Потенциал генерации водорода в углеводородных пластах

Углерод и его воздействие на окружающую среду

Данная статья имеет статус готовой. Это не говорит о качестве статьи, однако в ней уже в достаточной степени раскрыта основная тема. Если вы хотите улучшить статью — правьте смело!

Выбросы углерода и их влияние

Углерод поступает в окружающую среду в составе выхлопных газов автотранспорта, при сжигании угля на ТЭС, при открытых разработках угля, подземной его газификации, получении угольных концентратов и др. Концентрация углерода над источниками горения 100—400 мкг/м³, крупными городами 2,4—15,9 мкг/м³, сельскими районами 0,5—0,8 мкг/м³. С газоаэрозольными выбросами АЭС в атмосферу поступает (6—15)⋅10^9 Бк/сутки ^14СО2.

Высокое содержание углерода в атмосферных аэрозолях ведет к повышению заболеваемости населения, особенно верхних дыхательных путей и лёгких. Профессиональные заболевания — в основном антракоз и пылевой бронхит. В воздухе рабочей зоны ПДК, мг/м³:

• алмаз 8,0,
• антрацит и кокс 6,0,
• каменный уголь 10,0,
• технический углерод и углеродная пыль 4,0;
  в атмосферном воздухе максимальная разовая 0,15, среднесуточная 0,05 мг/м³.

Международные соглашения по сокращению выбросов

Рамочная конвенция ООН об изменении климата 1992 года, Киотский протокол, вступивший в силу с 16 февраля 2005 года, Парижское соглашение от 2015 года – вот далеко не полный перечень международных соглашений, направленных на последовательную декарбонизацию мировой экономики. К завершению 2022 года свыше 150 государств мира обнародовали свои планы, направленные на снижение выброса парниковых газов – тех, что образуются в процессе сгорания ископаемого топлива.

Перспективы замены углерода как энергетического источника

А что должно прийти ему на замену? Ожидается, что это будут источники чистой энергии, основанные на использовании возобновляемых энергетических ресурсов, плюс водородная энергетика, концепция которой подразумевает экологическую чистоту. Одним из наиболее перспективных источников получения водорода могут стать углеводородные пласты.

Радиоактивный углерод и датирование

Углерод существует во множестве аллотропных модификаций с очень разнообразными физическими свойствами. Разнообразие модификаций обусловлено способностью углерода образовывать ковалентные химические связи разного типа.

Природный углерод состоит из двух стабильных изотопов — 12C (98,93 %) и 13C (1,07 %) и одного радиоактивного изотопа 14C (β-излучатель, Т½ = 5730 лет), сосредоточенного в атмосфере и верхней части земной коры. Он постоянно образуется в нижних слоях стратосферы в результате воздействия нейтронов космического излучения на ядра азота по реакции: 14N (n, p) 14C, а также, с середины 1950-х годов, как техногенный продукт работы АЭС и в результате испытания водородных бомб.

На образовании и распаде 14С основан метод радиоуглеродного датирования, широко применяющийся в четвертичной геологии и археологии.

Что такое углеводородные пласты?

Постараемся внести некоторую ясность в используемые понятия и определения.

Пласт в геологии – это слой горных пород или геологическое тело, ограниченное сверху и снизу слоями или напластованиями. Обычно термин пласт употребляют в отношении однородной породы полезных ископаемых.

Залежи углеводородов

Залежи углеводородов – это не что иное, как естественное скопление нефти и газа или обоих вместе в части природного резервуара (ловушке).

Определение углеводородных пластов

Исходя из всего изложенного, под углеводородными пластами мы будем подразумевать (не вдаваясь во все тонкости химии и геологии) месторождения нефти, газа и угля, так как именно здесь находят своё применение наиболее перспективные в экологическом плане технологии получения водорода.
С целью информативности отметим, что водород (H2) можно извлекать из торфа, горючих сланцев (с некоторыми условностями их можно отнести к углеводородам), присутствие которых, кстати, характерно в виде пластовых наложений.

Где они расположены и какие ресурсы содержат

Места расположения углеводородных ресурсов нашей планеты хорошо известны. Достаточно взглянуть на карту залежей полезных ископаемых, чтобы увидеть множество месторождений нефти и газа.
Ими изобилует север Южной Америки, территория вокруг Персидского залива, Западная Сибирь и многие другие регионы мира.

Приблизительная оценка запасов водорода в углеводородных пластах говорит о присутствии там 100 млрд тонн этого вида топлива. Некоторые из них могут оказаться неперспективными в плане освоения, зато иные могут быть насыщены H2, запасы которого там накопились в результате протекания целого ряда физико-химических процессов.

