Наша планета становится все горячее. Со времен промышленной революции XVIII—XIX века Земля нагрелась на 1℃. Кажется, что это мало, но последние 10 лет — самые жаркие за все годы наблюдений с 1850 года, а 2024 год с вероятностью 99% войдет в первую пятерку.
Изменение климата — не просто рост температуры, но и стихийные бедствия, таяние полярных льдов, гибель многих экосистем и риск продовольственного кризиса из-за засухи в регионах, где выращивают еду. Во всем мире сейчас пытаются сократить выбросы парниковых газов, чтобы замедлить глобальное потепление, и, оказывается, для этого совершенно незаменим никель.
Никель важен для получения возобновляемой энергии
Без перехода на возобновляемую энергию — в основном это энергия природных источников: ветра, солнца и воды — не обойтись в борьбе с глобальным потеплением. Такую трансформацию делают возможной некоторые материалы, среди них есть группа, которую называют критически важными металлами. Один из них — никель. «Зеленая» энергетика — сектор, где спрос на этот металл растет быстрее всего. К 2040 году он вырастет в 89 раз, прогнозирует Международное энергетическое агентство.
Никель для добычи энергии используют все экологически чистые технологии, он есть в установках для получения геотермальной, солнечной, ветровой и гидроэнергии, в ядерных электростанциях. Так происходит благодаря его свойствам.
В основном используют никельсодержащие нержавеющие стали: они повышают стойкость механизмов к коррозии, увеличивают срок их службы и снижают затраты на техническое обслуживание. Это тоже помогает сократить углеродный след и сберечь нашу планету. Кроме того, никель входит в состав аккумуляторов для накопления полученной энергии. Такие батареи могут хранить большое количество энергии и высвобождать ее при необходимости.
Вот всего несколько примеров того, как никель применяют для производства чистой энергии. В ветрогенераторах он нужен для повышения прочности и улучшения ударной вязкости низколегированных сталей. Многие легирующие элементы повышают прочность и твердость стали, но никель один из немногих, что также улучшает ударную вязкость. Это способность поглощать механическую энергию без разрушения, а это важно для работы ветряных турбин, на которые постоянно воздействуют сильные потоки воздуха.
Энергию солнца получают разными способами — и ни один не обходится без никеля, который позволяет создавать конструкции со сроком службы от 40 лет.
- Низкотемпературный сбор — в этом случае из никельсодержащих сплавов делают коллекторы, поглощающие солнечное тепло, и трубы, по которым течет теплоноситель, которому оно передается.
- Концентрация солнечной энергии — система зеркал, собирающая излучение солнца на специальных приемниках. Их температура может достигать 500℃. Затем тепло транспортируют с помощью расплавленных солей по трубкам, которые должны быть устойчивыми к нагреванию и коррозии. Для этого они сделаны из нержавеющей стали с никелем.
- Фотоэлектрические системы — сразу перерабатывают энергию солнечного света в электричество. Здесь нержавеющая сталь нужна для прочных каркасов солнечных панелей.
Еще никель может помочь перейти на зеленый водород. Этот газ, скорее всего, станет топливом будущего, так как при его преобразовании в энергию выделяется не углекислый газ, а водяной пар. Так значительно сокращается образование парниковых газов.
Однако сейчас водород чаще всего производят из ископаемого топлива — природного газа или нефти, в основном с помощью паровой конверсии. Во время нее вода и метан преобразуются в водород и углекислый газ — десять тонн на каждую тонну водорода. Альтернативный вариант производства — электролиз воды, когда водород отделяется от кислорода. Выбросов углекислого газа при этом нет: ему просто неоткуда взяться. В таких установках нужен никель: например, он может использоваться в материалах для покрытия электродов или диафрагм, разделяющих пространство между двумя электродами с разным зарядом.
Никель поможет перейти на электроавтомобили
У первых электромобилей был короткий запас хода — это создавало массу сложностей, из-за которых такими машинами было неудобно пользоваться. Предположим, можно было остаться без заряда по дороге на работу. Однако с появлением батарей, в которых используют никель, проблема исчезла: плотность энергии и емкость хранения у таких аккумуляторов почти в два раза выше, чем у альтернативных вариантов. В итоге автомобиль может дольше работать без подзарядки. Кроме того, никель меньше весит, в итоге батарея электромобиля меньше по размеру. Еще один плюс никельсодержащих батарей — высокая эффективность заряда. Это сокращает потери драгоценной энергии и ускоряет скорость зарядки: одновременно экологично и удобно для повседневного использования.
Сейчас никель используют в литий-ионных батареях электромобилей во все больших количествах, улучшая их производительность. Спрос на батареи для электротранспорта к 2040 году вырастет почти в 40 раз, считает Международное энергетическое агентство. Многие из них состоят из сплавов никеля на 65% и более. Потребление этого металла для производства аккумуляторов, по мнению исследователей из Института Лейдена, в течение следующих трех десятилетий увеличится более чем в 10 раз. Все потому, что во многих странах приближается срок запрета транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания.
Никель позволяет экономить драгоценную воду
Уже сейчас примерно половине населения мира не хватает питьевой воды по крайней мере часть года. Ситуация будет ухудшаться из-за изменений климата и роста численности населения. При этом всего 0,5% воды на Земле можно пить: из-за глобального потепления и без того скудных запасов становится еще меньше, в том числе потому, что тают полярные льды.
В таких условиях нельзя допустить потерь пресной воды из-за недостатков инфраструктуры водоснабжения, поэтому нужно ее улучшать. Например, в развивающихся странах около 50% воды теряется, пока дойдет от очистных сооружений к потребителям. В развитых странах этот показатель может доходить до 20%. Никельсодержащие сплавы позволяют создавать надежные трубопроводы, оборудование для очистки и транспортировки воды, сбора и утилизации сточных вод — и так уменьшать ее потери и загрязнение.
Нержавеющая сталь с никелем постепенно заменяет углеродистую сталь с покрытием, оцинкованную сталь, чугун и аналогичные материалы для трубопроводов. В итоге их проще изготавливать, легче обслуживать, они устойчивее к действию воды и химикатов, которые используют для ее обеззараживания. Кроме того, сплавы с никелем повышают эффективность как очистки, так и подачи воды. Например, по трубопроводам из традиционных материалов вода обычно течет со скоростью, не превышающей 3 метров в секунду. А нержавеющая сталь выдерживает скорость воды до 40 метров в секунду. Такие высокопрочные конструкции могут служить более ста лет, несмотря на сильную нагрузку.
Еще один пример применения никеля для борьбы с дефицитом воды — в установках для опреснения морской воды. Их невозможно изготовить без нержавеющих сталей, они используются в их ключевых компонентах, таких как насосы, трубопроводы и клапаны.
И еще одно преимущество никеля для экологии
Кроме всего перечисленного, никель — на 100% перерабатываемый материал, который можно использовать вторично, не загрязняя окружающую среду. То есть ему можно дать вторую, третью и даже пятую жизнь без потери качества и потребительских свойств.
Применение таких материалов — основа экономики замкнутого цикла, основанной на возобновляемых ресурсах. Именно к ней сегодня стремятся все развитые страны.
Например, возьмем никель из батарей — его можно переработать и использовать для получения нержавеющей стали. Лом никельсодержащей нержавеющей стали также можно переработать в новую нержавеющую сталь. По данным программы ООН по окружающей среде, уже сейчас около 68% никеля перерабатывается — в будущем все больше металла будет использоваться повторно.