Баек про то, что Черное море может буквально взорваться из-за чрезмерного содержания сероводорода в глубинах, ходит уже предостаточно. Разумеется, ничего там не взорвется, поскольку отсутствует кислород. Но вот потравить все живое периодическими выбросами сероводорода в верхние слои — это запросто. В особо драматичных эпизодах погибшую рыбу убирают с пляжей строительной техникой.
На фоне всех этих ужасов внезапно всплыл любопытный проект по добыче этого самого сероводорода из морской воды и переработке его в полимерную серу и чистый водород, который можно использовать для выработки электричества и в других новомодных целях.
Зародился экономически и технически проработанный ныне проект аж в 2001 году. Один из его авторов — к. т. н. Олег Сапрыкин. Под катом его рассказ о создаваемом Морском автономном энергетическом комплексе (МАЭК) для прибрежных районов Черного моря, который я составила после нашей беседы.
Почему Черное море мертвое?
Еще в XIX веке было известно, что Черное море заражено сероводородом. В среднем слои с сероводородом начинаются от 80-метровой глубины в серединной части моря и со 150–200-метровой глубины около берегов. Таким образом, жизнь в Черном море присутствует только в относительно тонком приповерхностном слое, насыщенном кислородом — по объему это не более 10%. Ниже ничего живое, кроме некоторых анаэробных бактерий, существовать не может.
Теории о том, почему так произошло, затрагивать не будем. Это предмет очень длинных и жарких споров. В разной степени здесь участвовали геологическое строение, деятельность сульфатредуцирующих бактерий, большие города на побережье со сливами канализации.
В числе причин столь масштабного накопления сероводорода называют слабые вертикальные течения (это когда слои воды плохо перемешиваются между собой) и то, что Черное море соединено с мировым океаном через относительно неглубокий — около 100 метров — пролив Босфор. Поэтому весь сероводород, образовавшийся в Черном море, в нем и остается. В общей сложности за тысячелетия накоплено, по разным оценкам, от 3 до 90 миллиардов тонн сероводорода.
Еще один спорный вопрос — есть ли равновесие между кислородсодержащими и насыщенными сероводородом слоями воды. Увеличивается ли количество сероводорода в море (и, соответственно, поднимается ли его уровень)?
Не так давно мы получили письмо от одного академика, который считает, что биологическое равновесие сложилось около 3 тысяч лет назад и неизменно по сей день, поэтому трогать уникальный сероводородный слой Черного моря нельзя ни в коем случае. Такое мнение довольно распространено. С другой стороны, в 1971 и в 2011 годах, чтобы оценить, на какой глубине начинается этот слой, проводили похожие исследования, согласно которым за 40 лет граница приблизилась к поверхности на 40 метров. Это существенный прирост.
Мы верим в измерения. И проект, о котором я хочу рассказать, начался как раз с попытки решить эту проблему.
Что нужно побережью, кроме «уборки» сероводорода
Есть одна застарелая проблема: курортам, то есть всем городкам вдоль берега, важно иметь собственное автономное электроснабжение, чтобы не зависеть от соседей, а также на случай всевозможных погодных явлений, близких к катастрофам, когда в результате аварий на линиях электропередачи обесточиваются целые регионы.
Наша идея состояла в том, чтобы использовать для локальной выработки электричества не традиционные энергоносители, а тот самый сероводород, который миллионами лет накапливался в Черном море. Реакция диссоциации позволит получить из него водород — одно из самых энергоэффективных и экологически чистых видов топлива в мире. В газогенераторе водород можно преобразовать в электроэнергию для питания домов или движения транспорта, причем в выхлопе такого газогенератора будет только чистая дистиллированная вода.
Подобный проект порождает массу вопросов: как доставлять сероводород на поверхность и не навредить экологии, где его перерабатывать, куда девать другие продукты реакции. Далее расскажу, как мы это видим.
Как это будет работать
В основе проекта — подводная электростанция «Морской автономный энергетический комплекс» (МАЭК). Она будет забирать сероводород из воды на глубине, а затем преобразовывать его в чистый водород и полимерную серу.
Ключевая идея проекта — не нужно доставать сероводород с глубины, каким-то образом доставлять его на поверхность, бояться его реакции с приповерхностными слоями воды и нарушения экосреды.
В отличие от альтернативных проектов, которые предлагают строить что-то типа нефтяных платформ в Черном море для переработки сероводорода, мы уверены, что все манипуляции можно проводить под водой — непосредственно в сероводородном слое.
Фактически мы говорим о создании подводной автономной установки, основным «продуктом» которой будет либо водород, либо электроэнергия, если весь произведенный водород тут же будут перерабатывать газогенератором, а наверх передавать только полученную электроэнергию.
