ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА: ГДЕ, КОГДА, КАКОЙ ЦЕНОЙ?

Научное кафе по проблемам водородной энергетики состоялось 15 мая в Санкт-Петербурге, в рамках проводимого фондом Дмитрия Зимина «Династия» фестиваля «Дни науки». Организаторы – фонд «Династия», агентство «ИнформНаука» и Национальная инновационная компания «Новые энергетические проекты» (НИК НЭП) провели его в Доме ученых на Дворцовой набережной. Специалисты, не один десяток лет работающие в модной ныне теме, собрались, чтобы рассказать журналистам о достижениях и перспективах водородной энергетики.

В начале взгляд на водород научного журналиста представила главный редактор журнала «Химия и жизнь» и агентства «ИнформНаука» Любовь Стрельникова.

«Впервые о водороде как потенциальном топливе и носителе энергии обмолвился Жюль Верн в 1857 году в романе «Таинственный остров».

«Какое топливо заменит уголь?

– Вода, – ответил инженер.

– Вода? – переспросил Пенкроф...

– Да, но вода, разложенная на составные части, – пояснил Сайрес Смит. – Без сомнения, это будет делаться при помощи электричества... Наступит день, и вода заменит топливо. Водород и кислород, из которых она состоит, окажутся таким мощным неисчерпаемым источником тепла и света, что углю до них далеко!».

Но прошло почти полтораста лет, прежде чем энергетики обратили внимание на водород. И на то были основательные причины. Во-первых, – неизбежное исчерпание природных углеводородов (нефти, угля и газа). Этот природный ресурс все-таки конечен. Во-вторых, загрязнение окружающей среды выхлопами автомобилей и ТЭЦ, содержащих букет самых разных органических веществ, продуктов неполного сгорания. В результате люди стали чаще болеть (аллергии, заболевания верхних дыхательных путей и пр.). Наконец – глобальное потепление на Земле, которое ученые связывают с резким ростом концентрации углекислого газа в атмосфере, создающего парниковый эффект. А углекислый газ образуется при сжигании бензина, угля и газа. Вот почему решением проблемы может стать альтернативная энергетика. Энергию ветра, волн, солнца, тепла Земли сегодня уже умеют преобразовывать в электричество. Но автомобили от розетки не ездят. Что же может заменить бензин в автомобилях? И вот здесь на сцену выходит водород.

Реакция окисления водорода, а попросту сгорания водорода, – чистейший с экологической точки зрения процесс. Ведь в результате реакции образуется только вода. Из выхлопной трубя автомобиля, заправленного водородом, будут вырываться только пары чистой воды. А энергии выделяется больше, чем при сгорании пороха. Если автомобиль в год сжирает в среднем 3,2 тонны моторного топлива, то водорода потребуется всего тонна. То есть, водород более, чем в три раза, эффективнее бензина.

Где взять водород? Водород – самый распространенный элемент во Вселенной. Но существует он в виде ядер атомов, входящих в состав, например, плазмы Солнца. Нам же нужен водород-газ. Его месторождений на Земле пока не обнаружили. Но водород входит в состав огромного количества соединений, находящихся на Земле и в Земле. Значит, водород надо выдрать из молекул этих веществ. А для этого потребуется много энергии. Самый распространенный и отлаженный способ получения водорода – паровая конверсия метана, то есть из природного газа. Но в результате этого процесса выделяется не только водород, но и углекислый газ. По сути, мы сжигаем природный газ, а значит, не решаем проблемы, о которых говорилось выше.

Самый лучший способ получения водорода – этот тот, о котором писал Жюль Верн: электролиз воды. Но этот процесс требует огромного количества энергии. Немного арифметики. Сегодня каждый год мир потребляет 2 200 млн. тонн моторного топлива. Чтобы его полностью заменить, потребуется 679 млн. тонн водорода. Чтобы его получить с помощью электролиза воды, понадобится 29 700 млрд. кВт.ч. А сегодня во всем мире производится вдвое меньше электроэнергии. Это одна из ключевых проблем водородной энергетики. Над ее решением работают ученые во многих странах, пытаясь создать процесс разложения воды с минимальным расходом энергии.

