Институту биоорганической химии и нефтехимии НАН Украины уже 20 лет. В разное время здесь работали известные в Украине и за ее пределами ученые – академик АН Украины В.С. Гутыря, члены-корреспонденты НАН Украины А.И. Луйк, А.А. Ясников, профессора А.А. Григорьев, П.Н. Галич, О.Л. Главати, С.Б. Серебряный, В.Т. Скляр. Со дня основания и до настоящего времени институтом руководит академик НАН Украины В.П. Кухарь. Ученые института внесли весомый вклад в решение фундаментальных и прикладных проблем современной химии. Среди достижений важнейшими являются синтез и разработка биологически активных пептидов, белков, новых регуляторов для применения в медицине и сельском хозяйстве, химические модели биологических процессов, разработка научных основ и технологий получения практически важных нефтепродуктов (топлив, смазочных материалов и т.п.), решение экологических проблем.
Резкий рост мировых цен на нефть и нефтепродукты, хроническая зависимость Украины от одной страны — поставщика энергоносителей и, как следствие, критическая ситуация с российским газом — все это не только создало сложные проблемы для отечественной экономики, но и представляет серьезную угрозу национальной безопасности нашего государства. Поэтому сегодня очень актуальным является поиск альтернативных источников энергии. О некоторых разработках, касающихся моторных топлив, — в нашем интервью с директором института академиком Валерием Кухарем.
Валерий Павлович, вероятно, самая острая экологическая проблема больших городов — прогрессирующее загрязнение воздушного бассейна вредными выбросами двигателей внутреннего сгорания...
—Да. Именно автомобильный транспорт лидирует по отрицательному влиянию на окружающую среду: в больших городах он является главным источником загрязнения атмосферного воздуха — до 80% и в большой степени — до 65% — обуславливает местные климатические условия. С неблагоприятными факторами окружающей среды центральных районов Киева связано 30—35% случаев различных заболеваний. Считается, что токсичные выбросы в воздух сокращают продолжительность жизни жителей больших городов на 8—10 лет. А автопарк Украины неустанно растет: в 2006 году он насчитывал уже свыше 8 миллионов автомобилей, и можно предвидеть его дальнейшее увеличение
Каким Вам видится выход из этой ситуации?
—Думаю, нужно использовать разные подходы и средства. В первую очередь — уменьшить удельные затраты топлива. Бесспорно, даст свои результаты более совершенная очистка выхлопных газов. Использование известных альтернативных топлив, которые исследует и наш институт (биоэтанол, биодизель — эфиры рапсового масла, водород и тому подобное), также является перспективным, но радикально это не решит проблему. Есть и новые привлекательные проекты, например, приспособление двигателей к работе на новом альтернативном топливе — диметиловом эфире (ДМЭ), который стали воспринимать как перспективный энергоноситель сравнительно недавно. В 1995 году группа известных фирм (Amoco Corp., Haldor Topsoe A/S и другие) на Всемирном конгрессе-выставке в Детройте (США) представила серию докладов — результат исследований ДМЭ, в которых доказывалось, что это экологически чистое дизельное топливо. В следующих публикациях диметиловый эфир уже был назван «дизельным топливом ХХІ века». Хотя по энергоемкости ДМЭ в полтора раза (на единицу массы) уступает традиционной солярке, но по другим показателям его преимущество бесспорно: цетановое число составляет 55—60 против 40—45, температура возгорания — 235°С, а не 250°С, как у дизельного топлива. К тому же свойства ДМЭ обеспечивают бездымное горение, хороший холодный пуск двигателя, снижение уровня шума. Но главное преимущество ДМЭ как дизельного топлива — экологически чистый выхлоп. Содержание токсичных компонентов в нем (без применения каталитической обработки выхлопных газов) отвечает экологическим требованиям европейских норм «Евро-3» и «Евро-4», и автотранспорт хорошо адаптируется к новому топливу, поскольку по физическим свойствам ДМЭ близок к пропан-бутановым газовым смесям. Поэтому могут быть использованы уже апробированные условия их хранения и транспортировки.
Кроме того, расчеты японских ученых показали, что применение ДМЭ как топлива для газотурбинных установок более экономично, чем сжиженного нефтяного или сжатого природного газа. ДМЭ также легко деградирует в атмосфере, поэтому может служить заменителем известных фреонов — активных «разрушителей» озоновых слоев атмосферы. Можно также применять ДМЭ с целью получения чистого водорода для использования в топливных элементах — электрохимических генераторах автомобилей недалекого будущего.
Другими словами, сфера применения ДМЭ как энергоносителя дает мощный стимул для его производства в больших объемах. А это, в свою очередь, создает предпосылки для концентрации усилий исследователей на методах его синтеза. Кроме того, ДМЭ при необходимости можно использовать для получения из него бензина.
Как работают по этой проблеме ученые Вашего института?
