вблизи полюсов равна нулю. В процессе эрозии первичного вещества материков из него выделяется водород, выносимый астеносферными течениями в области разломов, по которым он поднимается к поверхности Земли.

Землетрясения характерны для экваториальной полосы Земли от 40° ю.ш. до 40° с.ш. К этой же полосе принадлежат генеративные месторождения основных нефтедобывающих стран мира: Индонезии, государств Персидского залива, Венесуэлы и других, в том числе, техасские месторождения США (штат Техас находится между 25° и 35° с.ш.). На краю этой полосы находятся месторождения Баку (40° с.ш.) и Грозного (43° с.ш.). Скорость образования нефти в этих месторождениях мала по сравнению, например, с месторождениями Персидского залива, но полного истощения этих месторождений в обозримом будущем (сотни и тысячи лет) ожидать не следует.

Однако основные районы нефтедобычи в России находятся за 50° с.ш. Все месторождения в этих районах реликтовые. Нефть в них образовалась, когда эти районы находились в экваториальной полосе. Вследствие дрейфа полюсов любой регион Земли с периодом около 20 млн. лет попадает в экваториальный пояс. Но в настоящее время почти вся территория России находится севернее 50° с.ш., поэтому месторождения, которые могут быть разведаны в будущем, также окажутся реликтовыми. Нефть в них больше не образуется, а та, которая образовалась 20 млн. лет назад, будет быстро выкачана.

Таким образом, при сохранении нынешнего уровня добычи и экспорта нефти Россия останется без нефти в течение ближайших десяти лет. При прекращении экспорта нефти и сокращении добычи до уровня собственных потребностей этот момент может быть отодвинут на 50 лет. Конечно, грозненские месторождения будут давать нам нефть всегда, но их продуктивность несопоставима с техасскими.

В целом, экспорт нефти из России - историческая нелепость. Когда нефть в России кончится, это будет тяжелым ударом по России, а на других странах это никак не отразится, они лишь незначительно уменьшат потребление нефтепродуктов. Ни одна страна мира не заинтересована так в поисках альтернативного нефти топлива, как Россия.

2. Об альтернативном нефти топливе для России

Широко распространено мнение, что альтернативным нефти и нефтепродуктам топливом может быть водород. Действительно, водород - это экологически чистое топливо с большой теплотой сгорания на единицу массы. Но на единицу объема при нормальном давлении теплота сгорания газообразного водорода неприемлемо мала для его использования в качестве, например, моторного топлива.

Казалось бы, можно использовать водород в качестве бытового газа, подавая его в жилые дома по существующей системе трубопроводов вместо метана. Однако это абсолютно исключено как по экономическим соображениям, так и по соображениям безопасности в силу неизбежных очень больших утечек водорода в распределительных сетях. Микрозазоры, микропоры, микротрещины, остающиеся непроходимыми для молекул метана, будут легко проходимыми для молекул водорода. При этом утечки водорода будут совершенно не заметны для людей, поскольку молекулы пахучих веществ, применяемых для «подкрашивания» бытового газа, например, метилмеркаптана, через микротрещины вслед за водородом не пройдут, они для этого слишком велики. При подаче водорода вместо метана жилой сектор города просто сгорит.

Здесь следует отметить еще одно вредное свойство водорода для распределительных сетей и трубопроводов - охрупчивание конструкционных материалов в соприкосновении с водородом. Любые стойкие к усталостному износу конструкционные материалы обязаны своей прочностью ковалентным химическим связям, которые под действием тепловых флуктуаций периодически разрываются, а потом снова замыкаются, при этом свойства материала в целом сохраняются [2]. Но атомы водорода, проникающие в любые микротрещины, присоединяясь к оборванным ковалентным связям в материале, препятствуют их обратному замыканию, что приводит к необратимой деградации конструкционного материала.

Таким образом, транспортировка водорода на большие расстояния по трубопроводам аналогично газу и нефти является бесперспективной. О больших расстояниях приходится говорить, поскольку для производства больших количеств водорода электролизом воды нужны большие количества электроэнергии из неисчерпаемых, т. е. возобновляемых, источников. К таким источникам относятся гидроэлектростанции на великих сибирских реках и ветросиловые установки на берегах морей и океанов. Электрическую энергию от них передать в европейскую часть страны невозможно, она вся перейдет в тепло по дороге. Но эту электроэнергию очень удобно использовать на месте для производства водорода. Далее водород надо подготовить для транспортировки.