Применение углеводородных ресурсов

Графит используют в карандашной промышленности, но в смеси с глиной, для уменьшения его мягкости.
Также его используют в качестве смазки при особо высоких или низких температурах.
Его невероятно высокая температура плавления позволяет делать из него тигли для заливки металлов.
Способность графита проводить электрический ток также позволяет изготавливать из него высококачественные электроды.

В фармакологии и медицине широко используются различные соединения углерода: производные угольной кислоты и карбоновых кислот, различные гетероциклы, полимеры и другие соединения.
Так, карболен (активированный уголь), применяется для абсорбции и выведения из организма различных токсинов; графит (в виде мазей) — для лечения кожных заболеваний; радиоактивные изотопы углерода — для научных исследований (радиоуглеродный анализ).

Углерод играет огромную роль в жизни человека, как элемент стали, базовое вещество в органических веществах, источник углерода для живых организмов.

Заключение

Углерод — неотъемлемая часть нашего мира, с широким спектром применения в различных отраслях.
В частности, углеводородные пласты содержат значительные запасы водорода, который может быть использован в различных технологиях и отраслях, таких как производство электродов или фармакология.

Углерод в виде ископаемого топлива

Углерод в виде ископаемого топлива: угля и углеводородов (нефть, природный газ) — один из важнейших источников энергии для человечества.

Углерод

Углеро́д (химический символ — C, от лат.) — химический элемент четырнадцатой группы второго периода (по устаревшей классификации — главной подгруппы четвёртой группы, IVA) периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 6.

Внешний вид простого вещества

• прозрачный (алмаз)
• матово-чёрный (графит)

Характеристики

• Название, символ, номер: Углеро́д / Carboneum (С), 6
• Группа, период, блок: 14 (устар. 4), 2, p-элемент
• Радиус атома: 70 пм
• Радиус иона: 16 (+4e) 260 (−4e) пм
• Энергия ионизации (первый электрон): 1085,7 (11,25) кДж/моль (эВ)

Термодинамические свойства простого вещества

• Плотность (при н. у.): 2,24 (графит) г/см³

Кристаллическая решётка простого вещества

• Структура решётки: Гексагональная (графит/графен), Кубическая (алмаз)
• Параметры решётки: a = 2,46 Å; c = 6,71 Å (графит); а = 3,567 Å (алмаз)
• Отношение: 2,73 (графит)
• Температура Дебая: 1860 (алмаз) K

Наиболее долгоживущие изотопы

Три изотопа данного элемента встречаются в окружающем нас мире. Изотопы 12C и 13C являются стабильными, в то время как 14C радиоактивный (период полураспада данного изотопа составляет 5730). Углерод был известен ещё в античном мире.

Способность углерода образовывать полимерные цепочки порождает огромный класс соединений на основе углерода, называемых органическими, которых значительно больше, чем неорганических, и изучением которых занимается органическая химия.

Физические свойства ациклических углеводородов

Приведены в таблице 5.

Алканы

CnH2n+2

Алкены

CnH2n

Алкадиены

CnH2n-2

Алкины

CnH2n-2

Гомологический ряд углеводородов

В гомологическом ряду алканов с ростом числа атомов углерода возрастают:

• температуры кипения;
• температуры плавления;
• плотность.

Алканы

Метан, этан, пропан и бутан представляют собой бесцветные газы, не имеющие запаха. Пентан и следующие алканы — бесцветные жидкости с характерным запахом. Алканы с числом атомов углерода более 15 — твёрдые легкоплавкие вещества без запаха.

Алкены

Алкены имеют несколько более низкие температуры плавления и кипения, чем соответствующие алканы. Температуры кипения и плавления закономерно повышаются при увеличении молекулярной массы соединений.

Алкены нормального строения кипят при более высокой температуре, чем их изомеры, имеющие изостроение. Температуры кипения цис-изомеров выше, чем транс-изомеров, а температуры плавления — наоборот.

Алкины

Первые три представителя гомологического ряда алкенов — газы, углеводороды состава от C5Н10 до C16Н32 — жидкости, высшие алкены — твердые вещества. Алкены легче воды, практически нерастворимы в ней, но хорошо растворяются в органических неполярных растворителях.

Алкадиены

Первый член гомологического ряда алкадиенов пропадиен (аллен) — бесцветный газ, бутадиен-1,3 — легко сжижающийся газ с неприятным запахом, изопрен — жидкость с температурой кипения 34°С. Температуры плавления и кипения алкинов возрастают с увеличением их молекулярной массы.

При нормальных условиях этин, пропин, бутин ― газы. Пентин и следующие алкины ― жидкости. Алкины с числом атомов более 16 ― твёрдые вещества.