—Мы разработали эффективные лабораторные процессы получения ДМЭ и высокооктанового бензина (через исходный ДМЭ). Производство диметилового эфира осуществляется в две стадии: получение синтез-газа из угля (каменного или бурого) или природного газа (смесь оксидов углерода и водорода) и дальше — каталитический синтез ДМЭ из синтез-газа. Обе стадии реализуются при повышенном давлении (50—60 атм). Технология получения ДМЭ близка к известной в Украине технологии производства метанола. Результаты наших исследований такие: из 1 тыс. м3 природного газа можно получить около 0,8—0,9 тонны ДМЭ или 0,3—0,4 тонны бензина. Такой бензин (с октановым числом 92) имеет высокие экологические характеристики, например, содержание ненасыщенных углеводородов в нем — около 0,1%. Расчеты уже позволяют думать о применении этого топлива и прогрессивной технологии в промышленном масштабе
Способы прямого получения ДМЭ из синтез-газа предлагают также и другие специалисты.
—Да. Например, фирмы МКК (Япония) и Haldor Topsoe (Дания). Они уже реализованы на уровне пилотных установок. В России учеными Института нефтехимического синтеза РАН по аналогичной технологии создана пилотная установка мощностью 200 кг в сутки с дальнейшим преобразованием ДМЭ в бензин. Есть также установки для получения бензина из метанола. Наибольшую активность в этом направлении проявляют зарубежные компании Shell, Exxon Mobil, Sintroleum, Conoco, Sasan.
Известно, что Вы были одним из инициаторов создания комплексной целевой программы прикладных исследований «Биотопливо» НАН Украины. Что в ней предусмотрено в контексте нашего разговора?
—В концепции этой программы предусматриваются исследования по таким важным темам, как усовершенствование технологий получения биотоплива (биодизель и биоэтанол), разработка методов получения из биомассы сухих отходов углеводородов — заменителей нефтяных, создание комплексных технологий использования биосырья для получения биотоплива и использования побочных продуктов, получения целого ряда известных или перспективных органических химикатов (полилактат, молочная кислота, гидроксимасляная кислота, глютаминовая кислота, фурфурол и продукты на его основе). «Запуск» программы даст возможность нашим ученым внести свой вклад в решение этой глобальной проблемы. А кроме того, программа позволит объединить и координировать исследования специалистов разных научных направлений — химиков, генетиков, микробиологов и других.
Каких успехов достиг институт в этом направлении?
—Вместе с коммерческими структурами за пять лет всеми правдами и неправдами мы внедрили в небольших объемах бензины марок А-80, А-92 и А-95, которые содержат до 6 процентов обезвоженного биоэтанола, но с обязательным, подчеркиваю это, использованием специальных поверхностно-активных веществ, чтобы бензиновая смесь не расслоилась при хранении и транспортировке. Имеем в активе достижений проверенные в исследовательских условиях рецептуры бензинов, содержащих до 85 процентов биоэтанола, остальная часть — нефтяной бензин. Такие бензины по основным показателям отвечают европейскому стандарту Э85. Отмечу, что развитие этого вида биобензинов предусмотрено специальной директивой Европарламента, и уже к 2010 году 5,75% от общего объема топлива в странах — членах этой организации должно иметь биологическую основу.
Ряду фермерских хозяйств Украины и Латвии мы предложили для использования технологии получения биодизельного топлива на основе метиловых эфиров рапсового масла и генетически модифицированной сои. Ведутся активные исследования по получению биодизельного топлива по безотходной технологии с использованием вместо токсичного метанола этилового спирта. Есть интересные результаты применения растительных масел и их компонентов для различных технологических целей. Думаем и о получении таких биотопливных смесей, как этанол-ацетон-бутанол, производстве и использовании производных фурфурола. На повестке дня — биотопливный элемент.
Ваши оценки дальнейшего развития органического синтеза?
—Очевидно, уже в ближайшее время нефтехимическое производство органических материалов (то есть не только автомобильных топлив) будет базироваться на «трех китах»: углеводородах, углеводах и продуктах метаболизма растений. «Дети черного золота» — углеводороды из нефти, газа или продуктов газификации органического сырья и угля (синтез-газ) будут оставаться еще некоторое время основным сырьем для производства органических химикатов, растворителей и полимерных материалов. Однако быстро возрастет объем и ассортимент органических химикатов, производимых «белой химией» — ферментативной технологией из биомассы — с применением элементов традиционной технологии. Это органические кислоты, спирты, аминокислоты, продукты тонкого органического синтеза (специальные химикаты), растворители и другие.
Из биомассы растений будут выделяться продукты метаболизма — крахмал, высшие жирные кислоты, глицериды, белковые компоненты, витамины и некоторые полимеры, прежде всего каучуки. Растения, особенно генетически модифицированные, будут использоваться как источник экоприемлемых пестицидов и красителей, лечебных средств и тому подобное. Внимание к проблеме замены нефтяного сырья на биомассу вновь побуждает исследователей к активному поиску новых продуктов технического и бытового назначения из крахмала и целлюлозы, природных жирных кислот и спиртов. Не исключено, что на рынок вернутся некоторые «старые» продукты из целлюлозы и крахмала, место которых заняли синтетические продукты. С другой стороны, появление на рынке доступных в значительных объемах химикатов из биомассы будет важным стимулом для расширения их применения и создания новых промежуточных и конечных продуктов.
