6799
14 апреля 2021
Дария Гылымжанкызы, иллюстрация Айдара Ергали

Сауле Жолдаякова, инженер-эколог: «Выбросы от обычной ТЭЦ в 20 раз больше, чем от водорода»

О развитии водородной энергетики на озере Балхаш

Сауле Жолдаякова, инженер-эколог: «Выбросы от обычной ТЭЦ в 20 раз больше, чем от водорода»

Наша героиня родом из Жезказгана, но уже 11 лет живет и учится в Японии. Недавно она получила докторскую степень в области экологии и охраны окружающей среды университета Токай. После возвращения домой Сауле Жолдаякова планирует заняться внедрением в народное хозяйство страны водородной энергетики — как альтернативного источника энергии. В этом материале рассказывается о том, как добывать, хранить и транспортировать водород и как улучшить ситуацию с доступом к чистой питьевой воде.

После окончания школы Сауле выбрала факультет востоковедения КазНУ. «Интерес к Японии у меня был всегда, еще со школы, меня всегда привлекала их технико-технологическая мощь, но я тогда и не предполагала, что мой выбор приведет меня прямо к подножию Фудзиямы», — рассказывает Сауле.

На втором курсе КазНУ она подала на президентскую стипендию программы «Болашак» на бакалавриат по специальности охрана окружающей среды. После окончания бакалавриата по «Болашаку» решила продолжить магистратуру, а затем и докторантуру по международным и японским стипендиальным программам.

Кто такой инженер-эколог?

В Казахстане инженер-эколог, помимо прямых обязанностей, которые включают в себя контроль за выполнением на предприятии действующих положений, правил, инструкций и документов по вопросам охраны окружающей среды, еще отвечает за технику безопасности и за охрану труда. Получается один специалист выполняет роль трех. Экология в этой тройке занимает последнее место. В Японии такого нет. Вы эколог, значит, вы должны заниматься вопросами экологии.

Есть надежда, что обновленный Экологический кодекс изменит ситуацию в Казахстане и предприятия все-таки всерьез задумаются об улучшении экологического состояния в стране. Внедрение новых, более экологичных технологий в этом плане было бы выгодно и для самих предприятий, собственно, это дает им возможность расширения и развития своих производств с наименьшим ущербом для окружающей среды. И, конечно, в этом должно быть заинтересовано, в первую очередь, наше государство, наш народ: умение требовать соблюдения соответствующих экологических норм и правил от промышленного сектора, от инвесторов — это один из важных компонентов в решении вопросов экологии. Однако если предприятия вместо того, чтобы вкладывать в развитие инноваций и технологий, предпочитают заплатить штраф и дальше отравлять воздух, почву, воду, то как мы потом посмотрим в глаза будущих поколений?

Как можно добыть водород?

Я заинтересовалась водородной энергетикой примерно на третьем курсе. На первом и втором мы изучали различные виды экологических проблем. На третьем курсе нужно выбрать лабораторию и тему исследования для четвертого курса. Дипломная работа в Японии больше основана на практических знаниях. Особенность японского образования в том, что практический эксперимент во время учебы обязателен. Необходимо доказывать свои теории на примерах. Я хотела выбрать сферу, элементы которой можно внедрить в Казахстане. Изначально меня интересовали возобновляемая энергетика и отходы. Мой профессор Учида Сенсей показал эксперимент: как при получении энергии из водорода вместо опасных выбросов выходит вода. Я родом из Центрального Казахстана, где имеются проблемы с водными ресурсами. Получается, водород может стать не только источником энергии, но и воды. Конечно, японцы не совсем меня поняли, поскольку они окружены океаном и у них нет проблем с водой.

По сути, водород — это самый распространённый элемент в нашей Вселенной, но его в чистом виде не существует.

Чтобы как-то использовать водород, сначала нужно получить его и на данный момент есть несколько способов.

Есть четыре способа извлечения водорода при помощи электролиза. Электролиз — это разложение воды на водород и кислород при помощи постоянного тока, то есть при помощи электроэнергии. Самый экологичный способ — это Green hydrogen. Это когда мы используем электролиз с помощью ВИЭ (возобновляемый источник энергии). Источником энергии для электролиза будет, допустим, солнечная или ветровая энергетика. Здесь нет никаких выбросов. Второй вариант более распространённый, то есть получение водорода по методике Blue hydrogen. Это способ получения водорода при помощи природного газа и угля, но идет контроль выбросов СО2. Следующий способ Grey hydrogen — при участии натурального газа, но тут не контролируется выброс СО2. И Black hydrogen — это когда мы получаем водород при помощи угля. Это самый неэкологичный способ и, естественно, при нем тоже не контролируется выброс. Но одно дело добыть водород, а другое — хранить и транспортировать. Водород считается уникальным, потому что его главное достоинство — плотность. Допустим, при сжигании одного килограмма водорода мы получаем в три раза больше энергии, чем при сжигании одного килограмма бензина.