Но вот водород получен. И здесь появляются новые проблемы. Как водород транспортировать и хранить? Для его сжижения под давлением и при охлаждении опять же требуется энергия. А кроме того, водород легко просачивается даже через металл. Одно из возможных решений – получение водорода прямо на месте его использования, например – в топливных элементах. Кстати, топливные элементы (ТЭ) – один из наиболее эффективных и безопасных способов использования водорода. В ТЭ поступает водород и кислород (воздух). На мембране, покрытой катализатором, водород взаимодействует с кислородом, образуя воду, и энергия этой реакции преобразуется в электричество. ТЭ элемент, установленный в автомобиле вместе с водородным баллоном, превращает машину в водородный электромобиль. Можно, конечно, заправлять водородом и баки автомобиля. Но сколько таких водородных заправок в мире? Раз-два и обчелся.

Индустрия топливных элементов – для автомобилей, для стационарных энергетических установок, для компьютеров и мобильников, – сегодня одна из самых интенсивно развивающихся. Уже появились водородные автомобили с гибридным двигателем (едет на бензине, когда водород заканчивается, а заправиться негде), автобусы с ТЭ, энергонезависимые дома, использующие энергию водорода и солнца. А миниатюрных ТЭ для мобильников, компьютеров, плееров вообще пруд пруди.

Как чувствует себя Россия в этой новой водородной реальности? Могут ли российские ученые что-то предложить нам уже в ближайшем будущем? И как они собираются решать все перечисленные проблемы? Этим вопросам и посвящено научное кафе, которое проходит при участии Национальной инновационной компании «Новые энергетические проекты». Эта компания, созданная «Норильским никелем» специально для реализации водородной программы – пример едва ли не единственного в России системного подхода к водородной энергетике. Она контролирует и формирует весь процесс от идеи и научной разработки до производства готовых изделий».

Итак, водород как носитель энергии может заменить другое природное топливо.

Сергей Катасонов, ведущий научного кафе, сформулировал три основных проблемы использования водорода в энергетике. Первая проблема - получение водорода. Вторая проблема – транспортировка, хранение и безопасность. И, наконец, как оптимально использовать водород?

По мнению Алексея Леонидовича Дмитриева, доктора технических наук, главного научного сотрудника РНЦ «Прикладная химия», получать водород надо только электролизом воды. Использовать природный газ бессмысленно. Проще его просто сжигать. Проблема в том, что электролиз воды действительно требует большого количество энергии. Сегодня у нас еще нет таких энергетических мощностей, чтобы получать водород в достаточном количестве. Водород, конечно, придет на смену углеводороду: полагают, что в 2015 году четверть всего транспорта будет работать на водороде. Но над этим надо много работать. Сегодня уже разработаны электролизеры, потребляющие вдвое меньше энергии. Но этого недостаточно. Надо двигаться дальше, сокращая расход энергии.

Валерий Дмитриевич Румянцев, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник лаборатории фотоэлектрических преобразователей Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе, считает, что для получения водорода из воды надо использовать энергию солнца, преобразованную в электричество. Водородную энергетику нужно «скрестить» с солнечной. В.Д.Румянцев занимается разработкой солнечных батарей на основе полупроводниковых наногетероструктур. Высокоэффективные фотопреобразователи для таких батарей выращивают в специальном реакторе. Здесь методом эпитаксию наносят слой за слоем молекулярные слои наногетероструктур. Но поскольку солнечный свет в наших широтах рассеян, то его лучше концентрировать, фокусировать. Это можно делать с помощью линз Френеля, которые в лаборатории Румянцева совместили с фотоэлементами. Уже сейчас в лаборатории удалось создать фотоэлементы с кпд 40%, и есть уверенность, что в ближайшем будущем «высота» с кпд 50% будет взята. Кстати, лаборатория В.Д.Румянцева стала партнером НИК НЭП по Водородной программе. НИК НЭП закупил для лаборатории дорогое оборудование – тот самый реактор для выращивания наногетероструктур, стоимостью около 2 миллионов долларов.

