Как, не прибегая к бюрократической лексике, объяснить – что такое интеграционный проект? Можно искать понятные определения типа «общая работа по одной теме специалистов разных институтов». А еще лучше – собрать за одним столом участников интеграционного проекта. Например, по оценке литиевых ресурсов Сибири и возможности их применения в современной электрохимической энергетике. Итак, наши собеседники:
Доктор геолого-минералогических наук, профессор Александр Геннадьевич Владимиров, главный научный сотрудник Институт геологии и минералогии им. В.С.Соболева СО РАН, г. Новосибирск.
Доктор химических наук Виталий Петрович Исупов, доктор химических наук, заведующий лабораторией Института химии твердого тела и механохимии СО РАН, г. Новосибирск.
Кандидат геолого-минералогических наук Сергей Захарович Смирнов, старший научный сотрудник ИГМ СО РАН, г. Новосибирск.
А.Г. Владимиров: Сильная страна - это страна, у которой есть собственная ресурсная база и новейшие технологии, опирающиеся на нее. Во времена Советского Союза главной задачей хорошо организованной геологической службы (Мингео СССР) было обеспечение страны минеральными и топливными ресурсами. Надо отметить, что несметные богатства, которыми располагает Россия, это как раз результат многих десятилетий изысканий советских геологов.
С переходом страны на новые экономические принципы и ценности резко изменилось отношение (и государства и общества, во многом посредством СМИ) как к ресурсам, так и людям, которое их обеспечивают. Интеграция в мировую экономику открыла для России доступ к другим источникам сырья. В условиях полного развала горнодобывающией отрасли, наступившего после перестройки, для российской промышленности стало проще и дешевле покупать сырье за рубежом, чем восстанавливать добычу на своей территории. В результате страна, обладающая большими запасами полезных ископаемых, стала зависимой от неожиданностей всемирного рынка.
Однако, дорога ложка к обеду. Полезные ископаемые не нужны до тех пор, пока в них не появится необходимость. Таковой является разработка новых технологий, тесно завязанных на местное, а не привозное сырье. К такому сырью относятся руды лития, самого легкого из металлов, который без сомнения можно назвать металлом новых технологий. Литий активно применяется в электротехнике для производства источников тока, для изготовления жаропрочных керамик и стекол, в производстве сплавов, необходимых в космической технике, и многих других отраслях. Россия обладает запасами лития, но так как он сосредоточен в низкорентабельных пегматитовых месторождениях, современная промышленность не рассматривает их в качестве перспективного источника. В то же время развитие новых методов обогащения руд и получения соединений лития, разработанных в институтах СО РАН и Росатома, требуют переоценки пегматитовых литиевых месторождений с позиций новых технологических подходов и использования полученных концентратов и соединений в промышленности. Именно эта задача была поставлена коллективом геологов, химиков и технологов в качестве основной при реализации интеграционного проекта СО РАН, который сокращенно назывался «Литий Сибири».
- Интеграционный проект – это совместная работа представителей разных научных дисциплин, решающих общую задачу. Что в нашем случае лежало в основе – наверное, проблема поиска оптимального сырья?
А.Г. Владимиров: - Я предлагаю начать наш разговор как раз не с геологии, а с конца, то есть химической и технологической части. Поэтому передаю слово доктору химических наук В.П. Исупову.
В.П.Исупов: - С моей точки зрения, важно не только иметь запасы литиевого сырья, технологии его переработки и традиционные области использования соединений лития, но и искать перспективные области использования литийсодержащих материалов, разрабатывать новые технологии их синтеза, и прицельно искать литиевое сырье для их реализации. Если мы посмотрим на современные области применения литийсодержащих материалов, то они связаны, прежде всего, с развитием индустрии химических источников тока. Сегодня на слуху литий-ионные аккумуляторы, но рынок этой продукции рано или поздно будет постепенно насыщаться. Если говорить о дальней перспективе, то надо искать другие области использования соединений лития и готовить соответствующие технологии. С этой точки зрения нам кажется перспективным направлением разработка карбонатных топливных элементов (КРТЭ), причем на основе отечественного сырья.
- А что это такое - карбонатные топливные элементы?
В.П. Исупов: - Это стационарные электрохимические устройства, в которых анодная и катодная часть разделены загущенным электролитом на основе расплава смеси карбонатов щелочных металлов. Эти устройства с высоким КПД (около 50%) вырабатывают электроэнергию. Они должны быть хорошо востребованы именно в России, с ее огромными расстояниями, удалёнными поселениями и другими объектами энергообеспечения. Я проводил предварительную, весьма грубую оценку: если при сегодняшней совокупной мощности тепловых электростанций в 150 гигаватт перевести на КРТЭ хотя бы несколько процентов этих мощностей, то мы получим колоссальный энергетический выигрыш. Для работы этих установок потребуется 10-15 тысяч тонн литиевых соединений: гамма-моноалюмината лития и карбоната лития.
С.З.Смирнов: - То, о чем говорит Виталий Петрович – это не батарейка и не аккумулятор. Это электростанция размером, например, с комнату. Она питает не сотовый телефон и не автомобиль, речь идет об энергоснабжении посёлков, приисков, узлов связи и иных удаленных объектов, в том числе оборонных.
