Сберегая ресурсы. Масштабный проект ИК СО РАН дает начало новой энергетике

Казалось бы, события последних 20 лет демонстрируют явную зависимость нашей страны от добычи полезных ископаемых. Вы удивитесь, читатель, но есть научные коллективы, которые не разделяют подобную точку зрения. Ученые уверены, что природные ресурсы России являются залогом ее устойчивого развития. Один из таких коллективов начал работу в Институте катализа (ИК) СО РАН по проекту “Новые каталитические процессы глубокой переработки углеводородного сырья и биомассы для решения задач экологически чистой и ресурсосберегающей энергетики”, поддержанного грантом Российского научного фонда. Кроме ведущих ученых ИК СО РАН над проектом также трудятся исследователи Института химической кинетики и горения СО РАН, большей частью - молодежь. Научное руководство осуществляет академик Валентин Пармон. Основные направления курируют: заместитель директора по науке ИК СО РАН доктор химических наук Вадим Яковлев, доктор химических наук Оксана Таран, доктор химических наук Владимир Чесноков, кандидат биологических наук Ксения Сорокина. Корреспондент “Поиска” узнал подробности не имеющего аналогов проекта. 

Ключевая тема

Первый вопрос - В.Яковлеву:

- Вадим Анатольевич, действительно зависимость от добычи полезных ископаемых - один из факторов, подталкивающих нас к осуществлению технологического рывка?

- В современном мире, чтобы быть конкурентоспособным на рынке природных ресурсов, мало иметь к ним доступ, важно развивать и осваивать высокоэффективные технологии добычи. А для этого нужно решить множество технологических, инженерных, материаловедческих задач, создать новые эффективные системы управления производством, что само по себе закладывает основы развития страны. С другой стороны, возникает потребность в создании новых методов освоения этих ресурсов. Проект мы разделили на четыре блока. Задачи, сформулированные в первом, - глубокая безводородная переработка тяжелых нефтяных остатков - выполняет коллектив под руководством Владимира Викторовича Чеснокова. Во втором блоке Оксана Павловна Таран координирует создание эффективной каталитической технологии синтеза муравьиной кислоты. Блок третий поручен Ксении Николаевне Сорокиной: это развитие методов получения высокоэнергетической биомассы. В четвертом блоке, за который отвечаю я, разрабатываются основы экологически чистого сжигания органических остатков в каталитических генераторах тепла. На мой взгляд, проект в целом отличает комплексность: объединив четыре направления, мы закладываем фундаментальные основы нескольких взаимосвязанных и важных для отечественной промышленности технологий.

Ключевой особенностью этого проекта является и порядок финансирования. Первое время мы, получая деньги, в основном от РНФ, направляем ресурсы на фундаментальные исследования и развитие материально-технической инфраструктуры. Однако проект предполагает постепенное увеличение софинансирования со стороны крупного производственного партнера, в нашем случае - ПАО “Газпром нефть”. Такая схема требует реализации конкретных технологических решений.

- Каковы объемы финансирования проекта и приоритеты в расходовании средств?

- Общий объем финансирования на 2017-2020 годы со стороны РНФ составляет 116 миллионов рублей, со стороны ПАО “Газпром нефть” - 20 миллионов рублей. В настоящее время запускаем в эксплуатацию универсальный хромато-масс-спектрометрический комплекс, который будет в полной мере обслуживать все направления проекта. 

- Еще одна особенность гранта РНФ, полностью соответствующая традиционной политике нашего института, - привлечение к исследованиям молодежи. Из 30 человек, работающих по проекту, более половины - молодые ученые, аспиранты, кандидаты наук. Присутствующий здесь младший научный сотрудник Александр Пилигаев - яркий тому пример, - добавляет профессор РАН Оксана Таран. - 15-17 ноября 2017 года мы провели по тематике проекта всероссийскую школу молодых ученых с международным участием. Собралось более 60 студентов, магистрантов, аспирантов и кандидатов наук из университетов и академических институтов СО РАН, а также из Белоруссии, Казахстана. Лекции им читали эксперты из Москвы, Томска, Новосибирска. Молодежь представила старшим коллегам свои исследования. Иначе невозможно: мы работаем над технологиями будущего и сразу должны готовить команды тех, кто будет завтра воплощать их в жизнь.

