КРЕМНИЙ И ВОДОРОД В ЭНЕРГЕТИКЕ
БЛИЖАЙШЕГО БУДУЩЕГО
На недавнем Общем собрании СО РАН обсуждались
технико-экономические проблемы использования нетрадиционной
энергетики (см. «НВС»
№ 1, 2006).
Один из основных вопросов — использование
нетрадиционного топлива для энергетических
установок. Предлагались разнообразные возможности использования
тех или иных веществ и процессов, которые могли бы конкурировать
с углеводородным топливом и углем. Упоминались возможности
использования солнечной энергии, геотермального тепла, ветра,
водорода, термоядерной энергетики. Представляется, что этот
перечень можно и нужно дополнить совершенно нетрадиционными
видами минералогического (литологического) сырья, заключающего в
себе приемлемые ресурсы тепла или его носителей.
В. Молчанов, д.г.-м.н.,
Э. Еганов, д.г.-м.н.,
В. Параев, к.г.-м.н.,
сотрудники ОИГГМ СО РАН
Тема энергетического обеспечения во все времена была и остается
одной из актуальных проблем человечества. Сегодня вопросы
энергетики проявились с полной очевидностью. Они не только
приобретают статус приоритетных направлений в научных
исследованиях, но становятся предметом серьезного обсуждения на
государственном уровне.
В конце 2005 года на заседании Совета безопасности Президент
Российской федерации В. Путин большое внимание уделил
перспективам развития нефтяной и газовой промышленности страны,
проектированию и строительству нефте- и газопроводов. Говоря о
неотложности решения обозначенных задач, он остановился также на
вопросах энергосбережения и необходимости развития альтернативных
источников обеспечения энергией.
Конкретная работа по решению поставленных задач уже начата
Российской академией наук. Нобелевский лауреат академик Ж. Алферов возглавил Совет, в задачи которого входит оценка
источников энергии, альтернативных углеводородному топливу. Не
остались в стороне от решения этих проблем и геологи Сибири.
Причем это не относится к прямому обслуживанию эксплуатации
углеводородного сырья.
До сих пор считается, что альтернативные углю и углеводородам
источники энергии (не считая атомных) — это главным образом
ветер, океанические течения, приливы, горячие источники,
температурные градиенты. Но есть и другая альтернатива. Речь
пойдет о некоторых объектах геологии (или вернее сказать —
минералогии), которые могут быть использованы взамен или в
качестве существенного дополнения к энергетике, основанной на
утилизации угля, нефтепродуктов и газа. Кратко охарактеризуем, на
наш взгляд, наиболее значимые из них.
Силикаты. В природе они встречаются в виде солей различных
кремнистых кислот (полевые шпаты, роговые обманки, слюды) и
представляют собой широко распространенные породообразующие
минералы. Силикаты используются в металлургии, при изготовлении
огнеупоров, стекла и т.д. А вот сведения о применении их в
качестве силикатного топлива весьма скудны. Заинтересованным
читателям можно порекомендовать заметку в журнале «Химия и жизнь»
(1991, № 8, с. 32-33), откуда можно почерпнуть о силикатном
топливе много любопытного. Например, его теплотворная
способность многократно превышает показатели известных
энергоносителей: один килограмм силикатного топлива эквивалентен
одной тонне(!) мазута.
Производство силикатного топлива уже освоено и ведется в
достаточных масштабах. Это топливо регенерируется с затратами
едкого натра и кремнезема. Оно возгорается только при участии
второго компонента — карбида кремния, т.е. энергетические
установки безопасны в пожарном отношении.
Приведенных сведений вполне достаточно, чтобы утверждать:
силикатное топливо должно потеснить ядерную энергетику хотя бы
потому, что утилизация отработанного материала ядерных установок
представляет большую проблему.
Силиций и водород. Водородная энергетика уверенно входит в
современность. Производство водорода из воды и его аккумуляция — насущные
технические задачи. Вытеснение водорода при реакции
кремния, ферросилиция и алюминия с водой в механохимических
реакторах — одно из перспективных направлений уже сегодняшнего
дня. Развитие металлургии кремния — насущная задача еще и
потому, что кремниевые солнечные батареи — наиболее развитый
источник нетрадиционной энергетики.
Термо-ЭДС. Источники электроэнергии, использующие разность
температур, в силу своей маломощности вряд ли способны обеспечить
потребности даже малого поселка, да и производят они не
употребляемый в быту и в промышленности постоянный ток. Однако их
применение для производства водорода с последующим сжиганием его
в парогазовых турбинах может оказаться перспективным.
