Как работает химическая магия: топливо из пластикового мусора, водородные двигатели и будущее без отходов

Фото: Shutterstock.

Когда в баки машин будут заправлять не бензин, а водород? Как превратить пластиковые отходы в моторное топливо? Почему “туалетная наука” — это передовой край научной мысли? Об этом и прочих чудесах химической магии в программе «Время науки» на Радио “Комсомольская правда” говорили радиожурналист Мария Баченина, академик РАН Александр Сергеев, научный руководитель Национального центра физики и математики (НЦФМ) и их гость Антон Львович Максимов, доктор химических наук, директор Института нефтехимического синтеза имени А. В. Топчиева, профессор химического факультета МГУ. 29 мая на Общем собрании Российской академии наук Антон Львович был избран академиком РАН. Пользуясь случаем, поздравляем академика Максимова со столь высокой оценкой его заслуг перед наукой!

Директор Института нефтехимического синтеза имени А. В. Топчиева Антон Максимов, радиожурналист Мария Баченина и академик РАН Александр Сергеев в редакции "Комсомолки".

Фото: Евгения ГУСЕВА. Перейти в Фотобанк КП

ЧТО ТАКОЕ “ЗЕЛЕНАЯ ХИМИЯ”

Александр Сергеев

- Одним из участников атомного проекта был академик Игорь Васильевич Петрянов-Соколов - совершенно выдающийся человек и великий ученый. Он одним из поставил первых вопрос – а можно ли работать с материалами с прицелом на будущее? То есть мы взяли компоненты из природы, сделали материал, дальше этот материал становится частью устройства или машины, а после этого происходит утилизация. Но утилизация умная, чтобы с точностью до каждого атома и молекулы, все, что мы взяли из природы, мы могли использовать для получения других веществ. То есть, это такая зеленая химия, когда мы назад в природу-матушку ничего не возвращаем. Антон Львович, пришло ли время ставить задачу вот таким образом?

Академик Игорь Васильевич Петрянов-Соколов в 1984 г. Фото Юрия Лизунова /Фотохроника ТАСС/.

Антон Максимов

- В мире эта задача поставлена 15 лет назад - не меньше. Первоначально говорили о том, что мы должны научиться возвращать в экономику созданные органические материалы. Первоначально это делали примитивно - их сжигали, для получения энергии. Но здесь есть проблема. Когда вы что-то сжигаете, вы выбрасываете в атмосферу диоксид углерода, а это нехорошо с экологической точки зрения. Поэтому на втором этапе стали пытаться эти материалы - полимеры - перерабатывать в новое изделие. С пластиковыми бутылками это уже работает довольно хорошо. Вы сдаете бутылку, она определенным образом перерабатывается, добавляется какая-то часть нового полимера, и у вас получается новое изделие, например, новая бутылка. Третий путь - мы должны полимерные отходы, которые не можем переработать, научиться превращать в сырье для получение новых полимеров. Скажем, в Японии 7% отходов проходят химическую переработку, 25% попадают в общий рецикл, ну и остальное идет в энергетику, то есть, получается тепло. При этом доля переработки полимеров постепенно возрастает …

Александр Сергеев

- То есть, мы все меньше и меньше производим мусора?

Антон Максимов

- Да, но здесь еще вторая часть очень интересная. На самом деле возникла концепция: когда мы с вами создаем какой-то новый материал, мы сразу должны продумать его полный жизненный цикл. Если мы создаем полимер, который после использования трудно во что-то переработать — это плохой материал.

Александр Сергеев

- А меня есть один замечательный коллега из Соединенных Штатов Америки, который вот эту науку - что делать с отходами, называет «туалетная наука». И поскольку мы производим мусора все больше и больше, эта «туалетная наука» приобретает все более важную роль. Что касается атомной энергетики, то Росатом делает сейчас по-настоящему прорывной проект. Это замкнутый ядерный топливный цикл, когда радиоактивные отходы, которые образуются при получении энергии на атомных станциях, перерабатываются, а вновь созданное топливо используется дальше на атомных реакторах на быстрых нейтронах. И в целом задача выглядит так: переработать тот мусор, который мы накопили, и в природу вернуть радиационный фон, который не больше того фона, который создают радиоактивные вещества, когда мы их берем из природы. И эта задача, по-видимому, проецируется в целом и на химию?