Умное коксование

Проблема глубокой переработки углеводородного сырья в России с каждым годом становится все острее. Если в странах Персидского залива нефть отличного качества, поэтому с ней можно работать традиционными методами, то до трети российского “черного золота” относится к так называемой “тяжелой нефти”. Следовательно, после первичной и даже вторичной переработки остаются фракции, негодные для последующего освоения с помощью известных технологий.

- В связи с истощением простых в освоении запасов углеводородов, - рассказывает Владимир Чесноков, - в стране стоит задача максимального увеличения глубины переработки нефтяного сырья. При фракционировании нефти получаются всем известные продукты: бензин, керосин, дизельное топливо. В случае “тяжелой нефти” добавляется проблема переработки высококипящих остатков - гудрона и вакуумного газойля. Гудрон, являясь ценным сырьем в производстве битума, разных смесей, используемых в дорожном строительстве, представляет интерес также для промышленности, желающей получить светлые углеводороды и продукты коксования.

Мы совершенствуем процесс замедленного коксования. Применяя каталитические технологии, из тяжелых нефтяных остатков можно получать не только обычный кокс, но и так называемый игольчатый (анизотропный) кокс. Он необходим для производства, например, электродов, так востребованных отечественной металлургией. В России изотропный кокс выпускают многие компании, но по еще “бабушкиным рецептам”. Эту проблему, в частности, пытается решить наш стратегический партнер - Омский нефтеперерабатывающий завод. Продукты, полученные из игольчатого кокса, отличаются более высокой прочностью, лучшей электропроводностью. Пользуясь накопленной в нашем институте теоретической базой по созданию с помощью каталитических методов различных наноструктур и умением регулировать их морфологию, мы помогаем производственникам в создании новой технологии. 

Надо отметить, что каталитические процессы образования углеводородных наноструктур хорошо исследованы только для легких углеводородов. В рамках гранта РНФ мы впервые попытались использовать высокомолекулярные углеводороды алифатической и ароматической природы. Получили в высшей степени обнадеживающие результаты, поэтому продолжим исследования, варьируя катализаторы и пытаясь расширить спектр продуктов с различной морфологией. Необходимая для этого установка коксования нами сконструирована и вводится в эксплуатацию. 

Зачастую для подготовки исходного сырья и облагораживания продуктов необходимо проводить восстановительные процессы. В качестве восстановителя мы планируем использовать донор водорода - муравьиную кислоту, в настоящее время это - один из самых легких для транспортировки источников водорода. Здесь наши работы перекликаются с блоком, которым руководит Оксана Таран.

Источник водорода 

Речь о получении топлива из возобновляемого сырья идет давно. Но, увы, производить, скажем, биоэтанол из растительной биомассы выгодно только в Бразилии, лидирующей по выращиванию сахарного тростника - источника не только сахара, но и легкогидролизуемых углеводов. 

- В год на Земле образуется примерно 200 миллиардов тонн растительной биомассы, что вполне сравнимо со всеми известными запасами нефти (по данным 2014 года, 240 миллиардов тонн), - рассказывает Оксана Таран. - Неудивительно, что у ученых периодически вспыхивает интерес к переработке растительной биомассы в топливно-энергетическое сырье. Но в странах, отличных от Бразилии по климату и флоре, биотопливо пока по цене несопоставимо с энергией, получаемой из ископаемого сырья. Однако если запустить на предприятиях грамотное сочетание различных процессов переработки растений, производство становится выгодным. Так, в Финляндии из сучков березы добывают активное вещество терпин и производят из него противораковый препарат. Невыгодно, скажем, возить водород на нефтеперерабатывающие предприятия. Разумнее производить из растительного сырья донор водорода, например муравьиную кислоту, разлагать ее с помощью катализаторов на водород и окись углерода и использовать в качестве гидрирующего агента при нефтепереработке.

В нашей лаборатории каталитических методов преобразования солнечной энергии работы по получению муравьиной кислоты, например, из целлюлозы ведутся уже несколько лет. Выход муравьиной кислоты получается очень хороший - более 60%. А ведь муравьиная кислота - это дубильное вещество в легкой промышленности, как гидрирующий агент - донор водорода - требуется для многих процессов переработки и углеводородов, и растительной биомассы. Учитывая, что в России в целом и в нашей Новосибирской области в частности есть проблема переработки картофеля, мы в рамках проекта РНФ, о котором идет речь, с большой эффективностью применили отработанные на целлюлозе технологии для получения муравьиной кислоты из картофельного крахмала. Это новое направление исследований - в мире появилось всего несколько публикаций по выработке муравьиной кислоты из целлюлозы, а крахмал в качестве источника первыми начала использовать наша группа.