Может показаться, что самый чистый способ извлечения водорода считается самым дорогим, ведь для него нужны ветряки или солнечные установки. Однако это не так. К примеру, по системе Green hydrogen с каждым годом всё больше и больше добывают водород в Европе (Германия) и США (штат Калифорния). Цена водорода в этих регионах заметно снижается. Можно, конечно, напрямую использовать только солнечную или ветровую энергию без извлечения водорода. Но проблема в том, что эти природные явления непостоянны. Плюс батареи имеют ограниченный срок службы — максимум 20 лет. В случае с водородом срок действия дольше. И вопросы с хранением тоже могут отпасть, если применять правильные способы. Его можно хранить дольше, чем другие продукты ВИЭ. Можно эти способы комбинировать. Например, солнечная энергетика только днем, а ночью — водородная.

Как хранить водород?

Водород очень трудно хранить. Есть три вида его хранения: в виде газа, жидкости и в твёрдом. Самый стандартный — в баллонах в виде газа, но его нужно хранить под высоким давлением, и это небезопасно. Второй вид — жидкий, для этого нужна низкая температура, а чтобы её получить, опять-таки необходима энергия. Плюс специальные резервуары, чтобы хранить водород в жидком состоянии. Этот метод считается сложным и не совсем экономичным. Скажем, сегодня в Японию водород транспортируется по морю из Австралии в жидком виде, это ещё допустимо. А транспортировать по континенту сложнее. Третий вид — это твёрдый формат хранения. Но это не означает, что водород становится твёрдым. Это метод, когда мы используем металлы, и он считается самым безопасным способом, но тут есть другая проблема. Металлы, в которых можно хранить водород, очень редкие и дорогие, — например, лантан. Самый распространённый сплав — это лантан и никель — LaNi5. Но, тем не менее, я предлагаю использовать метод твёрдого вида водорода, просто с участием сплавов других металлов.

Один из плюсов этого способа в том, что такие металлы можно использовать несколько раз, а некоторые — до 2000 раз. В своей работе я предлагаю использовать более дешёвые и распространенные на территории Казахстана металлы. К примеру, титан, хром, марганец и железо. Далее идет тщательный процесс получения сплава, затем его необходимо превратить в крошку. В итоге нам необходимо получить металл, который впитывает водород и из которого можно внедрить или извлечь водород при комнатной температуре и низком давлении. Здесь наиболее уникален марганец, который вступает в реакцию с водородом. Водород должен быть суперчистым, чтобы вступить в реакцию с другими металлами. А в случае марганца, даже если водород слегка загрязнен, он может играть роль фильтра, который не дает попасть вовнутрь кислороду и другим примесям газа.

Водород с другой стороны

Самое первое упоминание водорода как источника энергии я встретила ещё в детстве, в книге Жюля Верна «Таинственный остров». Там описывалось, что воду можно использовать в качестве энергии с помощью водорода. Опыт использования водорода в качестве источника энергии был и в реальном мире. Но век водорода оказался недолгим. Во-первых, его отодвинула нефть, во-вторых, водород и тогда, и сегодня считается не совсем безопасным. Он моментально воспламеняется, причем быстрее, чем газ или нефть. Был случай, когда дирижабль летел на водороде и взорвался. После него было много шума, и интерес к водороду упал. Сейчас, когда я упоминаю, что занимаюсь водородной энергетикой, у людей сразу же возникает вопрос о безопасности.

Позже водород стали использовать для повышения качества нефтепродуктов и газа. Но это не совсем экологично. Когда мы используем нефть и газ, выделяется СО2, а мы знаем, что вся сознательная часть человечества пытается уменьшить его объемы. Поэтому использовать водород именно таким образом не совсем целесообразно. Кстати, сегодня существует и другой метод. Выбросов СО2 в мире очень много. И чтобы они просто так не пропадали, их можно перемешать с водородом и получить газ – метан. Иными словами, создать такой цикл, где СО2 может не просто выбрасываться в атмосферу, а снова становится источником энергии. В рамках исследовательских работ этим занималась одна канадская компания. Возможно, имеется даже пара действующих заводов, но это не так распространено. Однако у данной системы есть все шансы стать массовой, ведь чисто водородная инфраструктура выходит дороже. Наверное, это и особенность человечества: для нас экономика важнее экологии.

