Лаборатория CATКорреспондент «Газеты.Ru» побывала в каталитическом центре Университета Ахена и выяснила, как можно делать стулья из углекислого газа и ветра и что нужно, чтобы научные разработки быстро внедрялись в промышленности в максимально экономически выгодном режиме.
Университет Ахена (его традиционное название — Высшая техническая школа Рейна-Вестфалии) славится своими компетенциями в технических науках и особенной нацеленностью на прикладные работы и работы с промышленностью. В этом смысле каталитический центр CAT — дитя университета и промышленного гиганта Bayer — работает в полном соответствии с традициями вуза. Хотя формально он является частью химического факультета университета, часть лабораторий по виду больше напоминают промышленные цеха.
Почему центр занимается именно катализом, довольно очевидно. В школьном курсе химии нас учили, что «катализатор — это вещество, которое ускоряет реакцию, но само в ней не расходуется», но вряд ли это определение отражает ту громадную роль, которую играют каталитические процессы в промышленности и вообще в жизни каждого человека. Дело в том, что катализаторы не только ускоряют реакцию: правильно подобранный «помощник» может пустить ее по совершенному иному пути, привести к образованию совсем других продуктов.
Фактически это явление породило всю химическую и нефтехимическую промышленность: 90% сегодняшних «заводских» реакций каталитические.
Само собой, без катализаторов немыслима современная переработка нефти и производство полимеров. Нужно ли говорить, что сегодня из полимеров делают ровно все?
В центре CAT разрабатывают катализаторы для нефтехимического синтеза «без нефти» — эту идею немецкое министерство образования и науки сформулировало в проекте «Производство мечты». Конечная цель — коммерчески привлекательное производство полимеров, поликарбонатов и полиуретанов с использованием в качестве исходного сырья углекислого газа. Идея кажется простой и изящной: если люди производят слишком много углекислого газа, нарушая его баланс в атмосфере, было бы неплохо забирать его из воздуха, создавая из него полезные вещества и одновременно восстанавливая нарушенный баланс. А сложность в том, что процесс должен быть еще и экономически обоснованным, коммерчески привлекательным. Ученым нужно не просто создать катализатор, а отследить стоимость его производства, стоимость каждого компонента процесса, логистику и доступность энергии.
«Немецкое правительство решило построить дополнительные мощности по производству электроэнергии из возобновляемых ресурсов — ветряные электростанции. Это решение уже принято, и
к 2015—2016 годам 30—40% всей электроэнергии у нас в стране будет вырабатываться из возобновляемых источников энергии.
Особенность такой энергии — неравномерность выработки. То есть в пики производства энергия будет «лишней». В основном это строительство коснется севера нашей страны. Там же, на побережье Северного моря, размещены масса химических производств — нефтепереработка, аммонийные заводы, которые выделяют в атмосферу много углекислого газа. Таким образом, в одном месте сконцентрированы возобновляемые источники энергии, источники диоксида углерода и химические производства. Есть электролизеры, в которых из воды производят водород. Соответственно, из углекислого газа и водорода можно производить монооксид углерода, синтез-газ (смесь СО и H2. — «Газета.Ru»). Идея состоит в том, чтобы создать один большой электролизер (мы работаем над этим вместе с нашими партнерами, например, Siemens), чтобы использовать преимущества доступной «чистой» энергии в таком химическом производстве», — рассказал «Газете.Ru» доктор Кристоф Гютлер, глава программы катализа Bayer MaterialScience.
«Пока мы не планируем использовать углекислый газ из окружающей среды, мы концентрируемся на производящей его промышленности. Например, по всему миру множество аммонийных (аммониа) производств, которые вырабатывают массу СО2, причем мы имеем дело с направленным потоком чистого газа. Разумно это использовать, а не ставить задачу выделять этот газ напрямую из атмосферы. Это повысит и экологичность заводов. Вариант выделения СО2 из окружающей среды возможен, но на сегодня по экономическим причинам использование промышленных потоков углекислого газа более обоснованно.
Смысл в том, что при полной загрузке мощностей ветряных электростанций выработка энергии излишняя, ее будет некому использовать. Наша задача — применить ее. Даже сегодня, например, в условиях штормовой погоды ветряные электростанции вырабатывают избыточное количество энергии. Придется или останавливать мельницы, или останавливать обычные электростанции. И то, и то дорого, поэтому наша задача — предложить методику эффективного использования этой энергии», — добавил он.
Есть несколько путей использования CO2 в химической промышленности. На первом этапе планируется производить из углекислого газа низкомолекулярное сырье для химической промышленности: метанол, мочевину, салициловую кислоту. Кроме того, CO2 можно внедрить как дополнительное сырье в текущие процессы синтеза полимеров.
«Подобные технологии существуют, но наша задача — сделать ее экономически приемлемой, рыночно обоснованной для массового внедрения.
Это не только химия, но и вопросы коммерции, инфраструктуры. Мы должны, например, научиться массово получать дешевую муравьиную кислоту. Собственно, для переработки муравьиной кислоты мы стараемся также разработать более дешевые и рыночно приемлемые методики», — пояснил Гютлер.
Ученые CAT — прикладники, четко знающие конечные цели своей работы и налагаемые ими ограничения. Особенность таких разработок в том, что в отличие от фундаментальной науки первичным результатом является не публикация в научном издании, а патент. Только после оформления защиты прав интеллектуальной собственности для части разработок может идти речь о публикации. Глава каталитического центра Томас Мюллер, отвечая на вопросы, постоянно оговаривается: «Этот вопрос я осветить не могу, это запатентованная технология». Мини-завод в центре преследует сразу две цели — научную и образовательную. Во-первых,
разрабатываемые методики сразу можно попытаться перенести на промышленные установки и понять, дееспособны ли они в реакторах, а не пробирках.
А во-вторых, студенты, проходящие обучения в этом центре, приобретают практические навыки, которые делают их практически готовыми специалистами для предприятий. Те же, кто остаются в науке, имеют шансы создать свой собственный промышленный процесс, процесс будущего, которого на современных заводах вообще нет. Например, собрать углекислый газ и сделать из него полиуретан для пластмассового стула.