Антон Максимов

— Вот классический пример: в 80-е годы наши отцы ездили на машинах, в которых двигатель в лучшем случае соответствовал экологическому стандарту евро-2. Это значит, не очень хороший бензин и большие выбросы. В 90-е годы это стало понятно, появились стандарты евро-3, евро-4, потом евро-5 для двигателей, соответственно, появились новые требования к топливу. И в результате возникли технологические новые процессы, которые удаляли серу, удаляли вредные вещества из топлива. Это дорого. Ясно, то что было раньше - оно дешевле. Но это плата, за то, чтобы условия нашей жизни улучшились. Чтобы мы и наши дети меньше болели. За комфорт и безопасность.

ЧТО ЗАПРАВЛЯТЬ В БАК: БЕНЗИН, ВОДОРОД ИЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО?

Александр Сергеев

- И вот тут самое время поговорить про водород, точнее про водородное топливо.

Фото: Shutterstock.

Мария Баченина

- Кстати, а что будет, когда все машины перейдут на электричество, водород и т.д. Допустим, я хозяин какого-то нефтяного гиганта - что будет с ним? Что будет с нашей экономикой? Я ведь тоже с одной сторон за экологию, а, с другой стороны, за то, чтобы зарплату получать.

Антон Максимов

- А вы знаете, почему мы переходим с нефти на электромобиль?

Мария Баченина

- Нет.

Антон Максимов

- На сегодня есть две причины. Первая состоит в том, что выбросы двигателей внутреннего сгорания – это очень небольшие концентрации, их уже очень трудно уменьшить. Это скорее проблема крупных городов. А мы все-таки хотим снизить выбросы диоксида углерода и контролировать парниковый эффект. А вторая причина состоит в том, что нефть гораздо интереснее превращать в продукты нефтехимии. Где-то лет 15 назад химики заговорили: а давайте превращать всю нефть не в топливо, а в нефтехимическую продукцию. Конечно, мы понимаем, что нефтехимия по масштабам меньше, чем нефтепереработка. В год у нас перерабатывается 4.5 миллиарда тонн нефти, а доля нефтехимии - хорошо, если 500 миллионов тонн. То есть, это процентов 10–12. Основная нефть все-таки по-прежнему уходит на топливо. Но если раньше нефтеперерабатывающие заводы использовали где-нибудь 7% нефти на производство нефтехимии, то сейчас уже стараются 15–20%. Уже появились огромные заводы, которые 40–45% нефти превращают в нефтехимию. А сейчас есть несколько проектов, которые планируют поднять эту долю до 80%. И в общем понятно, как это сделать.

Фото: Shutterstock.

Александр Сергеев

- Это глубокая переработка нефти, которая дает меньшее количество продукта, но он в разы ценнее, чем топливо.

Мария Баченина

- Александр Михайлович, вы говорили про водород. Понятно, что водород это экологически чистое топливо, но оно ведь и жутко взрывоопасное.

Александр Сергеев

- Нет, эти проблемы уже решили. И двигатели на водороде сейчас такие же, а, может быть, и еще более безопасные, чем обычные двигатели. Водородное направление очень интересно. С одной стороны, здесь вроде нет никакого энергетического преимущества. Поскольку для того, чтобы выделить чистый водород, вы должны затратить больше энергии, чем потом будете использовать в двигателях автомобилей. Но есть преимущество в плане экологии. Мы бы хотели, чтобы в мегаполисах было чисто и хорошо дышалось. Но я бы все-таки вернулся к экономической стороне вопроса. Если на эту стезю вставать – сделаем наши города чистыми и переведем транспорт на водород — это значит, что появятся объемы, которые нужно закупать. Тогда должно появиться производство, которое этот водород будет производить. Как тут развивается ситуация в мире? Прогнозируется ли большая потребность в водороде? Могли бы мы тоже стать производителями и экспортерами водорода?