Существует два принципиальных способа транспортировки водорода:

в баллонах высокого давления (1000 атм);

в конденсированном виде с помощью поглотителя.

Транспортировка водорода в баллонах по железной дороге и водным транспортом (морским и речным) - операция простая и понятная, но это потребует неусыпного контроля за состоянием баллонов высокого давления. При большом количестве баллонов операции контроля должны быть автоматизированы, что может быть успешно выполнено на современном техническом уровне [3].

Транспортировка водорода в конденсированном виде с помощью поглотителя также представляется вполне реальной. Первоначально (в 80-х годах прошлого века) предполагалось использовать в качестве поглотителей легкие металлы и хранить водород в виде гидридов, например, гидрида лития, алюмогидрида лития или борогидрида натрия. Дороговизна этих материалов и их чрезвычайно высокая чувствительность к водяным парам, требующая тщательной изоляции от атмосферы в процессах производства, транспортировки и использования, делают гидридное направление бесперспективным. Конечно, предпринимались попытки создания более эффективных и безопасных поглотителей водорода, но все они страдают принципиальным недостатком: чем сильнее химическая связь водорода с поглотителем, тем

эффективнее поглотитель, но тем труднее высвобождение водорода из поглотителя для его практического использования. Эффективный поглотитель для высвобождения водорода надо достаточно сильно нагревать, что в общем случае, например, на транспортном средстве, и неудобно, и небезопасно.

Наилучшим поглотителем водорода оказывается углерод. На один атом углерода в метане приходится четыре атома водорода, в пропане чуть меньше трех, а в предельных парафинах около двух. В зависимости от соотношения количеств водорода и углерода можно получать твердое, жидкое или газообразное топливо (в том числе, сжиженный газ). Химические связи атомов водорода и углерода очень прочные, но в большинстве случаев разрывать их нет никакой необходимости: и водород, и углерод прекрасно сгорают в составе углеводородного топлива. Конечно, если принципиально нужен чистый водород, его можно получить разложением углеводородов при высокой температуре. При этом углерод выделяется в виде кокса - тоже очень полезного продукта.

Итак, важнейшим технологическим процессом внедрения водорода в топливную промышленность является его поглощение углеродом. Но откуда брать углерод? В зависимости от решения этого вопроса развитие водородной промышленности можно разбить на два этапа.

Первый этап. Пока в России есть нефть, водород должен использоваться, в основном, для улучшения качества и увеличения количества получаемого бензина. Общеизвестно, что прямая перегонка нефти дает небольшое количество бензина. Крекинг-процесс дает большое количество низкооктанового бензина. Каталитический крекинг в присутствии водорода дает большое количество высокооктанового бензина. Этот технологический процесс хорошо отработан и было бы нелепо им пренебрегать. Водород на нефтеперегонные заводы должен доставляться в баллонах.

При наличии достаточного количества водорода на нефтеперегонных заводах должны быть дополнительно созданы производства по превращению тяжелых фракций, остающихся после каталитического крекинга, в газовое топливо: бытовой газ (метан) и сжиженный газ (пропан, бутан). Выпуск битума на

нефтеперегонных заводах должен сохраниться лишь в объемах, необходимых для производства мягкой кровли. От асфальтирования улиц и дорог надо отказаться, перейдя к их бетонированию специальными сортами бетона. Старый асфальт с улиц также со временем должен быть снят и переработан в сжиженный газ.

Таким образом, на первом этапе в качестве поглотителей водорода выступают разнокачественные углеводороды, превращающиеся в результате их переработки в различные виды высокосортного углеводородного топлива. По мере исчерпания запасов нефти возможен переход на использование в качестве поглотителя водорода углерода каменных и бурых углей. При этом будет увеличиваться в продукции заводов доля газообразного топлива, которое легче очищать от вредных примесей, содержащихся в углях.

Второй этап развития водородной промышленности в России связан с использованием для производства углеводородного топлива углерода из негорючих материалов. Например, гигантские количества углерода содержатся в обычных известняках, повсеместно распространенных на территории нашей страны. Замечательно то, что при восстановлении известняков водородом искусственным путем будет получаться натуральная нефть, ничем не уступающая нефтям, добываемым из скважин. Производство нефти целесообразно организовать вблизи источников электроэнергии и производств водорода. Полученную нефть следует транспортировать в традиционные районы нефтепереработки вместе с дополнительным количеством водорода в баллонах.