Циклоалканы и арены

При обычных условиях циклоалканы закипают и плавятся при более высоких температурах, по сравнению с соответствующими алканами. С увеличением размера цикла, температуры кипения и плавления растут.

Бензол и толуол

Бензол и толуол — бесцветные жидкости со специфическим запахом. Они легче воды и в ней практически нерастворимы. Хорошо растворяются в органических растворителях и сами являются хорошими растворителями.

Другие арены

Другие арены — бесцветные жидкости со специфическим запахом, легче воды и в ней не растворяются, легко растворяются в органических растворителях — спирте, эфире, ацетоне. Бензол и его гомологи сами являются хорошими растворителями для многих органических веществ. Все арены горят коптящим пламенем ввиду высокого содержания углерода в их молекулах.

Аллотропные формы углерода

Углерод в виде древесного угля применялся в древности для выплавки металлов. Издавна известны аллотропные модификации углерода: алмаз и графит.

На рубеже XVII—XVIII вв. возникла теория флогистона, выдвинутая Иоганном Бехером и Георгом Шталем. Эта теория признавала наличие в каждом горючем теле особого элементарного вещества — невесомого флюида — флогистона, улетучивающегося в процессе горения. Так как при сгорании большого количества угля остается лишь немного золы, флогистики полагали, что уголь — это почти чистый флогистон. Именно этим объясняли, в частности, «флогистирующее» действие угля, — его способность восстанавливать металлы из «известей» и руд. Поздние флогистики (Реомюр, Бергман и другие) уже начали понимать, что уголь представляет собой элементарное вещество. Однако впервые таковым «чистый уголь» был признан Антуаном Лавуазье, исследовавшим процесс сжигания в воздухе и кислороде угля и других веществ. В книге Гитона де Морво, Лавуазье, Бертолле и Фуркруа «Метод химической номенклатуры» (1787) появилось название «углерод» (carbone) вместо французского «чистый уголь» (charbone pur). Под этим же названием углерод фигурирует в «Таблице простых тел» в «Элементарном учебнике химии» Лавуазье.

В 1791 году английский химик Теннант первым получил свободный углерод; он пропускал пары фосфора над прокалённым мелом, в результате чего образовывались фосфат кальция и углерод. То, что алмаз при сильном нагревании сгорает без остатка, было известно давно. Ещё в 1751 году германский император Франц I согласился дать алмаз и рубин для опытов по сжиганию, после чего эти опыты даже вошли в моду. Оказалось, что сгорает лишь алмаз, а рубин (окись алюминия с примесью хрома) выдерживает без повреждения длительное нагревание в фокусе зажигательной линзы. Лавуазье поставил новый опыт по сжиганию алмаза с помощью большой зажигательной машины и пришёл к выводу, что алмаз представляет собой кристаллический углерод. Второй аллотроп углерода — графит — в алхимическом периоде считался видоизменённым свинцовым блеском и назывался plumbago; только в 1740 году Потт обнаружил отсутствие в графите какой-либо примеси свинца. Шееле исследовал графит (1779) и, будучи флогистиком, счёл его сернистым телом особого рода, особым минеральным углём, содержащим связанную «воздушную кислоту» (СО2) и большое количество флогистона.

В XVII—XIX веках в русской химической и специализированной литературе иногда применялся термин «углетвор» (Шлаттер, 1763; Шерер, 1807; Севергин, 1815); с 1824 года Соловьёв ввёл название «углерод». Соединения углерода имеют в названии часть карбо(н) — от лат. (род. п. carbōnis) «уголь».

Скачок цен на углеводороды в Европе подхлестнул давние споры о судьбе атомных электростанций. На этом фоне экологические активисты не устают твердить о сотнях тысяч тонн радиоактивных отходов, загрязняющих нашу планету. Но если отделить правду от мифов, окажется, что эти «отходы» могут стать ценнейшим источником энергии и редких металлов, напоминает научный обозреватель Forbes Анатолий Глянцев

Атомные электростанции (АЭС) появились еще в 1950-х, но до сих пор их вклад в мировую электрогенерацию составляет всего 10%. При этом больше половины всей атомной энергии вырабатывается в трех странах — США, Франции и Китае. Россия в 2019 году находилась на четвертом месте (7,5% мировой атомной генерации).

Скромные объемы и географическая неравномерность атомной генерации объясняется несколькими причинами. Главная из них — режим нераспространения ядерного оружия. Даже сугубо мирный реактор требует обогащенного урана и может использоваться для наработки плутония, а отсюда не так уж далеко до создания атомной бомбы. Естественно, что оборот соответствующих технологий строго контролируется.

