Наноспасение человечества

Александр Механик
обозреватель журнала «Эксперт»
12 октября 2015, 00:00

Разработки российской компании способны существенно снизить угрозу наступления глобального потепления

На прошлой неделе в Токио состоялась 2-я ежегодная конференция Innovation for Cool Earth Forum (ICEF 2015). Этот форум был посвящен возможности решения проблемы изменения климата с помощью инноваций. Одним из главных докладчиков был председатель правления ОАО «Роснано» Анатолий Чубайс. Если коротко изложит суть его выступления, то оно сводится к пяти пунктам:

1. 27% всех выбросов парниковых газов возникают при производстве и использовании таких базовых материалов, как сталь, цемент, бумага, алюминий и пластики;

2. Единственный способ сократить эти выбросы — радикальное повышение эффективности производства и использования этих материалов;

3. Нанотехнологии предлагают решение этой проблемы с помощью легирования этих материалов наноприсадками, которые в разы повышают их прочностные характеристики и, следовательно, уменьшают потребность в этих материалах и в потребляемой энергии;

4. Одностенные углеродные нанотрубки — пример уже работающей универсальной присадки;

5. Глобальное применение наноприсадок не требует серьезных затрат.

Суммарное снижение выбросов ПГ за счет легирования базовых материалов SWCNT zzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzznano_graph.jpg
Суммарное снижение выбросов ПГ за счет легирования базовых материалов SWCNT

Заявление Чубайса основано на серьезных достижениях в области наноприсадок, достигнутых при поддержке «Роснано» новосибирской компанией OCSiAl, которая впервые в мире наладила промышленное производство одностенных углеродных нанотрубок (SWCNT). Производственная установка по синтезу этого материала спроектирована на основе открытий одного из основателей компании члена-корреспондента РАН Михаила Предтеченского (см. «Нанотрубный выход человечества» «Эксперт» № 11 за 2013 год). Текущая мощность установки — около 10 тонн в год, больше совокупной мощности всех реакторов в мире, она покрывает все мировые потребности в этом материале. Как показывают эксперименты, проведенные в компании и подтверждаемые другими исследователями, даже небольшие присадки SWCNT — от сотых долей процента до нескольких процентов — позволяют резко улучшить прочностные характеристики различных материалов. Например, добавка одного процента SWCNT в алюминий позволяет получать материал со свойствами, близкими к стали. И это может привести к далеко идущим последствиям: к снижению потребления этих материалов и, соответственно, снижению энергопотребления при их производстве, и, соответственно, к снижению выбросов парниковых газов.

Тенденции потребления материалов

Во всей истории человечества не было периода, подобного XX веку: численность населения выросла в четыре раза, глобальный ВВП — в 24 раза, а потребление всех материалов увеличилось в восемь раз. При этом потребление биомассы выросло в 3,6 раза, металлических руд — в 27, а строительных материалов — в 37 раз. Рост потребления материалов составлял от 1 до 4% в год.

Удельный расход топлива и материалов на душу населения имел общую тенденцию к росту, который заметно ускорился в послевоенный период (1945–1975 годы). После этого оба показателя на время стабилизировались, но с 2000 года началась новая волна их роста. Можно отметить четыре периода разной динамики потребления материалов на душу населения: 1900–1945 годы — рост только на 0,23% в среднем в год; 1945–1973-й — рост на 1,55% в год; 1973–2000-й —примерно на 2% в год; 2000–2015-й — на 2,6% в год. Таким образом, с 2000 года началась новая волна роста глобального показателя потребления материалов на душу населения. Потребление базовых материалов ускорилось и только в 2000–2011 годах выросло почти в полтора раза, или в среднем повышалось на 3,7% в год. Экстраполяция этих темпов дает оценку потребления базовых материалов на уровне почти 90 млрд тонн в 2015 году.

Внедрение современных материалов нацелено на то, чтобы обеспечить спрос на них при минимальном объеме использования их физических объемов и добычи природного сырья для их производства.

Например, Япония демонстрирует возможности абсолютной дематериализации экономики — ее роста при снижении потребления материалов. Многие страны ОЭСР уже на протяжении 10–15 лет демонстрируют аналогичную модель в отношении потребления первичной энергии и минеральных материалов. Их ВВП растет (правда, сравнительно медленно) при стабилизации потребления энергии и материалов и при снижении потребления органического топлива. Они вышли на уровень насыщения черными металлами и уже не нуждаются в наращивании их использования, а в производстве все больше полагаются на использование металлолома. В отношении других материалов, например алюминия, насыщение еще не достигнуто даже в развитых странах. Однако развивающиеся страны, включая Китай и Индию, еще далеки от стадии дематериализации экономики. Поскольку их роль в глобальной экономике растет, то и глобальная экономика продолжает развиваться при растущей нагрузке на природные системы, порождаемой ростом использования биологических и минеральных материалов.