Еще одно направление работ - выработка муравьиной кислоты из метана - возобновляемого сырья, идущего и как попутный нефтяной газ, и как природный. Однако молекула метана весьма устойчива, и нам пришлось долго подбирать катализаторы и ферменты, чтобы доказать, что из метана можно получить муравьиную кислоту с селективностью более 80%. Параллельно мы создаем эффективные катализаторы разложения муравьиной кислоты с получением водорода. Надо отметить, что наш коллега старший научный сотрудник кандидат химических наук Дмит­рий Александрович Булышев, много лет проработавший за границей и теперь вернувшийся в институт, - признанный в мире лидер этого направления. Сотрудничество химиков и биотехнологов, ведущееся благодаря гранту РНФ, - очень перспективно. Ранее нам уже удалось наладить переработку целлюлозы без использования серной кислоты, на чистой воде и твердом катализаторе, сделав тем самым значительный шаг к внедрению “зеленых” технологий в отечественной гидролизной промышленности. Теперь мы планируем использовать в качестве источника крахмала не только картофель, но и микроводоросли, над получением биомассы из которых работают наши коллеги по проекту.

Штаммы и кипящий слой

Что роднит микроводоросли с соей, рапсом, подсолнечником? То, что они тоже возобновляемое сырье биоэнергетики. 

- И для этих целей микроводоросли даже перспективнее наземных растений, поскольку могут продуцировать как углеводы, так и липиды, - рассказывает Александр Пилигаев. - Эти химические соединения представляют интерес для последующей переработки в различные виды топлива и ценные продукты. Так, липиды с помощью каталитических подходов можно перерабатывать в биодизельное топливо, а углеводы - в спирт. Микроводоросли являются перспективным объектом исследований в США, Европе, Индии, но до экономически оправданного производства из них биомассы, то есть в промышленных масштабах, пока не дошло - есть ряд нерешенных проблем. И здесь нашей группе удалось внести существенный вклад, несмотря на то что исследования ведутся меньше года. Из образцов сточных вод очистных сооружений Новосибирска мы выделили коллекцию новых штаммов микроводорослей, среди которых обнаружены перспективные штаммы для производства липидов и углеводов. Хочу отметить, что микроводоросли используются не только как источник ценного сырья, но и для эффективного очищения стоков - с их помощью удается удалять до 90% органических и неорганических загрязнений. Наша технология очистки может применяться как для коммунальных сточных вод, так и для сточных вод пищевой промышленности, животноводческих и птицеводческих комплексов. А тут мы убиваем сразу двух зайцев: нарабатываем биомассу, из которой коллеги по проекту смогут получать ценные продукты, и решаем повседневные экологические задачи урбанизированных территорий.

Еще раз напомню: микроводоросли могут быть источником и углеводов, и липидов. За короткий период нашей биотехнологической группе удалось вмешаться в эти процессы, усилив у одного штамма накопление крахмала, необходимого группе Оксаны Павловны Таран для получения муравьиной кислоты, и подобрав для другого штамма условия, при которых активно идет накопление липидов. Это уже пригодится специалистам, производящим аналоги углеводородного топлива. Обо всех этих результатах мы опубликовали статьи в престижных журналах. Что же касается экологической составляющей, то она дополняется технологией, разработанной нашими коллегами из следующего блока проекта.

Хорошие технологии с годами не устаревают, а развиваются. Способ сжигания в кипящем слое в присутствии катализаторов был предложен еще в начале 1980-х годов основателем Института катализа Георгием Боресковым и его коллегой Эммануилом Левицким, с тех пор технология успешно развивалась.