Не последним фактором остаются и яростные споры об экологичности АЭС, в которых факты смешиваются с мифами и популистскими заявлениями. Примером противоположного отношения к атомной энергетике могут служить Франция и Германия. Первая имеет 56 действующих реакторов и по числу «атомных» тераватт-часов в 2019 году занимала второе место после США (399 ТВт∙ч против 843). Вторая с 2011 года последовательно сворачивает атомную энергетику и планирует заглушить последние три реактора к концу этого года. То есть даже в странах первого мира отношение к мирному атому определяется тем, какая политическая сила стоит у власти.

Между тем ЕС собирается и дальше бороться с углеродными выбросами, ведущими к глобальному потеплению. В последнее время масла в огонь подлил скачок цен на углеводороды и политические разногласия с Россией. А возобновляемые источники не могут обеспечить Европу энергией, даже если закрыть глаза на их собственный углеродный и экологический след. В этих условиях альтернативы ядерной энергетике просто нет. Неудивительно, что в конце 2021 года Еврокомиссия предложила считать атомную энергетику зеленой.

Это предложение не лишено смысла. Конечно, Чернобыль и Фукусима показали нам, насколько опасными могут быть ядерные катастрофы. Но чтобы катастроф не случалось, АЭС нужно грамотно строить и эксплуатировать. А при штатной эксплуатации эти электростанции не выбрасывают в окружающую среду вредных для здоровья веществ. Источником проблем может быть только отработанное ядерное топливо, или ОЯТ. Это действительно высокорадиоактивная и потому чрезвычайно опасная субстанция. Тем не менее при правильном обращении она из угрозы превращается в ценнейший ресурс.

При обычных температурах углерод химически инертен, при достаточно высоких температурах соединяется со многими элементами, проявляет сильные восстановительные свойства. Химическая активность разных форм углерода убывает в ряду: аморфный углерод, графит, алмаз, на воздухе они воспламеняются при температурах соответственно выше 300—501 °C, 600—700 °C и 800—1000 °C.

Степень окисления бывает от −4 до +4. Сродство к электрону 1,27 эВ; энергия ионизации при последовательном переходе от С0 к С4+ соответственно 11,2604, 24,383, 47,871 и 64,19 эВ.

Углерод реагирует с неметаллами при нагревании.

Продуктами горения углерода являются CO и CO2 (монооксид углерода и диоксид углерода соответственно). Известен также неустойчивый недооксид углерода С3О2 (температура плавления −111 °C, температура кипения 7 °C) и некоторые другие оксиды (например, C12O9, C5O2, C12O12). Углекислый газ реагирует с водой, образуя слабую угольную кислоту — H2CO3, которая образует соли — карбонаты. На Земле наиболее широко распространены карбонаты кальция (минеральные формы — мел, мрамор, кальцит, известняк и др.) и магния (минеральная форма доломит).

При реакции углерода с серой получается сероуглерод CS2, известны также CS и C3S2. Получен селенид углерода CSe2.

Из углерода можно получить метан в присутствии оксидов железа, однако гораздо практичнее получать метан из синтез газа.

При сплавлении получается карбид кремния.

При пропускании электрического разряда между угольными электродами в атмосфере азота образуется циан. При высоких температурах взаимодействием углерода со смесью Н2 и N2 получают синильную кислоту: Такой же реакцией получают циан

Графит с галогенами, щелочными металлами и др. веществами образует соединения включения.

Важна в промышленности реакция углерода с водяным паром для получения синтез газа

Горение чёрного пороха.

С калиевой селитрой углерод проявляет восстановительные свойства.

Восстанавливает сульфат бария

При сплавлении углерод восстанавливает оксиды металлов до металлов. Данное свойство широко используется в металлургической промышленности.

С большинством металлов углерод образует карбиды, например:

Способность углерода образовывать полимерные цепочки порождает огромный класс соединений на основе углерода, которых значительно больше, чем неорганических, и изучением которых занимается органическая химия. Среди них наиболее обширные группы: углеводороды, белки, жиры, углеводы и др.

Соединения углерода составляют основу земной жизни, а их свойства во многом определяют спектр условий, в которых подобные формы жизни могут существовать. По числу атомов в живых клетках доля углерода около 25 %, по массовой доле — около 18 %.

Структурные формулы углеводородов

При систематизации (классификации) углеводородов принимают во внимание строение углеродного скелета и тип химических связей, соединяющих атомы углерода. По типу строения углеводороды делят на:

Углеводороды различают по типу химической связи между атомами углерода:

Гомологический ряд алканов представлен в таблице 1.