Гидриды и карбиды. Гидрид кремния — самый привлекательный
реагент для производства водорода. Карбид кальция уже сейчас
можно применять как генератор газа в автомобилях, приспособленных
для работы на газе. Скажем, уже сейчас на ацетилен или водород
можно переводить питание автомобилей, приспособленных к газовому
топливу. Моторы, питающиеся от генератора ацетилена или водорода,
менее взрывоопасны, чем газобаллонные. Однако более перспективным
видится применение двухступенчатого воспламенения топлива в
дизельных моторах. Первая ступень — воспламенение от искры
порции газа (водорода или ацетилена), поступившего в цилиндр
вместе с воздухом, вторая ступень — воспламенение дизельного
топлива, впрыскиваемого в пламя. Двигатели с двухступенчатым
воспламенением уже доказали свое преимущество: повышением
мощности, экономией топлива, чистотой выхлопа и более «мягкой»
работой мотора.
Глины. Глинистые породы представляют собой тонкообломочные
осадочные образования, часто в виде смеси глинозема (оксид
алюминия) с кремнеземом (двуокись кремния). Они-то, по нашим
представлениям, и могут стать неисчерпаемым источником энергии на
Земле. Дело в том, что любая горная порода в экзогенных условиях
(т.е. на дневной поверхности под действием солнечной энергии и
агентов выветривания) превращается в глины, а в конечном
итоге — в простые оксиды алюминия, кремния и железа.
Известно, что минералы высокого энергетического потенциала
образуются на дневной поверхности путем аккумуляции солнечной
энергии в процессе измельчения. Эти свойства накопления
минеральным веществом солнечной энергии академик Н. Белов
рассматривал как геохимические аккумуляторы. Химическая суть
данного эндотермического процесса заключается в выносе щелочей.
Аккумуляция же солнечной энергии обусловлена изменением межионных
расстояний в кристаллической решетке. Из расчетов известно, что
при превращении полевых шпатов в глину свободная энергия
продуктов разложения возрастает более чем на 1000 килокалорий.
Обратный же процесс — воссоединение глинозема и кремнезема со
щелочами — должен протекать уже с выделением энергии.
Лабораторное моделирование образования около 300 г полевого шпата
сопровождается выделением свыше 1000 килокалорий. Такого
количества тепла достаточно, чтобы нагреть примерно 1 кг породы
до 1000 градусов или 10 литров воды довести до кипения.
Подготовленные природой глины, слюды, глинозем и кремнезем по
сути своей есть готовое минеральное топливо. Его «поджигание»
через взаимодействие со щелочами — это уже чисто техническая
задача. Известный литолог А. Перельман утверждал, что глины — более
высококалорийное топливо, чем уголь, только глину поджечь
трудней.
Есть основание полагать, что вулканизм с физико-химических
позиций представляет собой процесс воссоединения простых оксидов
и глинистых минералов с утерянными щелочами, которое и происходит
в вулканическом очаге. Процесс начинается и поддерживается
поступлением щелочных флюидов. Подачу «топлива» в очаг
обеспечивает тектоника путем поддвига морских осадочных
образований по линии подворота океанических плит под
континентальные. Горение в вулканическом очаге сопровождается
выделением паров воды и вулканических газов, а само извержение
вулкана есть ни что иное, как освобождение «топки» от
накопившихся шлаков.
Между вулканическим очагом и современным «котлоагрегатом»
просматривается прямая аналогия. В связи с этим изучение
принципов химизма и механизма вулканических аппаратов открывает
благоприятную перспективу «приручения» вулканов к «домашним
условиям» и использования безграничных запасов минерального
топлива, уже подготовленного природой.
В качестве итога предлагаются неотложные задачи ближайшего
времени:
1. Без промедления начать развивать производство кремния,
захватывая мировой рынок этого продукта. Потребности в
элементарном кремнии и его цена в процессе налаживания утилизации
должны возрастать многократно.
2. Расширять производство силикатного топлива. Строить
электростанции на силикатном топливе.
3. Развивать газификацию на основе производства синтетического
газа или карбидов из каменного угля, сокращая затраты на
газопроводы от месторождений газа.
4. Искать и разведывать новые месторождения минерального сырья
для производства силикатного топлива.
Оксиды кремния и водорода, распространенные в природе в виде
кремнезема и воды, должны стать основой энергетики в будущем.
стр. 8
| 