Возможность получения углеводородов из известняка и водорода находится в полном соответствии с современными представлениями химической и физической науки. Термодинамические характеристики соответствующих реакций [1] очень близки к характеристикам реакции синтеза аммиака из водорода и азота, хорошо освоенной в химическом производстве. Тем не менее, разработка промышленного способа получения нефти и строительство соответствующих заводов в отдаленных районах страны потребуют некоторого времени. Желательно и возможно уложиться в ближайшее десятилетие.

Итак, альтернативой нефти, добываемой из скважин на быстро истощающихся реликтовых месторождениях России, является нефть промышленного производства, получаемая из известняка и водорода и перерабатываемая с помощью дополнительного количества водорода в высокосортное экологически чистое топливо различных видов.

Особо следует отметить, что при таком варианте развития водородной энергетики сохраняется и эффективно используется вся существующая инфраструктура производства, хранения, транспортировки, распределения и потребления топлива. Если же использовать в качестве топлива чистый водород, от всей существующей топливной инфраструктуры необходимо отказаться и создавать ее заново на более высоком техническом уровне, что повлечет большие затраты материальных ресурсов, человеческого труда и времени.

С экологической точки зрения эти затраты были бы абсолютно напрасными. Добыча нефти в экваториальной полосе в наше время происходит в тех же объемах, в каких она изливалась на поверхность земли в доисторические времена. Если за миллионы лет этот процесс не вызвал глобальной экологической катастрофы, то и в будущем не вызовет. Искусственное производство углеводородного топлива не может ничего принципиально изменить в этом процессе по двум причинам.

Первая. Объемы искусственного производства нефти никогда не сравняются с объемами ее добычи на неисчерпаемых экваториальных месторождениях.

Вторая. Углекислый газ тяжелее воздуха. Он не накапливается в атмосфере, а поглощается водами морей и океанов. Из воды углекислота извлекается организмами, строящими коралловые рифы, и в этих рифах захоранивается на ближайшие миллионы лет. Ускорение поступления в атмосферу углекислого газа может вызвать лишь ускорение роста коралловых рифов.

Реальная экологическая опасность применения углеводородного топлива имеет локальный характер. Она связана с концентрированным сжиганием нефтепродуктов в городах. Но локальные проблемы и ре-

шать надо локально, например, развитием городского электрического транспорта, как общественного, так и индивидуального.

З.Об обеспечении безопасности водородной энергетики

При любом варианте развития водородная энергетика будет связана с эксплуатацией большого количества емкостей и трубопроводов высокого и низкого давления, высокотемпературных химических реакторов, клапанов, редукторов, запорной арматуры, насосов, мешалок, сепараторов и другого сложного технологического оборудования. Все эти виды оборудования подвержены развитию механических дефектов типа трещин и эрозии поверхностей, соприкасающихся с движущимися газами и жидкостями. Появление трещин в стенках емкостей и трубопроводов приводит сначала к утечкам газов и жидкостей во внешнюю среду, что угрожает взрывами и пожарами. Если трещины на начальном этапе не обнаруживаются, их дальнейшее развитие приводит к разрывам труб и емкостей, что сопровождается взрывами и пожарами гораздо большего масштаба. Еще опаснее появление трещин и эрозий в клапанах, дросселях и запорной арматуре, поскольку это может привести к появлению недопустимо высоких давлений в трубопроводах, емкостях и реакторах и их взрыву даже в совершенно исправном состоянии.

Мы уже отмечали выше специфическую проблему водородной энергетики - водородное охрупчивание конструкционных материалов, способствующее особо быстрому развитию трещин под действием динамических и статических нагрузок. Стенки трубопроводов и емкостей должны подвергаться 100%-ной защите от водорода с помощью специальных материалов, имеющих аморфное строение. Никакие кристаллические материалы для этой цели принципиально не годятся.

Развитие трещин и разрушение элементов оборудования резко ускоряются процессами коррозии. Защита оборудования от коррозии важна в любой отрасли промышленности, но в водородной промышленности она приобретает особое значение ввиду возможности очень тяжелых последствий, например, взрыва множества баллонов высокого давления, инициированного взрывом одного проржавевшего баллона. Это относится, прежде всего, к транспортировке водорода в баллонах на большие расстояния, но остается опасным и на всех остальных стадиях технологического процесса.