Состав алкана Название алкана Состав радикала Название радикала

Ациклические (алифатические) углеводороды

Углеводороды (УВ) Класс УВ Общая формула Пример УВ

предельные алканы CnH2n+2 метан — СН4

непредельные алкены CnH2n этен (этилен) — С2Н4

алкадиены CnH2n-2 Бутадиен — С4Н6

алкины CnH2n-2 Этин (ацетилен) — С2Н2

алициклические циклоалканы CnH2n циклопропан — С3Н6

ароматические арены CnH2n-6 бензол — С6Н6

Ациклические (алифатические) предельные алканы алкены, алкадиены, алкины CnH2n+2 CnH2n CnH2n-2

алкены -ен одна двойная, сигма- и пи-связь sp²

алкадиены -диен две двойные, сигма- и пи-связь sp²

алкины -ин одна тройная, сигма- и две пи-связи sp

Сила в скорости

Обычный реактор за один цикл перерабатывает в плутоний менее 1% урана-238. Более эффективны в деле наработки плутония реакторы на быстрых нейтронах (РБН). Что это такое?

Атомные ядра делятся под ударами нейтронов. В обычных реакторах нейтроны специально замедляются, чтобы вероятность деления была выше. В реакторах на быстрых нейтронах обходятся без замедлителей.

У РБН есть и другие преимущества. MOX-топливо «горит» в них более эффективно, чем в обычных реакторах. А еще они могут «дожигать» самые активные радионуклиды, значительно снижая радиоактивность ОЯТ. В то же время быстрые реакторы устроены сложнее медленных и, соответственно, стоят дороже.

Сегодня в мире действует около 20 реакторов на быстрых нейтронах. Из них всего два промышленных — и оба в России, на Белоярской АЭС. По мнению многих экспертов, именно за быстрыми реакторами — будущее атомной энергетики. В том числе и потому, что они лучше встраиваются в цикл переработки отработанного ядерного топлива.

Аллотропные модификации углерода

Схемы строения различных модификаций углеродаa: алмаз, b: графит, c: лонсдейлитd: фуллерен — бакибол C60, e: фуллерен C540, f: фуллерен C70g: аморфный углерод, h: углеродная нанотрубка

На практике, как правило, перечисленные выше аморфные формы являются химическими соединениями с высоким содержанием углерода, а не чистой аллотропной формой углерода.

Электронные орбитали атома углерода могут иметь различную форму в зависимости от степени гибридизации его электронных орбиталей. Существует три основных конфигурации атома углерода:

Графит и алмаз

При давлении свыше 60 ГПа предполагают образование весьма плотной модификации С III (плотность на 15—20 % выше плотности алмаза), имеющей металлическую проводимость. При высоких давлениях и относительно низких температурах (ок. 1200 K) из высокоориентированного графита образуется гексагональная модификация углерода с кристаллической решёткой типа вюрцита — лонсдейлит (а = 0,252 нм, с = 0,412 нм, пространственная группа Р63/mmc), плотность 3,51 г/см³, то есть такая же, как у алмаза. Лонсдейлит найден также в метеоритах.

Ультрадисперсные алмазы (наноалмазы)

В 1980-е годы в СССР было обнаружено, что в условиях динамической нагрузки углеродсодержащих материалов могут образовываться алмазоподобные структуры, получившие название ультрадисперсных алмазов (УДА). В настоящее время всё чаще применяется термин «наноалмазы». Размер частиц в таких материалах составляет единицы нанометров. Условия образования УДА могут быть реализованы при детонации взрывчатых веществ со значительным отрицательным кислородным балансом, например, смесей тротила с гексогеном. Такие условия могут быть реализованы также при ударах небесных тел о поверхность Земли в присутствии углеродсодержащих материалов (органика, торф, уголь и пр.). Так, в зоне падения Тунгусского метеорита в лесной подстилке были обнаружены УДА.

Кристаллическая модификация углерода гексагональной сингонии с цепочечным строением молекул называется карбин. Цепи имеют либо полиеновое строение (−C≡C−), либо поликумуленовое (=C=C=). Известно несколько форм карбина, отличающихся числом атомов в элементарной ячейке, размерами ячеек и плотностью (2,68—3,30 г/см³). Карбин встречается в природе в виде минерала чаоита (белые прожилки и вкрапления в графите) и получен искусственно — окислительной дегидрополиконденсацией ацетилена, действием лазерного излучения на графит, из углеводородов или CCl4 в низкотемпературной плазме.

Карбин представляет собой мелкокристаллический порошок чёрного цвета (плотность 1,9—2 г/см³), обладает полупроводниковыми свойствами. Получен в искусственных условиях из длинных цепочек атомов углерода, уложенных параллельно друг другу.

Фуллерены и углеродные нанотрубки

Углерод известен также в виде кластерных частиц С60, С70, C80, C90, C100 и подобных (фуллерены), а также графенов, нанотрубок и сложных структур — астраленов.