Сохранение таких тенденций приведет к росту нагрузки на ресурсную базу по мере роста численности населения Земли до 9–10 млрд человек и увеличения численности среднего класса с нынешних 1 млрд до 4 млрд человек. Эта нагрузка может выйти за пределы «несущей способности» планеты. Для разрыва связи между экономическим ростом и ростом потребления материалов необходимо существенно повысить эффективность использования материалов и снизить потребление органических видов топлива. Помимо экологических преимуществ снижение материалоемкости и энергоемкости положительно влияет на многофакторную производительность и тем самым — на темпы экономического роста.

Производство материалов и потребление энергии

При производстве материалов происходят выбросы от двух составляющих: от «энергетики» (сжигание топлива и летучие выбросы от топлива) и от промышленных процессов. Например, при производстве цемента CO2 образуется в процессе получения клинкера при нагревании или кальцинировании известняка. При производстве чугуна и стали могут выделяться диоксид углерода, метан и закись азота.

Если в 1970–2000 годах весь прирост выбросов парниковых газов (ПГ) от промышленности составил 3 млрд тонн СО2, то за вдвое более короткий период — 2000–2014 годы — 6,5 млрд тонн. Соответствующие приросты выбросов при производстве материалов равны 2,1 и 3,9 млрд тонн СО2. То есть среднегодовой прирост вырос в четыре раза.

Суммарный объем потребления энергии определяют фактически пять групп материалов («большая пятерка»): сталь, цемент, бумага (и картон), алюминий и пластики. Самые углеродоемкие - базовые материалы с учетом прямых и косвенных выбросов от сжигания и промышленных процессов — неметаллические минералы (20%), черные металлы (16%) и продукция химической промышленности (14%). Отрасли с самыми быстрорастущими выбросами — производство цемента и черных металлов.

Влияние SWCNT на потребление материалов и энергии

Однако сейчас появились возможности резко повысить эффективность использования материалов благодаря их армированию SWCNT. Добавление 0,2% SWCNT на единицу массы алюминия позволяет повысить предел прочности при растяжении на 150% или сократить потребность в алюминии в два с половиной раза. При легировании в пропорции 0,1% предел прочности при растяжении повышается на 100%. Для меди добавление 0,1% SWCNT на единицу массы меди позволяет повысить предел прочности при растяжении на 100%, или сократить потребность в меди вдвое. Для бетона добавление всего лишь 0,001% SWCNT позволяет повысить упрочнение на сжатие на 70%, что должно привести к снижению его потребления в 1,7 раза на единицу полезной функции. Аналогичные результаты достигаются и при легировании других материалов SWCNT. То есть добавки SWCNT к базовому материалу ведут к сокращению потребности в нем за счет повышения его потребительских свойств (прочности, упругости и др.) и, следовательно, к снижению энергопотребления и, соответственно, выбросов парниковых газов.

Что дают наноприсадки zzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzznano_shema.jpg
Что дают наноприсадки

Расчеты, проведенные компанией OCSiAl, показывают, что суммарное снижение антропогенных выбросов ПГ от процессов производства базовых материалов за счет снижения потребности в них при их легировании SWCNT, а также за счет снижения массы автомобилей и самолетов, составит 1970 млн тонн СО2 в 2035 году, 3300 млн тонн в 2050-м и 7230 млн тонн в 2100-м. Если до 2035 года основной вклад придется на производство базовых материалов, то затем существенно вырастет эффект от снижения массы автомобилей и самолетов, который к 2050 году превысит пятую часть суммарного эффекта, а к 2100-му достигнет его половины. В 2075–2100 годах основной прирост эффекта будет получен за счет снижения массы самолетов.

В результате кумулятивное снижение выбросов за 2015–2100 годы составит 331 млрд тонн СО2, что кратно шести объемам всех антропогенных выбросов за 2014 год и восьми годовым объемам выбросов ПГ от сжигания топлива и от промышленных процессов. Для этого необходимо увеличить производство и использование SWCNT до 167 тыс. тонн в 2035 году, до 289 тыс. тонн в 2050-м и до 429 тыс. тонн в 2100-м.

Другими словами, благодаря легированию базовых материалов SWCNT перед человечеством открывается перспектива существенной задержки развития процесса глобального потепления, а перед компанией OCSiAl — возможности освоения поистине безграничного мирового рынка наноприсадок.

Статья написана на основе отчета Центра энергоэффективности — XXI век (ЦЭНЭФ-XXI) о проведении НИР «Исследование влияния модификации (с помощью углеродных нанотрубок) базовых материалов на снижение глобальной антропогенной эмиссии парниковых газов»