После выполнения мероприятий по предупреждению коррозии и водородного охрупчивания остается только одна, но зато принципиально неустранимая причина развития трещин в конструкционных материалах - механическая усталость под действием статических и особенно динамических нагрузок. Высокие статические нагрузки на элементы оборудования принципиально заложены в технологическом процессе в виде высокого давления, при котором водород хранится или участвует в химических реакциях.

Динамические нагрузки также могут возникать в результате нормального выполнения технологического процесса, например, заполнение и опорожнение баллонов в процессе транспортировки водорода. переход от стадии к стадии в химическом реакторе и т.п. Штатные динамические нагрузки легко рассчитываются и учитываются при проектировании технологического оборудования. Гораздо хуже обстоит дело с нештатными динамическими нагрузками, которые совершенно не нужны с точки зрения технологического процесса, возникают против воли проектировщиков оборудования и от которых практически невозможно избавиться. К таким динамическим нагрузкам относятся всевозможные паразитные вибрации технологического оборудования, возникающие, в основном, по следующим причинам:

турбулентные течения газов и жидкостей в трубопроводах и зазорах регулирующих клапанов и запорной арматуры;

динамические удары в трубопроводах при срабатывании запорной арматуры;

вибрация недостаточно сбалансированных вращающихся деталей технологического оборудования (насосы, мешалки, сепараторы и др.).

Непредсказуемость распределения паразитных динамических нагрузок, а также возможное наличие в конструкционных материалах скрытых дефектов производства исключают возможность предсказания мест развития и моментов возникновения опасных трещин. Это означает, что с учетом возможных тяжелых последствий аварий химического производства на основе водорода все технологическое оборудование от получения водорода до его использования должно быть обеспечено 100%-ным контролем текущего состояния и компьютерными системами прогнозирования и предупреждения аварий. Как стационарные производственные установки, так и передвижное оборудование (баллоны) должны быть снабжены неотделимыми от оборудования встроенными системами контроля [3].

Система контроля строится на основе большого количества миниатюрных датчиков, выполняемых по планарной кремниевой технологии, аналогичной технологии производства интегральных схем. Основными датчиками являются: датчики давления; датчики температуры;

датчики вибрации в ультразвуковом диапазоне; датчики вибрации в звуковом диапазоне.

Датчики давления и температуры - это основные датчики контроля хода технологического процесса. Кроме того, с их помощью может быть обнаружен факт утечки газа из емкости при отсутствии технологического разбора.

Датчики вибрации в ультразвуковом диапазоне - основное средство обнаружения микротрещин в момент их зарождения и слежения за их дальнейшим развитием. Причем это относится не только к стен-

кам трубопроводов и емкостей, но и к внутренним деталям различных механизмов, таким как клапаны, штоки, валы и кольца подшипников.

Датчики вибрации в звуковом диапазоне - основное средство слежения за возникновением и развитием нештатных ситуаций и режимов работы технологического оборудования:

возникновение и срыв колебаний трубопровода за счет турбулизации в них потоков жидкости и га-

за;

полное или неполное срабатывание клапанов и запорной арматуры; нарушение плавности хода трущихся деталей в технологическом оборудовании.

Перечисленные четыре вида датчиков образуют минимальный комплект, позволяющий решать задачи двух основных видов:

обнаружение возникновения трещин, слежение за их развитием и выдача обслуживающему персоналу диагностической информации о расположении трещин для их ликвидации;

обнаружение нарушений в срабатывании запорной и регулирующей аппаратуры, могущих привести к нештатному повышению температуры или давления, и выдача диагностической информации обслуживающему персоналу для своевременного устранения этих нарушений.

Ясно, что решение этих задач возможно только с помощью специальных ЭВМ, сопряженных с технологическим оборудованием и работающих по специальным программам обеспечения безопасности технологического процесса. Такие ЭВМ существуют, но программы обеспечения безопасности водородной промышленности для них должны быть созданы заново.

Наконец, следует отметить, что система связи датчиков с ЭВМ должна быть эффективной и экономной. Тысяча датчиков не могут соединяться с ЭВМ индивидуальными линиями. Разработана система связи по принципу самокоммутации абонентов, позволяющая присоединять к одной двухпроводной линии до 100000 датчиков и обеспечивающая в любой момент времени связь с датчиком как по инициативе ЭВМ, так и по инициативе датчика. Датчики находятся постоянно в дежурном режиме и связываются с ЭВМ при возникновении событий, на обнаружение которых они настроены.