Аморфный углерод (строение)

В основе строения аморфного углерода лежит разупорядоченная структура монокристаллического (всегда содержит примеси) графита. Это кокс, бурые и каменные угли, техуглерод, сажа, активированный уголь.

Графен — двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, соединенных посредством sp² связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку.

Нахождение в природе

Свободный углерод находится в природе в виде алмаза и графита. Основная масса углерода в виде природных карбонатов (известняки и доломиты), горючих ископаемых — антрацит (94—97 % С), бурые угли (64—80 % С), каменные угли (76—95 % С), горючие сланцы (56—78 % С), нефть (82—87 % С), горючих природных газов (до 99 % метана), торф (53—56 % С), а также битумы и др. В атмосфере и гидросфере находится в виде диоксида углерода СО2, в воздухе 0,046 % СО2 по массе, в водах рек, морей и океанов в ~60 раз больше. Углерод входит в состав растений и животных (~17,5 %).

В организм человека углерод поступает с пищей (в норме около 300 г в сутки). Общее содержание углерода в организме человека достигает около 21 % (15 кг на 70 кг массы тела). Углерод составляет 2/3 массы мышц и 1/3 массы костной ткани. Выводится из организма преимущественно с выдыхаемым воздухом (углекислый газ) и мочой (мочевина).

Кругооборот углерода в природе включает биологический цикл, выделение СО2 в атмосферу при сгорании ископаемого топлива, из вулканических газов, горячих минеральных источников, из поверхностных слоёв океанических вод, а также при дыхании, брожении, гниении. Биологический цикл состоит в том, что углерод в виде СО2 поглощается из тропосферы растениями в процессе фотосинтеза. Затем из биосферы он вновь возвращается в геосферу, частично через организмы животных и человека, и в виде СО2 — в атмосферу.

В парообразном состоянии и в виде соединений с азотом и водородом углерод обнаружен в атмосфере Солнца, планет, он найден в каменных и железных метеоритах.

Большинство соединений углерода, и прежде всего углеводороды, обладают ярко выраженным характером ковалентных соединений. Прочность простых, двойных и тройных связей атомов С между собой, способность образовывать устойчивые цепи и циклы из атомов С обусловливают существования огромного числа углеродсодержащих соединений, изучаемых органической химией.

В природе встречается минерал шунгит, в котором содержится как твёрдый углерод (≈25 %), так и значительные количества диоксида кремния (≈35 %).

Ядерная смесь

Впрочем, захоронить ОЯТ — значит в буквальном смысле зарыть в землю огромные деньги. Отработанное топливо вообще некорректно называть отходами, даже в юридическом смысле. Согласно российскому Закону об использовании атомной энергии, радиоактивными отходами признаются радиоактивные вещества, не подлежащие дальнейшему использованию.

Отработанное топливо можно и нужно использовать повторно, если переработать его. Эксперты по всему миру признают, что будущее ядерной энергетики — замкнутый топливный цикл, когда добытый природный уран используется максимальное количество раз. В нашей стране ориентация на замкнутый цикл закреплена в государственной программе «Развитие атомного энергопромышленного комплекса», утвержденной правительством в 2014 году.

Сегодня крупные заводы по переработке ОЯТ действуют в России, Франции и Индии. Пилотные проекты запущены в Китае и Японии. Правда, темпы переработки ОЯТ все еще отстают от темпов его накопления. Так, ежегодно из реакторов российских АЭС выгружается примерно 650 т отработанного топлива, при этом перерабатывается не более 15 % этого объема.

Поясним, в чем заключается переработка ОЯТ. Топливо большинства реакторов — диоксид урана, причем основной источник энергии — деление ядер урана-235. Однако 99,3% массы природного урана приходится на мало способный к делению уран-238. В связи с этим перед использованием уран обогащают, доводя содержание урана-235 до 3,3%.

В таком виде топливо загружают в реактор и используют несколько лет, пока оно не превращается в ОЯТ. Последнее имеет сложный состав. Оставив в покое кислород в оксиде урана, сосредоточимся на самом уране и продуктах его деления. Из этих компонентов 94,5% приходится на «балласт» в виде урана-238 и 0,9% — на невыгоревший уран-235. Если очистить эти изотопы от примесей и дообогатить ураном-235, их снова можно использовать как топливо.

Еще 0,9% — это плутоний, в который превращается небольшая часть урана-238. На все остальные продукты ядерных реакций приходится только 3,7% массы. Причем среди этих 3,7% немало ценных нерадиоактивных металлов, например, палладий и серебро. Ценность представляют и радионуклиды: так, стронций-90 применяется в радиоизотопных источниках энергии, а технеций-99 — в ядерной медицине. Ученые работают над методами извлечения всего этого богатства из ОЯТ.