Антон Максимов

- Водорода в том концентрированном виде, в котором он нам нужен, в природе практически нет. Понятно, что водород может образовываться в земной коре, но вопрос месторождений — это к геологам. А химически мы его получаем либо из воды, либо из углеводородов. Из воды это делается так: берем воду, уголь, немножко кислорода, все это нагревается и дает вам диоксид углерод и водород, который вы уже можете использовать. Этот водород называется голубым, если диоксид углерода захоронить. Но из угля обычно делают водород в Китае, а в России водород получают из углеводородов по реакции с водой. Вообще традиционно получение водорода из метана – это основа нашей азотной промышленности, промышленности удобрений.

Доктор химических наук, директор Института нефтехимического синтеза имени А. В. Топчиева, профессор химического факультета МГУ Антон Максимов.

Фото: Евгения ГУСЕВА. Перейти в Фотобанк КП

Сейчас выяснилось, что в России есть избытки водорода на многих нефтеперерабатывающих предприятиях. Но возникает вопрос транспортировки и хранения — это одна из самых главных проблем при использовании водорода. Поэтому в подавляющем большинстве случаев водород используют там, где его произвели.

АММИАК И МЕТИЛОВЫЙ СПИРТ ВЫТЕСНЯТ МАЗУТ

Александр Сергеев

- Они же маленькие, атомы водорода, они везде пролезают, портят стенки трубопроводов и так далее...

Антон Максимов

- А еще у него очень низкая плотность. И это большой недостаток. Потому что даже если вы закачаете водород в баллон при давлении 700 атмосфер, то вы будете иметь всего лишь 47 граммов водорода на литр объема.

Мария Баченина

- Если сравнивать литр водорода и литр бензина - на каком топливе машина дольше проедет?

Антон Максимов

- В перерасчете на килограмм водород имеет энергетическое содержание в несколько раз больше, чем бензин, только килограмм водорода занимает такой объем, что, грубо говоря, займет весь бензобак. Это первое. Второе, что очень важно – это КПД топлива. Если вы посмотрите бензиновый или дизельный двигатель, то там КПД превращения топлива непосредственно в движение, по разным данным, 16–25 процентов. У водородного топлива вместе с топливным элементом КПД достаточно высокий – порядка 50–52% сейчас, а потенциально он может быть существенно выше. Получается интереснее, чем бензиновый двигатель, если бы водород научились хранить компактно.

Мария Баченина

- Получается, водород - великан в стране лилипутов...

Антон Максимов

- Перевести весь транспорт на водород будет проблематично. Тут мы упираемся отчасти и в инфраструктуру - выигрыш от того, что вы на АЗС легко заправляетесь либо бензином, либо сжиженным углеводородным газом, пока существенно выше, чем выгоды от использования водородного топлива. Внутри городов, скорее всего, хорошо приживутся электромобили. А водород, как сейчас выясняется, очень интересен, когда речь идет о больших расстояниях, о каких-то специфических применениях. Например, речной флот в каком-то варианте. Водород не загрязняет окружающую среду и, в отличие от аккумуляторов, позволяет передвигаться на существенно бОльшие расстояния, работает не только при высоких, но и при низких температурах. А вот с морскими перевозками не все так просто, похоже, там проще переходить на производные водорода. К ним относят аммиак, как ни странно, и метиловый спирт.

Мария Баченина

- Подождите, там же задохнуться можно на этом судне.

Антон Максимов

- Ну, это прямо скажем, некоторое преувеличение… Аммиак, либо метиловый спирт, могут вытеснить мазут, который в общем-то является очень нехорошим топливом. У него большие выбросы и требования к нему все больше и больше ужесточаются. Ну и третий вариант - это использование водорода там, где нам нужно много энергии для химических процессов, и там, где нужен водород, как химический реагент. Речь идет о том, что в СССР называли азотной промышленностью. И это, конечно же, нефтепереработка. Потому что с помощью водорода не только улучшается качество топлива, но, самое главное, удается существенно большую долю нефти превратить в хорошее топливо. Вы, наверное, знаете, что мы обычно получаем топливо из легкой фракции нефти. А если взять среднюю фракцию, в ней уже существенно меньше водорода. И чтобы получить хорошее топливо, среднюю фракцию надо насытить водородом. Но у нефти есть еще тяжелые фракции, то, что мы называем остатками, гудроном. Чтобы эти почти твердые остатки переработать в бензиновое и дизельное топливо нужно еще больше водорода. Фактически водород позволяет превратить почти 100 процентов нефти - ну, во всяком случае 96% - в моторное топливо или в химию.