Водородная энергетика в быту японцев

Существует водородный топливный элемент. Это обратный вариант электролиза. Есть аппарат топливного элемента, куда внедряется водород. Можно использовать отдельный баллон с кислородом, можно кислород использовать из воздуха. Водород и кислород вступают в реакцию и выделяется энергия, затем она превращается в электроэнергию и дополнительно производится вода. В Японии топливный элемент можно использовать в автомобилях. Например, в популярной марке «Тойота Мирай». Сам водород они берут на станции. Сейчас в Японии 135 станций, где можно заправиться водородом. Время заправки 3 минуты. Допустим, можно получить 5 кг водорода и на нем проехать 650 км. Это как доехать из Алматы до Талдыкоргана.

Но топливный элемент можно использовать и дома. Возьмем, к примеру, большую станцию. Топливный элемент, допустим, будет находиться в одном здании и оснащать его электроэнергией и водой. Или можно использовать топливные элементы меньших размеров в частном доме. В Японии 240 тысяч домов используют водородный топливный элемент. И это не что-то заоблачное и сверхъестественное. Самый популярный топливный элемент представлен компанией Panasonic. Водородная энергетика — это система. Сначала нужна продукция водорода – это электролиз. Аппараты электролиза уже есть и реализуются. Даже в Казахстане необязательно его самим создавать, можно просто купить. Сейчас главная задача на рынке— улучшить КПД. Затем хранение и транспортировка водорода. Потом, только утилизация водорода — это тоже готовые аппараты. Они уже существуют и широко используются в развитых странах.

Водородная энергетика в Казахстане

Я понимаю, что для Казахстана это громкие слова. Я читала, что у нас есть программа, где обозначена цель: до 2030 года доля ВИЭ должна достигнуть 30%, а до 2050 года — 50%. Но, если честно, я не думаю, что мы успеем перейти на ВИЭ в указанные сроки в таком количестве. Даже если в 2050 году мы будем 50% энергии получать от ВИЭ, её нужно будет хранить. Пока у нас не задумываются, как это делается. Пока лишь решают, как этого достичь. И здесь речь, в основном, о солнечной и ветровой энергетике, водород даже не рассматривается. Хотя я видела пару материалов о голландской компании, которая выиграла тендер в Казахстане для получения водорода. Недавно так же видела, что канадская компания собирается в Атырау получать водород. Но каким способом, когда и в каком количестве, — конкретной информации не было.

Свою исследовательскую работу я не могла посвятить лишь водородной энергетике в Казахстане. Допустим, мы можем проводить исследования только для Казахстана, но это будет интересно лишь в нашей стране. А мы должны думать на уровне всего человечества. Поэтому Казахстан я использовала как пример и решила исследовать транспортировку и хранение водорода, поскольку данный вопрос всё ещё актуален на мировом уровне.

Я, как коренной житель Казахстана, как гражданин своей страны, хорошо знаю, что у нас существуют проблемы с водой, с энергетикой, но официальные статистические данные говорят, что у нас таких нет проблем. У меня были некоторые сложности в работе с данными, когда я писала диссертацию, получается, проблема есть, а доказательств нет. Тогда мой сенсей дал хороший совет: важна моя позиция, мой личный опыт. Думаю, исследователю в Казахстане непросто описать реальную картину в том или ином вопросе...

Как я уже отмечала выше, в своей работе я старалась использовать металлы, широко распространенные в Казахстане. И моя главная цель — решать реальные проблемы. Такие как проблемы энергетики и дефицита воды, используя при этом существующую внутри страны инфраструктуру. Сплавы металлов очень тяжёлые, и чтобы их транспортировать в грузовиках, на машине или автобусах, необходимо больше энергии. Я же предлагаю транспортировать их с помощью железных дорог, ведь у нас достаточно разветвленная сеть. Если эту систему получится внедрить в Казахстане, то сможем продвигать её и дальше, скажем, в другие страны Центральной Азии, где тоже имеются проблемы с энергетикой и водой.

А если подключить фантазию, то эту же систему можно будет внедрить потом на Марсе, ведь в космосе довольно много водорода. И в один прекрасный день человечество может колонизировать Марс.