В.П.Исупов: - Это устройство можно представить для простоты как «чёрный ящик», в который мы запускаем окислитель (воздух) и горючее, например, метан. Высокодисперсный гамма-моноалюминат лития является загустителем электролита. На выходе мы получаем электроэнергию, СО2 и пары H2O. В отличие от литий-ионных аккумуляторов для электротранспорта эти источники тока достаточно громоздки, но они могут устанавливаться на кораблях, надводных и подводных. Мощность уже освоенных за рубежом аналогов колеблется от 250 КВт до 2,5 МВт.
Такой тип источника тока экологичен, практически нет проблем с чистотой воздуха или какими-то вредными отходами. КПД – повторюсь, 50% против реальных 30% у угольных теплоэлектростанций. Представляете: стоит посёлок геологов и станция необходимой мощности питает его электроэнергией без единого дымка. Это особо удобно в тех случаях, когда рядом есть источник топлива: например, попутного или транспортируемого газа. Топливные элементы, КРТЭ, смогут свести к нулю ситуации, когда к удаленным нефтяным промыслам или газоперерабатывающим узлам доставляется дизельное топливо для их электроснабжения.
- Какова принципиальная схема кооперации геологов и химиков? Как устроена ваша «кухня»?
В.П.Исупов: - Наша совместная работа строилась следующим образом: геологи занимались уточнением запасов сырья, их расположением, вопросами обогащения и переработки. В нашем институте было взято за основу перспективное соединение (гамма-моноаллюминат лития), разработаны новые методы его синтеза и выполнены испытания в Институте высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН. Кроме того, этот материал испытывался на предмет возможности его применения в тепловых литиевых батареях в ОАО «Уралэлемент» (г. Верхний Уфалей Челябинской области).
А.Г. Владимиров: - Как геологи, мы занимаемся месторождениями: изучаем их состав, уточняем структуру и возраст. А потом, если можно так сказать, передаём в другие руки. После знакомства с коллегами из ИХТТМ и совместного «мозгового штурма» мы поняли, что цепочку необходимо продолжать, то есть заниматься вопросами извлечения, обогащения и транспортировки ископаемых. В частности, речь идет о сподумене, твёрдом кристаллическом минерале светло-зеленого цвета, из которого можно получать соединения лития. Совместно с химиками мы решили довести эту цепочку до технологии, которую можно передавать на заводы, производящие или способные выпускать источники электроэнергии нового поколения.
Выяснилось, что если брать в расчёт всю цепочку, то не всякое месторождение подходит. Во-первых, в зависимости от того, что нам заказывают технологи, сильно меняется стоимость извлекаемого сырья, и месторождение, ранее считавшееся убыточным, становится рентабельным. Именно с этих позиций был изучен ряд месторождений по Югу Сибири и Восточному Казахстану, и выяснилось, что далеко не все из них на перспективу до 10 лет выгодны. Но, в зависимости от того, как меняется конъюнктура рынка, встал вопрос о более глубоком изучении этих месторождений, чтобы быть готовыми к новым заказам промышленности. Во-вторых, мы решили создать геоинформационную базу данных (чем у нас в институте занимается Екатерина Мороз), чтобы переключаться с одного месторождения на другое и составлять технико-экономические обоснования.
С.З.Смирнов: - В геологии существует проблема богатых месторождений. Весь мир ориентирован на то, чтобы найти новые богатые месторождения – по той причине, что всё ранее разведанное с поверхности на сегодняшний день либо уже эксплуатируется, либо расположено слишком далеко или глубоко, либо ещё не открыто. В этой ситуации встаёт вопрос о том, что в интересах инновационных технологий не всегда надо искать крупные и крупнейшие месторождения: иногда хватает сравнительно небольших объёмов сырья при возможности качественного извлечения из него нужного вещества. В случае с соединениями лития получилась именно такая ситуация. В своё время главным минералом для получения лития был сподумен, на нем строилась вся литиевая индустрия СССР. Затем было обнаружено, что много лития содержится в отложениях соляных озёр, и практически весь мир переключился на более дешевое озерное гидроминеральное сырьё. В России существуют богатейшие гидроминеральные источники сырья на Сибирской платформе (Иркутская область). Однако, это подземные высокоминерализованные рассолы, содержащие промышленные концентрации лития, брома, бора и других компонентов. Глубина расположения подземных рассолов 1-1,5 км, а их удаленность и проблемы технологии извлечения пока не позволяют их использовать. Наиболее перспективными объектами сейчас являются литиеносные подземные рассолы в алмазных трубках Якутии. Для алмазной промышленности России эти подземные рассолы, которые поступают в шахты, необходимо откачивать и складировать на поверхности. Если для алмазодобычи это огромная технологическая проблема, как хвостов горно-обогатительного процесса, то с нашей точки зрения, – это крупное литиевое гидроминеральное месторождение. Этот проект уже выдвинут для реализации и поддержан Росатомом после всестороннего обсуждения на научно-практическом совещании с международным участием «Литий России. Минерально-сырьевые ресурсы, инновационные технологии, экологическая безопасность» (24-26 мая, г. Новосибирск, 2011 г.). Материалы этого совещания опубликованы в журнале «Химия в интересах окружающей среды», Т.20, № 1 январь-февраль 2012.