Мы уже проработали основные цепочки этого производства и прикинули энергоэффективность — расчеты показывают, что наша схема вполне реализуема. Экономически эффективной будет установка мощностью порядка 300 кВт. Размер этой установки — с небольшое судно, а вес — около 10 тонн.
300 кВт — это полезная мощность на выходе МАЭК. На самом деле электростанция будет вырабатывать порядка 350 кВт и около 50 кВт использовать на поддержание собственной работы: сепараторов, газогенератора и т. п.
В час такая установка будет очищать от сероводорода около 68 тысяч кубометров морской воды. Учитывая общий объем запасов сероводорода в Черном море, тысяче таких установок его хватит на 500 с лишним лет.
Далее я остановлюсь на основных моментах, к которым мы пришли в рамках своих исследований.
Диссоциация сероводорода
Главная идея конструкции — диссоциация сероводорода на водород и чистую серу.
Существует много способов реализовать этот процесс — термо-, плазмо- или фотохимическая реакция. Мы подробно рассмотрели все существующие способы и нашли наиболее эффективный из них для наших условий — плазмохимический. Впрочем, это уже детали. Для общего понимания достаточно того, что результат этого процесса — чистый водород и полимерная сера, для ее получения не требуется вводить дополнительные производственные этапы.
Энергетические затраты на диссоциацию одной молекулы — меньше 1 эВ. Для сравнения: затраты на диссоциацию молекулы воды, чтобы получить тот же самый водород, — от 7,13 до 14,19 эВ в зависимости от условий, то есть получение водорода из сероводорода почти на порядок выгоднее.
Извлеченный в ходе реакции водород можно сразу направлять в газогенератор и преобразовывать в электричество или накапливать в металлогидридных аккумуляторах. Наша расчетная установка (на 300 кВт) по плану должна производить в час около 20 кг водорода. Ее электрическая мощность — как раз результат сжигания этого водорода в газогенераторе.
Важный момент — газогенератор в составе установки должен быть в любом случае, поскольку нам необходимо, помимо полезной электроэнергии, вырабатывать еще 50 кВт на поддержание работы комплекса. Судьба остального водорода определяет главным образом логистику.
В случае переработки всего водорода в электроэнергию на берег от электростанции будет тянуться кабель. Кроме того, побочным продуктом будет дистиллированная вода, которую можно либо сливать в море без вреда для экосистемы, либо каким-то образом накапливать и доставлять на поверхность.
Если же целью производства будет именно водород, заряженные металлогидридные аккумуляторы периодически надо будет доставлять на поверхность. Мы рассматриваем технологии, которые позволят сделать это в автоматическом режиме.
Хранение водорода в проекте
Хочу сделать небольшое отступление о металлогидридных аккумуляторах, в которых планируется накапливать и доставлять на поверхность добытый водород (в варианте установки без подключения кабелем к поверхности).
С точки зрения хранения и транспортировки водород — сложное топливо. Но за последние 15 лет технологии связывания водорода в металлогидридных аккумуляторах развились очень хорошо, причем и в нашей стране. В частности, этими вопросами занимается НИИ в Черноголовке (мы упоминали про него в недавней статье про «водородные» достижения). Более того, уже появились отечественные компании, которые производят такие аккумуляторы на промышленной основе. Сейчас металлогидридные аккумуляторы разного размера, хоть с авторучку, можно легко заказать в интернете.
В одном литре объема таких аккумуляторов может содержаться до 640 литров водорода (в связанном виде). И храниться водород в таком виде может практически неограниченно долго. Это значит, что у нас уже есть портативные емкости, которые можно зарядить с помощью нашей подводной станции и установить в автотранспорт или стационарный газогенератор на территории домохозяйства.
Полимерная сера
Полимерная сера — побочный продукт на выходе генератора водорода.
Сера — очень распространенный элемент в земной коре. Ее альфа-модификация, обычная мелкодисперсная сера, — не дефицит, она стоит около 30 долларов за тонну.
Но вот полимерная модификация, обладающая высокой молекулярной массой, — очень ценный химический продукт. Ее используют в автомобильной промышленности — при вулканизации резины на производстве автопокрышек, в качестве добавок к бетону и асфальту. Насколько я знаю, такие добавки даже тестировали на МКАДе.
Так называемый сероасфальт — асфальт с добавлениями различных вариантов модифицированной серы — показал себя в эксплуатации очень хорошо. Он имеет большую тепловую и механическую устойчивость и позволяет снизить количество битума, необходимого для укладки дороги. Кстати, асфальт с добавлениями модифицированной серы можно укладывать при отрицательных температурах.
Аналогично модифицированная сера улучшает и свойства бетона. Но не буду здесь вдаваться в подробности. Факт, что полимерная сера — продукт ценный и стоит порядка 3 тысяч долларов за тонну, на два порядка больше, чем обычная сера.