Но все-таки особый интерес представляет плутоний. Килограмм плутония-239 может произвести достаточно тепла для выработки почти 8 ГВт∙ч электроэнергии. На выделение плутония и направлена единственная технология переработки, реализованная в промышленном масштабе — PUREX-процесс.

Из этого плутония делается MOX-топливо. Это все тот же диоксид урана, но с добавкой диоксида плутония, составляющего от 1,5% до 30% массы, обычно около 10%. Отсюда и название MOX (mixed oxide). В 2017 году на MOX приходилось 5% всего производимого ядерного топлива. К слову, с 2017-го производство этого топлива развернуто на российском Горно-химическом комбинате.

Оценить перспективы извлечения плутония поможет грубый подсчет. В каждом цикле использования небольшая часть урана-238 превращается в плутоний. В накопленных запасах не переработанного ОЯТ содержатся сотни тысяч тонн урана-238. Полностью превратив его в плутоний, мы получили бы сотни тысяч тераватт-часов электроэнергии. Для сравнения: в 2019 году на всей планете было выработано всего 27000 ТВт∙ч электричества.

Потенциал и перспективы

Водород является самым распространённым веществом во Вселенной (75% её массы). На Земле он наиболее широко представлен в воде, содержащей его в океанах 1,4•1017 т, а в остальных водах – 5,6•1015 т. Заметим, что технологии получения водорода из воды хотя и затратные, однако достаточно перспективные в плане удобства, простоты и решения экологических проблем. Кроме того, они позволяют попутно получать достаточно ценное в химическом отношении вещество – кислород.

Достаточное количество водорода содержится в нефти, газе и угле, запасы которых оцениваются в 1 трлн тонн. Присутствие в них H2, определяемое в 100 млрд тонн, вполне может обеспечить на протяжении 20 лет мировые потребности человечества в энергии – 2•105 ТВт•ч ежегодно, (теплотворная способность H2 достигает 40 МВт•ч/т). И это при условии, что на Земле есть немало ещё неисследованных в геологическом плане мест.

Роль этого метода в переходе к чистой энергии

Ожидается, что внутрипластовая генерация водорода низкоуглеродным методом, в отличие от других высокоуглеродных технологий по производству «серого» и «бурого» водорода, позволит более эффективно осваивать углеводородные пласты для получения высокоэффективного топлива. Это будет способствовать намеченному обществом переходу к чистой энергии, направленному на декарбонизацию мировой экономики.

Текущие и будущие исследования и разработки

Вопрос достаточно разноплановый, учитывая тот факт, что сама водородная энергетика – отрасль достаточно новая в мировом промышленном производстве. И дело тут вовсе не в создании новых технологий, требующих многолетней практики освоения и повышения эффективности. Вполне подойдут и нынешние, которые необходимо непрерывно совершенствовать с целью улучшения экономических показателей совместно с острой потребностью в значительном снижении вредных выбросов в атмосферу.

Генерация водорода из углеводородных пластов

Имеется множество технологий выработки водород, в том числе и из углеводородных пластов. Постараемся остановиться на наиболее перспективных из них.

Объяснение технологии производства водорода из углеводородных пластов

Внутрипластовая генерация H2 низкоуглеродным методом.

Речь идёт о том, чтобы запускать процесс ВПГ (внутрипластового горения) in-situ (научный термин, который можно перевести на русский язык как «в месте нахождения») внутрипластовых залежей углеводородов. Процесс предлагается выполнять посредством закачки в природный резервуар пара и воздуха. Результатом их проникновения туда станет процесс формирования активного катализатора – того, что станет инициировать конверсию метана в водород (паровая конверсия, крекинг).

К началу 2022 года о технологии ГВП (генерации H2 в пласте на основе парового риформинга с параллельно протекающим каталитическим крекингом углеводородов) с уровнем конверсии углеводородов в водород, достигающим в ходе экспериментов 70%, сообщила компания Hydrogen Source AS (Норвегия).

Преимущества метода

Достоинства описываемой технологии заключаются в возможности её использования:

Но самое интересное здесь иное. Все описанные технологии будут выполняться внутри пласта с последующим извлечением водорода через внутрискважинное устройство, оснащённое водородно-селективной мембраной. По замыслу разработчиков, это обеспечит возможность захоронения парниковых газов в пласте, организуя тем самым экологическую чистоту процесса.

К описываемым достоинствам также можно отнести активизацию тяжёлых и высоковязких углеводородов под воздействием тепла, которые в результате повышения текучести становятся пригодными к добыче и дальнейшей транспортировке.