- Получается, что на сегодня в нашей стране нет действующих источников собственного литиевого сырья?
А.Г. Владимиров: - Когда по экономическим причинам «лёг на дно» горно-обогатительный комбинат в Забайкалье, работавший на сподуменовом сырье, были перепробованы разные варианты. Сподуменовые концентраты поставлялись из Австралии, из Южной Америки поступало гидроминеральное сырьё. Китай отказался от поставок после открытия совместного с Россией завода по производству литий-ионных аккумуляторов в Новосибирске. Китайцы вложили в него полтора миллиарда долларов, целевым образом завозят сырье, и почти 100% аккумуляторов для электротранспорта своих многомиллионных городов вывозят обратно – по сути, это толлинговая схема. Отдельным образом купить сырьё у них невозможно. Поэтому остро встал вопрос о том, чтобы запустить в России хотя бы одно месторождение литиевого сырья, и наша задача состояла в выборе оптимального варианта. При политической воле «Росатома» возможно привлечение инвестиций и запуск такого месторождения.
Максимальные коэффициенты полезного действия различных установок генерации электроэнергии (с учётом расхода на собственные нужды).
Гидроэлектростанции (ГЭС) – до 95%
Карбонатные топливные элементы КРТЭ – 47-50%
Тепловые электростанции с парогазотурбинной установкой – до 45%
Приливные электростанции – до 40%
Атомные электростанции (АЭС) – до 35%
Тепловые электростанции на угле – до 35%
Наземные солнечные электростанции – до 30%
Ветровые электростанции – до 10%
С.З.Смирнов: - В России пока нет ни одного работающего собственного месторождения литиевого сырья, ни рудного, ни гидроминерального. Сподумен считается труднораскрываемым минералом. Иными словами, необходимо затратить значительные усилия на разложение минерала и извлечение из него лития. Отсюда высокая себестоимость стандартных методов переработки. Применение новых технологий обогащения и переработки сподуменовых концентратов позволяет снизить затраты на получение лития из сподуменового сырья. Наши коллеги из ИХТТМ СО РАН показали перспективы использования полученных из этого сырья соединений лития в новой технологии синтеза литийсодержащих материалов, использующихся в карбонатных топливных элементах. Исходя из этого, мы стали оценивать пегматитовые месторождения Сибири на предмет совместимости их с этой технологией. Все крупные месторождения расположены вблизи железных дорог, плюс к тому есть одно перспективное проявление в Западно-Сибирском регионе. Совместно с д.г.-м.н. Виктором Егоровичем Загорским, к.г.-м.н. Владимиром Митрофановичем Макагоном и к.г.-м.н. Людмилой Геннадьевной Кузнецовой из Института геохимии СО РАН в Иркутске мы оценивали содержание сподумена в породах, их состав (прежде всего на предмет извлечения лития). Благодаря кропотливой работе группы технологов и обогатителей под руководством д.т.н. Талгата Сунгатуловича Юсупова мы получали опытные партии концентрата, которые затем передавали Виталию Петровичу и его коллегам. Получилось так, что руды закрытого на сегодня Завитинского месторождения в Забайкалье дают хороший результат при переработке новыми методами, а полученные соединения лития очень хорошо подходят для использования в электрохимической энергетике. Очень хорошо показали себя руды открытого недавно Ташелгинского проявления в Горной Шории – от него до железной дороги не более 40 километров, есть пригодная для тяжелого транспорта автодорога. Хоть завтра извлекай руду и отправляй на переработку в Новосибирск или Красноярск.
А.Г. Владимиров: - В любом случае на месторождении нужно строить ГОК – из экономических соображений, чтобы не возить пустую породу.
С.З.Смирнов: - Плюс к тому есть еще одно месторождение, которое было разведано еще в советские времена, и обладает крупными запасами – в Восточных Саянах. Таким образом, в рамках нашего проекта удалось доказать, что в России есть всё, чтобы организовать полный цикл производства: от извлечения руды до выпуска источников электроэнергии нового поколения.
А.Г. Владимиров: - Пока в стране потребность в металлическом литии измеряется сотнями тонн в год, мы можем маневрировать месторождениями, выбирая наиболее богатые и удобно расположенные. Эти месторождения можно выставлять на тендер, после того, как запасы поставлены на учёт, но эту серьёзную процедуру проводим не мы, а Роснедра (г. Москва). Сейчас к этой процедуре, по моему мнению, готово месторождение Восточных Саян. При советском подходе разрабатывать его считалось невыгодным: тогда было принято сразу строить огромный ГОК, рядом – моногород для его обитателей и тому подобное. В новых условиях можно обходиться силами небольших, частично сменяемых, коллективов и компактных производств, чётко рассчитанных под потребности конкретного производства.
Подготовил Андрей Соболевский