Но вернемся в Казахстан. Здесь энергия из запасов добывается на 200%, в Японии — это всего лишь 10%. Получается, у нас очень много энергии, мы половину получаем, остальное экспортируем. А Япония, наоборот, импортирует. Поэтому они хотят повысить уровень самообеспечения энергии. И они уже начали акцентироваться на водородной энергетике, развивают инфраструктуру. Но проблема энергетики — это не только наличие или отсутствие технологий, это ещё связано и с политикой. Скажем, предыдущий премьер-министр Японии Шиндзо Абэ акцентировал внимание на водородной энергетике, и государство субсидировало разные проекты, связанные с водородом. Каждый год проходят выставки водородных технологий, и я их непременно посещаю. Появляются новые компании и проекты, существует всемирное сообщество водородной энергетики, которое проводит всемирную конференцию раз в два года. Я сама несколько раз в них участвовала и замечаю, что с каждым годом всё больше участников не только из развитых, но и из развивающихся стран. То есть водород потихоньку становится популярным.

Что мешает развитию водородной энергетики в Казахстане? Нет инфраструктуры — нужны заводы для производства водорода, агрегаты для изготовления сплавов и внедрения в них водорода, а также топливные элементы для получения электроэнергии и воды. Политика иногда закручивает гайки, несмотря на официальные документы, где Казахстан планирует перейти к ВИЭ. Ну, и, наверное, неготовность общественности, точнее, плохая осведомленность. Но есть и хорошие новости: я слышала, что в этом году министерство образования и науки РК выделяет гранты на исследовательские работы, и водород там тоже был как источник альтернативной энергии. Может, после этого интервью найдутся заинтересованные предприниматели для реализации моих идей. Если так, то я буду рада сотрудничеству.

Чтобы внедрить систему водородной энергетики в Казахстане, изобретать «новый велосипед» не нужно, мы можем приобрести и использовать готовые аппараты. Однако теперь передо мной встает вопрос: «Учёный должен заниматься наукой для науки или решать конкретные проблемы?». В своем исследовании я использую фундаментальную и прикладную науки. Для меня важно, чтобы научные работы были реализованы, а не просто оставались в видеопубликациях или книгах. И многие мои коллеги, ученые, с которыми я сталкивалась по учебе, по работе, уверены, что важно не только открыть, но и внедрить. А также думать о последствиях: социальных или экономических. Чтобы не получилось так, что водородную энергетику будут использовать те, у кого есть возможность. А у кого нет — могут так и не узнать, что такое водород. Это была философия основателя нашего университета Токай-Мацумае Шигиёши. Он был инженером-электриком, потом был министром коммуникации Японии. Он всегда считал, что инженер-учёный должен думать не только о своей работе. Очень важно, чтобы у него была связь с социумом. В теории я добилась этого баланса.

Немного об исследовании

В своем исследовании я рассматривала город Нур-Султан. По данным сайта worlddata.info, один человек в Казахстане использует 5000 кВт энергии в год. Таким образом, находим ориентировочную необходимую энергию для жителей столицы. Далее сравниваем процессы методов получения данной энергии. В нашем случае это ТЭЦ и водород. В результате получается, что выбросы CO2 у ТЭЦ в 20 раз больше, чем у водорода, даже с учётом использования энергии для производства и транспортировки водорода. Я учитывала весь цикл, сделала анализ и получила показатель. Поэтому с уверенностью могу сказать, что водород более экологичен.

Водород мы получаем из пресной воды. Однако сейчас уже существуют технологии для получения водорода из солёной воды, но самое распространённое — обычная вода. Рассмотрим показательный эксперимент: возьмем воду, добавляем NaCl, и, используя стержень для механического карандаша, соединяем его с батареей, далее с LED-лампой. Опустив стержень карандаша в воду, можно увидеть, что LED-лампа начинает гореть. Это означает, что электричество проходит через карандаш. На стержне карандаша мы увидим пузырьки: это отдельно выделяется водород. Мы видим процесс расщепления воды на водород и кислород. Это и есть зелёный формат получения водорода при помощи солнечной и ветровой энергии из воды.

В своей работе я рассматриваю озеро Балхаш. Там можно запустить станцию солнечных батарей, и используя соответствующую технологию, воду из Балхаша, можно превратить в водород, а при помощи сплава металлов транспортировать его в столицу по железной дороге.