Самая простая модель подводной электростанции может выбрасывать серу, полученную в результате реакции диссоциации, на дно. В этом состоянии она не будет реагировать с окружающими веществами, а пассивно осядет. Такой подход существенно упрощает конструкцию установки и логистику продуктов, но с учетом стоимости полимерной серы это не так уж дальновидно. Наши экономические расчеты показывают, что за полимерную серу стоит бороться — она может быть коммерчески интересной. Установка может производить ее около 320 кг в час.
Если сохранять выделенную из сероводорода полимерную серу, то, разумеется, ее, как и заряженные металлогидридные аккумуляторы, придется периодически доставлять на поверхность.
Как устроен подводный робот
Автономная подводная установка — это робот, который опускается на нужную глубину, собирает окружающую воду с растворенным в ней сероводородом и перерабатывает ее, используя специальные сепараторы. Установка выделяет газ и направляет его в генератор водорода, где он разделяется на полимерную серу и водород. На выходе, помимо этих продуктов, мы имеем дистиллированную воду.
Как я отмечал выше, для своей работы установка потребляет порядка 50 кВт электроэнергии, которые сама же и вырабатывает. Ее первоначальный пуск, до переключения на выработанное топливо, можно осуществить с помощью судовой дизельной машины или, например, волновой электростанции. В принципе, уже существуют волновые станции нужной нам мощности. При ее использовании установка будет полностью автономной.
По нашим расчетам, комплекс должен работать под водой автономно 11 месяцев в году. На один месяц он будет подниматься на поверхность для технического обслуживания.
Поскольку течения в Черном море слабые, установке потребуются собственные двигатели для движения.
При выработке очередного «горизонта» сероводорода комплекс будет перемещаться или менять глубину, для этого как раз подойдут запасы водорода, который может обеспечить нужную плавучесть. Но, по нашим оценкам, двигаться придется на несколько сотен метров в сутки. А новые запасы сероводорода будут доступны, в частности, за счет перемешивания.
Логистика
Для доставки на поверхность металлогидридных аккумуляторов и полимерной серы мы хотим использовать флот небольших грузовых дронов. Они в автономном режиме смогут поднимать заряженные блоки и опускать обратно на глубину разряженные. Есть вероятность, что это будет выгоднее, чем строить трубопровод на судно, находящееся на поверхности. Но мы пока на слишком ранней стадии проекта, чтобы просчитать эксплуатацию дронов в деталях.
Почему этого не сделал никто до нас
На сероводород всегда смотрели как на типичную проблему нефтегазовой отрасли. В процессе газодобычи его стараются отделить от остальной газовой смеси и банально сжечь. Связано это с тем, что сероводород не только ядовит для живых организмов, но и химически агрессивен: очень быстро разъедает металлические детали агрегатов. Чтобы это не мешало нам создать установку, которая будет работать минимум 20 лет, 11 месяцев в году — автономно, мы предусматриваем использование специальных композитных материалов.
Когда появится первая автономная установка
Сейчас проект находится на стадии завершения научно-исследовательских работ. Впереди опытно-конструкторская стадия. Мы понимаем, как реализовать каждый из блоков технологической цепочки, но с полной цепочкой пока не экспериментировали. Нам только предстоит ее создать и оптимизировать. На это при наличии финансирования должно уйти еще лет пять.
В финансировании проекта должны принять участие сразу несколько институтов и юрлиц: Севастопольский ГУ, Институт геохимии и аналитической химии имени В. И. Вернадского, Балтийский федеральный университет им. Иммануила Канта и еще две коммерческие компании. Вдобавок мы надеемся получить грант со стороны НТИ, поскольку попали в шорт-лист проектно-образовательного интенсива Архипелаг 2022. Это поможет ускорить стадию НИОКРа.
После мы приступим к созданию первого прототипа, который должен проработать как минимум год, прежде чем мы сможем говорить о следующих этапах.
На первом прототипе мы планируем обкатать и доработать технологию, оптимизировать логистику. Только после исправления выявленных на нем ошибок начнем говорить о серийном прототипе.
После предсерийного и серийного прототипа предстоит искать потребителей. На этом этапе встанет вопрос тиражирования технологии. И тут мы рассчитываем на особые экономические зоны Черного моря.
Идея в том, чтобы первые три серийных образца обеспечили нам средства на запуск базового производства. А после выпуска еще девяти экземпляров мы планируем запуск производства композитов. В первое время мы сможем использовать чужие наработки — с производств, ориентированных на судостроение. Но если действительно замахиваться на собственный флот дронов для обслуживания автономных комплексов, необходимо иметь такие материалы под боком. Это существенно снизит себестоимость продукции и наши эксплуатационные расходы (по оценкам, процентов на 30). Но это пока отдаленные перспективы.