Выходит, что новое — это забытое старое?
—Действительно, сколько раз мы с искренней благодарностью будем возвращаться к идеям и изобретениям наших мудрых предшественников, всякий раз вспоминая философский закон о движении истории по спирали! Живая природа существует благодаря хорошо согласованным процессам стойкости, взаимосвязи и круговорота вещества-энергии, что является наилучшим воплощением принципов устойчивого развития. Углубление наших знаний о биологических процессах и использование богатых возможностей биосферы и является основой устойчивого развития человечества
А теперь о каменном угле как перспективном источнике альтернативных моторных топлив. Ведь украинские запасы энергетического угля, по оптимистическим прогнозам, составляют около 120 миллиардов тонн, чего может хватить более чем на 400 лет добычи даже при возрастающем потреблении. Украину считают самой перспективной среди стран СНГ для реализации проекта по производству таких видов топлив.
—Производство синтетических моторных топлив из синтез-газа основано на каталитическом процессе Фишера-Тропша или же на мобил-процессе (тоже каталитическом) через промежуточное получение метанола. Таким методом получали моторное топливо в Германии во время второй мировой войны и в Южно-Африканской Республике, когда действовало эмбарго на ввоз нефти. Процесс технологически хорошо разработан, но дорог. Сейчас в мире действуют лишь отдельные заводы по производству жидкого топлива указанными методами (фирм «Шелл» в Малайзии и «Сасол» в ЮАР), которые имеют, скорее, демонстрационный характер возможностей современной каталитической химии. То же касается и производства бензина из метанола (небольшой завод фирмы «Мобил» в Новой Зеландии). Кстати, по подсчетам экономистов нашего института, цена установки фирмы «Сасол» из ЮАР достигает 2,3 миллиарда долларов. Она должна давать минимум 1 миллион тонн топлива в год при потреблении 3—4 миллионов тонн угля. Строить большие предприятия на основе этих технологий рискованно, но рост цен на нефть и газ может оправдать производство синтетических моторных топлив. Например, в прошлом году появились сообщения о намерениях Китая, имеющего мощные месторождения угля, построить несколько предприятий по технологии «Сасол».
Но ведь в Украине нет других полезных ископаемых, имеющих большее энергетическое значение и геологические объемы запасов, чем уголь. И рано или поздно Украина вплотную подойдет к необходимости его переработки в альтернативные виды топлива.
—Дать старт такому проекту — это, пожалуй, вопрос государственной мудрости и политической дальновидности. А еще — политической воли и заботы о благосостоянии потомков.
Сегодня о водороде все чаще говорят как о топливе будущего. Во многих странах мира исследования по водородной энергетике относят к приоритетным направлениям развития альтернативных источников энергии. Видимо, мировой бум в области водородной энергетики не мог не привлечь внимания ученых института.
—Над этой проблемой мы работаем уже почти три года. Есть определенные достижения. Например, за это время разработаны действующие образцы низкотемпературных топливных элементов для получения электроэнергии с использованием в качестве топлива водородсодержащего сырья, например, глюкозы, сероводорода, продуктов бактериального брожения крахмала, меляссы или водных растворов биомассы. Некоторые из этих разработок защищены международными и отечественными патентами. Уже сегодня мы имеем модель низкотемпературной топливной ячейки на основе водных растворов глюкозы, муравьиной кислоты и бактерий Aeromonas formicans, что открывает новые возможности в создании биотопливных ячеек, используемых в водородной энергетике.
Вполне возможно, что водородные автомобили будущего смогут работать,
образно говоря, на микроорганизмах. Американцы в позапрошлом году обнаружили целый ряд штаммов, которые извлекают водород из некоторых сахаров. Причем с очень высоким выходом — до 50 процентов. В дальнейшем ученые собираются приучить их «питаться» целлюлозой, крахмалами, а полученный водород «сжигать» в топливных элементах.
В нашем институте разработана программа развития альтернатив нефтепродуктам. Сотрудники шутя называют ее «Десять шагов навстречу».
Дойдем ли мы «до встречи» с производством на основе передовых разработок наших ученых или будем топтаться на месте, пока нас не обгонят другие? Как пел Владимир Высоцкий, «Красота… – среди бегущих первых нет и отстающих»… Но когда нас догонят «бегущие», будет уже поздно.
—Несомненно, Украина должна поторопиться с решением проблемы альтернативных топлив (бензин из угля и газа, биоэтанол, биодизель, сжиженный и сжатые газы, водородная энергетика и другое) и использования биосырья в промышленности органического синтеза. К ее решению должны активнее приобщиться не только ученые, но и руководители государства. У нас есть для этого все основания — и благоприятные природные условия, и довольно высокий уровень технологического опыта, и промышленный потенциал, и квалифицированные кадры ученых, технологов, производственников. Нам только нужно осознать, что лучше быть в числе пионеров перспективных технологий, чем потом догонять, опомнившись и укоряя себя за упущенные возможности.