- Технология апробирована при сжигании некондиционного топлива, - поясняет руководитель четвертого направления Вадим Яковлев. - Недавно, например, был спроектирован и построен в Новосибирской области ряд котельных на бурых углях, экологические показатели которых отвечают всем современным требованиям. Проект РНФ позволил нам найти новое применение этой технологии. Известно, что существенную роль при очистке промышленных и бытовых стоков играют микробиологические методы. Они осуществляются с помощью микроводорослей и бактерий в “аэротанках”. По окончании процесса и микроводоросли, и бактерии, и продукты их жизнедеятельности отмирают, оседая на дно. Получается иловый осадок, утилизация которого - серьезная проблема и в России, и во всем мире. В рамках проекта мы разрабатываем новые типы катализаторов глубокого окисления для экологически чистого сжигания различных органических соединений в кипящем слое. Буквально на днях было селекторное совещание с коллегами-производственниками из Москвы и Омска. Могу с гордостью сказать, что в октябре 2019 года мы намерены пустить в Омске первую очередь цеха по сжиганию иловых осадков. Так что наши фундаментальные исследования по гранту РНФ буквально “с колес” находят технологическое применение.

Стоит отметить, что найденные технические решения имеют под собой серьезную фундаментальную базу. Применение их не ограничивается сжиганием иловых остатков в кипящем слое. Полученные нами данные и разработанные каталитические системы представляют интерес в плане экологически чистой утилизации некондиционных остатков нефтепереработки, а также развития селективных методов окисления углеводородов для получения востребованных продуктов химической промышленности.

Свет в конце туннеля

Стратегическую важность выполняемого проекта для отечественной индустрии резюмирует его руководитель - академик Валентин Пармон:

- Институт катализа много лет успешно сотрудничает с промышленностью, наш коллектив гордится тем, что это сотрудничество не прерывалось десятки лет, несмотря на внутренние и внешние вызовы. Разработанные нами промышленные катализаторы, безусловно, востребованы. Мы достигли этого благодаря выстраиванию глубокой кооперации внутри Сибирского отделения и РАН в целом. Особое внимание уделяем взаимодействию с образовательными учреждениями, то есть подготовке кадров и преемственности.

Думать о будущем нужно, но для начала обратимся к настоящему. Посмотрите вокруг и найдите предмет, которого не коснулась рука химика. Таких практически нет. Но вот найти отпечатки отечественного химика гораздо сложнее... Почему? Долгое время химический сектор экономики оставался разделенным между комитетами и министерствами, был обойден полноценной программой государственного развития. И не только сам химический сектор, но и смежные области промышленности. Как итог - отсталость технологий внутреннего производства. 

Являясь одним из мировых лидеров нефтедобычи, мы практически растеряли все сравнительные преимущества в производстве продуктов глубокой переработки нефти для реализации последних как на внешнем, так и на внутреннем рынке. Порой возникает ощущение, что никто и не пытается получить добавленную стоимость от переработки природных ресурсов на внутреннем рынке.

Однако не все так драматично. В нашей стране добывающая отрасль, неважно, что является объектом ее внимания - нефть или руда, встала на путь высоких технологий. Сейчас необходимо стимулировать потребление продуктов глубокой переработки природных ресурсов на внутреннем рынке. Для этого нужно компенсировать разрыв между академической наукой и производством, воссоздать на государственном уровне структуру, подобную отраслевым институтам. Кто должен за это отвечать, какова будет роль государства, Академии наук, крупных добывающих и перерабатывающих компаний - предмет для отдельного разговора.

- Какой вклад в решение стоящих перед мировой наукой проблем вносит коллектив вашего проекта?

- Мы работаем в чувствительной для большинства экономик области: эффективное использование природных ресурсов с минимальным воздействием на окружающую среду, что, согласитесь, невозможно реализовать без создания ресурсосберегающей энергетики. Катализ как инструмент для решения этих задач, разумеется, востребован на мировом уровне.

- Подобные гранты, на ваш взгляд, стимулируют создание фундаментальных основ новых отечественных технологий?

- Они, по меньшей мере, создают предпосылки к этому. Лет пять-шесть назад в одном из своих интервью я назвал абсолютно беспочвенными надежды на то, что крупный бизнес готов вкладываться в ту самую связку между производством и чистой наукой - опытно-конструкторскую и проектную инфраструктуру. Казалось, предприниматели согласны только приобретать технологическое решение, не принимая в расчет, что покупают импортное и тем самым впадают в зависимость от разработчиков. Сейчас наступает “просветление”, которому как раз и способствуют подобные гранты, предусматривающие финансирование фундаментальной составляющей со стороны некоммерческих фондов, а прикладной - со стороны крупных производственников. Надеемся, что это элемент продуманной государственной стратегии развития научно-технического комплекса страны.
Источник http://rscf.ru