У нас восемь основных рек и три основных озера, 45% рек трансграничные, — мы не можем свободно использовать эти водные ресурсы. Если кто-то из соседних стран построит дамбу, то мы не сможем получить необходимый нам объем воды. Возможно, в будущем столице будет трудно обеспечивать себя водными ресурсами. Каспий мы тоже не можем использовать, так как делим его с разными странами. Аральское озеро уже высохло. Получается более или менее подходящий вариант — это Балхаш, который нужно использовать максимально эффективно, в данном случае — как источник водорода.

Почему я рассматриваю столицу? Потому что, во-первых, если начнешь с регионов, никто даже интересоваться не будет данным проектом. Во-вторых, население столицы увеличивается с каждым годом. Много людей будут использовать и энергию, и воду. Я рассмотрела экологический след транспортировки питьевой воды из Балхаша в столицу. Просто транспортировка воды выходит менее экологичной, чем транспортировка водорода, который может быть и энергией, и водой. Хотя следующие данные могут сильно удивить, но всё равно использование водорода экономически и экологически выгоднее, чем другие виды источников энергии: только 2% водорода от общей массы металла находится в баллонах. И при извлечении водорода из сплавов есть небольшая потеря. В сплаве, который предлагает мировая практика — LaNi5 — всего 1,4% водорода от общей массы сплавов. В моем варианте сплавов металла получилось примерно 2%. Если перекинуть сплавы металлов с водородом в поезда, то для столицы необходимо 500 вагонов водорода в сутки. Звучит внушительно, но мы пока рассматриваем водород как вспомогательный источник энергии. В результате выходит: 500 тыс человек получают и энергию, и воду, остальные 500 тыс — только воду. То есть, с помощью водорода мы получаем больше воды, чем энергии. Своеобразный энергетический баланс: 500 тыс человек может использовать водород, а остальные 500 тыс — газ и электроэнергию.

Опыт научной деятельности

В Японии есть такая система, когда университет, исследовательский центр и промышленный сектор связаны между собой. На мой взгляд, этот опыт был бы полезен и Казахстану, ведь у нас обычно промышленность и университеты сами по себе. А про отечественные исследовательские центры я практически ничего не знаю. Допустим, обучаясь в университете, я начинаю работу над выбранной для себя темой. Далее могу продолжить её в исследовательском центре, но уже более масштабно. Потом можно попробовать внедрить это в промышленность. Естественно, те же студенты потом могут туда устроиться на работу. Мне тоже выпал шанс поработать в таких компаниях как Toshiba, Panasonic, Hitachi. Есть различные исследовательские центры, где воочию можно увидеть работу местных ученых, увидеть свои результаты. Это очень мотивирует. В Японии системы в государственных и частных университетах разные. В государственных университетах есть хорошая поддержка от государства. Они хорошо спонсируются, и у них исследовательская деятельность работает как конвейер. Студент, зайдя в лабораторию и занимаясь каким-то исследованием, становится частицей одного большого университетского исследования.

Мне тяжело судить о науке и научной деятельности в Казахстане. В 2017 году я специально приехала в столицу на «Экспо», чтобы выступить на конференции всемирных учёных и инженеров. Ради этого я отказалась от предложения поехать в Штаты. Поддержав мой энтузиазм, университет оплатил мое участие на конференции, мои преподаватели надеялись, что мое выступление будет интересным, прежде всего, моей стране. Но, увы, непосредственно в день конференции я узнала, что меня нет среди спикеров. Оказалось, что время моего выступления «передали» ректору одного из университетов. «Вы же понимаете, он профессор, а вы — просто студент», — сказали мне тогда организаторы. Было обидно, но больше всего расстроились мои преподаватели, они даже написали письмо организаторам от имени университета. Однако, насколько я знаю, ответа от них так и не получили. После этого мне все говорили: «Ты точно хочешь заниматься наукой в Казахстане?».

Тем не менее, я не перестаю надеяться, что, вернувшись на Родину, смогу работать по специальности.

Наука в Казахстане. Пациент жив или мёртв?

Я читаю статьи некоторых казахстанских учёных и вижу, как они стараются. Я очень уважаю их, но здесь проблема, наверное, не только в том, жив пациент или мертв. Здесь проблема в самой больнице и в методах лечения врача. Потому что страдают пациенты из соседних палат. Например, образование.

Данная публикация стала возможной благодаря помощи американского народа, оказанной через Агентство США по международному развитию (USAID) в период с 05.03.2021 по 04.07.2021, и был подготовлен в рамках «Центральноазиатской программы MediaCAMP», реализуемой Internews при финансовой поддержке USAID. Проект «Gylym Faces» несёт ответственность за её содержание, которое не обязательно отражает позицию USAID, Правительства США или Internews.