КАК ИЗ ДВУХ ВИДОВ ОТХОДОВ СДЕЛАТЬ “КОНФЕТКУ”

Александр Сергеев

- Тут, я, наверное, должен взять инициативу в свои руки и рассказать, что Антон Львович фактически был руководителем работ по очень интересной тематике. Как из двух отходов сделать конфетку. У вас есть тяжелые гудроны, которые остались как самые тяжелые фракции нефти после переработки, там много углерода и относительно мало водорода. С другой стороны, есть отходы в виде пластиковых бутылок и всяких пластиковых пакетов, которые, наоборот, относятся к очень легким углеводородам. Там углерод имеет большую концентрацию относительно водорода. И если суметь подобрать правильный катализатор, то можно одновременно и из гудрона сделать конфетку и Гольфстрим очистить от бутылок. Эта чудо было сотворено, и сейчас, насколько я понимаю, уже несколько предприятий его используют…

Академик РАН, научный руководитель Национального центра физики и математики (НЦФМ) Александр Сергеев.

Фото: Евгения ГУСЕВА. Перейти в Фотобанк КП

Антон Максимов

- В Татарии у нас работает опытно-промышленная установка.

Александр Сергеев

- Вот! На меня это сильнейшее впечатление в свое время произвело. Придумывать такую химическую магию – это высокое интеллектуальное занятие. Антон Львович, а искусственный интеллект (ИИ) вам помогает придумывать разные катализаторы?

Антон Максимов

- Я думаю искусственный интеллект через короткое время станет очень эффективным методом поиска наилучших составов катализаторов, оптимальных условий процессов. Просто потому, что промышленная установка – это идеальный объект для работы нейронной сети. У вас есть некие данные на входе - это условия процесса, концентрация, состав - и данные выхода, например, бензина или дизельного топлива. Вы набираете информацию с 5–10 установок в течение года и получаете огромный массив данных, на котором обучаете нейронную сеть. Через какой-то момент уже нейронная сеть будет вам с замечательной предсказательной силой говорить, что будет, если поменять условия на входе. Но человека, его интуицию - никто не отменял. Когда создается новый катализатор, человек все равно пользуется своей внутренней логикой. И если естественный и искусственный интеллект соединить, то могут получиться очень интересные результаты.

А второй вариант – то, что называется комбинаторная химия – это когда вы создаете специальное устройство, которое одновременно может испытать 100 или 200 катализаторов. На этой базе данных опять обучаете модель, а дальше уже она начинает вас направлять: пойти в ту или иную сторону. Это чрезвычайно интересная область. Естественно, хотелось, чтобы здесь профессиональные математики работали с профессиональными химиками. Эта смычка необходима. Потому что химики до конца не понимают, насколько легко и интересно использовать такие инструменты, как ИИ. А математики часто недопонимают некую химическую историю внутри.

Александр Сергеев

- Замечательный пас в отношении НЦФМ. Смотрите, искусственный интеллект, во-первых, это оптимизация работы реакторов. Второе – это создание новых катализаторов. Мы максимально можем использовать возможности наших высокопроизводительных компьютеров для моделирования физико-химических процессов, которые идут в реакторах. У нас в Национальном центре физики и математики есть очень интересный проект, который направлен на создание цифрового двойника физико-химических процессов. Мы сотрудничаем вместе с крупными нефтехимическими компаниями из Татарии и используем современную математику, химию и физику для оптимального подбора катализаторов и расчета работы реакторы.

Антон Максимов

- Этот же принцип работает на лекарствах и на новых материалах. Я верю, что мы будем свидетелями того, как здорово преобразится мир, который мы с помощью искусственного интеллекта сможем оптимизировать и улучшить. И хорошо, что человек не останется в стороне на этом празднике жизни, потому что без естественного интеллекта искусственный интеллект довольно трудно использовать.

СЛУШАЙТЕ ТАКЖЕ

Почему российские корабли долетают до МКС за 3 часа, а остальные за 2 дня (подробнее)