Особо следует отметить, что автономные системы встроенного контроля передвижного оборудования (баллонов) структурно ничем не отличаются от систем встроенного контроля стационарного оборудования, но дополнительно снабжаются приборами бесконтактной связи для выдачи информации о предава-рийных ситуациях обслуживающему персоналу.

4. О технически безопасных производственных суперсистемах

Предлагаемая концепция обеспечения безопасности технологических процессов водородной промышленности основана на анализе физических и математических моделей процессов деградации механических систем и разработанных структурах информационно-технических систем специального назначения -систем встроенного контроля, способных собирать и обрабатывать информацию о физических признаках деградации элементов технологического оборудования с локализацией дефектов, достаточной для их быстрого устранения обслуживающим персоналом.

Технологическое оборудование, система встроенного контроля и обслуживающий персонал образуют в совокупности суперсистему с любой наперед заданной надежностью, не снижающейся с течением времени в процессе эксплуатации за счет восстановления деградирующих элементов технологического оборудования и системы встроенного контроля, а также за счет повышения квалификации обслуживающего персонала.

Высочайшая надежность суперсистемы практически исключает возможность возникновения аварийных ситуаций по техническим причинам. Однако нельзя исключить возможность аварий по причинам социального характера (войны, теракты, корыстные преступления), поэтому другим важнейшим направлением обеспечения безопасности водородной промышленности является разработка моделей возможных аварий и выработка мер, предупреждающих или минимизирующих ущерб от этих аварий. Разработка предупредительных мер должна составить содержание второго этапа работы по обеспечению безопасности водородной промышленности, поскольку эти меры существенно связаны с конкретной реализацией технологических установок и заводов в целом, их планировкой и инфраструктурой, географическим положением и геологической подосновой. Предупредительные меры должны разрабатываться вместе с проектами заводов и установок и входить в состав этих проектов.

Системы встроенного контроля также должны привязываться к конкретному оборудованию и настраиваться на конкретный технологический процесс, но основная часть их программного и аппаратного обеспечения будет независимой от конкретного оборудования, поэтому разработка систем встроенного контроля должна составить содержание первого этапа работы по обеспечению безопасности водородной энергетики, когда идет еще только научная проработка будущих технологических процессов.

5. Заключение

Проблема перехода на водородное топливо - это первая в истории человечества проблема, решение которой связано не с обычными техническими и технологическими исследованиями, а с исследованиями, прежде всего, в области безопасности технологических процессов. Технологические возможности использования водорода общеизвестны и многообразны, но подавляющее большинство этих возможностей абсолютно не реализуемы в условиях современной России по соображениям безопасности. Специфические средства обеспечения безопасности - встроенные контрольно-диагностические системы - эффективны только при применении их на высоконадежных технологических установках. Надежность и безопасность установок определяются исходными веществами и конечными продуктами химических реакций, технологическими режимами (температурой, давлением, скоростью перемешивания) и объемами внутренних полостей химических реакторов: чем меньше полости, тем безопаснее реакторы, но тем меньше их производительность.

По совокупности технических, технологических, географических, демографических и экономических факторов для России единственным перспективным, т.е. безопасным и эффективным, направлением развития водородной энергетики является производство высокосортного углеводородного топлива на основе водорода, получаемого электролизом воды в отдаленных малонаселенных районах страны и доставляемого на перерабатывающие предприятия в баллонах высокого давления. Водородно-углеводородная промышленность обеспечит страну топливом и гарантирует ее энергетическую безопасность на несколько ближайших тысяч лет. Одновременно быстрое заселение отдаленных районов России будет способствовать обеспечению ее военно-политической безопасности.

ЛИТЕРАТУРА

1. Щербаков С.А. Некоторые вопросы генерации нефти и экологические проблемы потребления нефтепродуктов. // Вестник Международного института управления. №3-4, М., Издательский дом Юпитер,

2003, с. 109-113.

2. Белянков А.Я., Зуев В.В., Кирюхин А.Д., Щербаков С.А. Геометрические модели кристаллов меди и стали и безопасность применения этих материалов. В сб. «Вопросы теории безопасности и устойчивости систем». Вып. 7, М., ВЦ РАН, 2005.

3. Северцев Н.А., Щербаков А.С., Щербаков С.А. Концепция эксплуатационной безопасности и возможности ее технической реализации. Труды международного симпозиума «Надежность и качество». Пенза. Информационно-издательский центр Пенз.гос. ун-та, 2003, с. 81-84.