Проблемы и вызовы

Сложности, что предстоит преодолеть на путях освоения выработки H2, можно разделить на два больших блока. Первый связан с непосредственным материально-техническим обеспечением процесса, влекущим за собой применение специального оборудования, направленного на подачу в скважины пара, воздуха и сопутствующих химикалий. Дополнительно проблемы создаёт процесс захоронения вредностей внутри пласта, достаточно трудно оцениваемый в плане загрязнения подпочвенных вод и возможности просачивания парниковых газов в атмосферу. Кроме того, необходимо принимать во внимание и качество получаемого здесь водородного топлива.

Второй блок обусловлен освоением полученного водорода, его хранением, переработкой, транспортировкой и потреблением. В обязательном порядке перед его производителями встанут вопросы сертификации продукта для применения его в различных отраслях экономики с наибольшей пользой и выгодой.

Вопросы экологии и безопасности

Здесь всё упирается, прежде всего, в свойства водорода, обладающего высокой степенью летучести (следствием чего может стать диссипация H2 в космическое пространство, влекущая за собой сокращение гидросферы Земли). Этот газ в чистом виде достаточно вреден для человеческого организма, и это требует принятия дополнительных мер по ограничению непосредственного контакта с ним. Так, жидкий водород приводит к сильному обморожению при попадании на человеческую кожу.

Но что самое угрожающее, так это образование гремучего газа – взрывоопасной смеси при контакте водорода с воздухом. Причём, как показали последние исследования, при больших объёмах газа диапазон взрывоопасных концентраций водорода в составе гремучего газа расширяется на 4% в ту или иную сторону.

Всё это касается непосредственно H2. Если принимать во внимание описанную выше технологию, то здесь придётся иметь дело с сильно нагретой водой или паром, агрессивными химическими веществами и происходящими в недрах термическими процессами. Это неизбежно вызовет изменения в окружающей среде в местах освоения новой технологии по генерации водорода из углеводородных пластов.

Размером с многоэтажку

После извлечения из реактора отработанное топливо помещается в пристанционное хранилище, где хранится 1–5 лет. За это время самые активные нуклиды распадаются. Уже через год активность ОЯТ уменьшается в 10 раз, а через пять лет — в 35 раз. После этого отработанное топливо готово к транспортировке на перерабатывающий завод или в место длительного хранения.

На конец 2016 года во всем мире хранилось 265 000 т непереработанного ОЯТ, и еще 127 000 т было переработано. Исходя из плотности диоксида урана (основного компонента как свежего, так и отработанного топлива), вся эта масса уместится в куб с ребром 33 м. Эту цифру полезно иметь в виду, слушая речи экоактивистов о планете, заваленной ядерными отходами.

При желании все накопленное в мире ОЯТ можно захоронить в одном не слишком большом могильнике. Правда, большинство правительств не рвутся снискать своей стране славу ядерной свалки. Пока на строительство могильников решились только Финляндия и Швеция. Захоронения будут располагаться в скальной породе на глубине более 500 м под дном Балтийского моря. Многослойная защита предотвратит утечки радионуклидов в окружающую среду. Могильники планируется ввести в строй в 2020-х годах.

Заключение

Можно сказать о достаточной перспективности и мультифункциональном эффекте описываемого метода внутрипластовой выработки водорода. Технология обещает высокую экономическую эффективность при сравнительно низких затратах, достаточно удачно вписывается в политику сокращения углеводородных выбросов в атмосферу. Но обольщаться и успокаиваться на достигнутом здесь не стоит. Есть реальная угроза: обретя пути решения одних проблем, мы можем столкнуться с другими – достаточно весомыми и серьёзными.

Потенциал углеводородных пластов в качестве источника огромен и обещает значительную прибыль (если принимать во внимание, что недра земли производят порядка 90 млн тонн водорода в год, существенная часть которого может присутствовать в том или ином виде в углеводородных пластах или сопровождать их, то речь может идти о запасах, оцениваемых в триллионы тонн – во всяком случае именно такие данные дают математические модели изучения вопроса). Поэтому на путях его освоения необходимо организовать постоянные исследования, направленные как на совершенствование самого метода, так и на нейтрализацию потенциальных угроз и опасностей, связанных с практикой его применения.

Наука не стоит на месте. То, что вчера казалось незыблемым, постепенно уходит, а на смену ему приходит нечто новое. Поэтому вполне ожидаемо дальнейшее развитие методов освоения водорода в углеводородных пластах, их совершенствование и даже последующее здесь изменение технологий. Но происходит это не на пустом месте, а на базе огромного опыта, который следует набирать и накапливать, осваивая внутрипластовую генерацию H2 низкоуглеродным методом.