Игорь Казимирович Ландграф, зам. руководителя направления водородной энергетики ЦНИИ судовой электротехники и технологии, напомнил, что большая часть получаемого сегодня водорода, а это около 60 млн. тонн в год, используется не как топливо, а для совсем иных целей – для химической и пищевой промышленности, для металлургии и космоса. И в каждом случае подход к получению водорода может быть разным. Так что, нельзя сказать, какой способ лучше: паровая конверсия метана, электролиз воды, гидролиз металлов – все имеет право на существование. А в случае топливных элементов водород вообще можно получать прямо на месте, в самом ТЭ. Это удобно, поскольку не надо перевозить и хранить водород.

Михаил Евгеньевич Компан, доктор физико-математических наук, Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе, рассказал о нетрадиционных способах получения водорода.. Прежде всего, это фотокатализ с участием оксидов ванадия в роли катализатора. Есть и биологические подходы. Пущинские ученые пытаются генетически изменить цикл синезеленых водорослей, чтобы эти микроорганизмы выделяли водород. Еще способ – электролиз перегретого водяного пара. Сначала надо получить водяной пар, а потом остается добавить чуть-чуть электричества, чтобы молекула воды разложилась. Можно также использовать эндотермические реакции, которые идут с потреблением воды и выделением водорода.

Николай Сергеевич Прохоров, РНЦ «Прикладная химия», специалист по безопасности водорода, напомнил, что в СССР производили около 500 тысяч тонн жидкого водорода в год и перевозили автомобильным, железнодорожным и воздушным транспортом. Водород нужен был для космоса, и тогда все вопросы его транспортировки, хранения и безопасности были решены. Кстати, Николай Сергеевич напомнил, что в день проведения научного кафе исполнилось 20 лет со дня запуска ракеты «Энергия-Буран» (15 мая 1987 года) в которой, в частности, использовались водородные топливные элементы. Сегодня проблема хранения и транспортировки водорода не столько технологическая, сколько экономическая.

Какова выгода частных компаний, например, «Норильского никеля», который вкладывает десятки миллионов долларов в развитие водородной энергетики в России, спрашивает Любовь Стрельникова. Отвечает Владимир Леонидович Туманов, один из директоров и идеологов Водородной программы, курируемой НИК НЭП. «Норильский никель» делает основную ставку на энергетику на основе топливных элементов, в частности на водородную. Водород – это наиболее эффективный промежуточный энергоноситель, хотя и не является (пока) первичным источником энергии, но является одним из наиболее распространённых элементов в природе.Это не панацея для человечества, тем не менее, это вид энергетики с максимальным кпд, который оказывает минимальное воздействие на окружающую среду. «Водородная программа» успешно стартовала три года назад. Тогда по соглашению с РАН были получены заявки из 118 научных организаций, в которых предлагались конкретные технологии. Из этого массива удалось выбрать наиболее ценные разработки. Сорок уже запатентовано. Так что первый этап, несомненно, окупился. Теперь идет прицельная работа с главными научными партнерами, которые были определены на первом этапе. Уже в 2009 году «Водородная программа» планирует выйти на рынок с первыми изделиями – миниатюрными топливными элементами для мобильных телефонов и ноутбуков и со стационарными энергетическими установками.

«Водородная энергетика – это комплекс технологий, который позволяет нам манипулировать энергией, – подчеркнул Сергей Александрович Гуревич, доктор физико-математических наук, зав. лабораторией полупроводниковой квантовой электроники Физико-технического института им. А.Ф.Иоффе. – Маленькие топливные элементы могут использоваться в мобильных телефонах, плейерах, ноутбуках. Они могут работать на водороде или, например, на спирте. Совершенствование этих топливных элементов идет в направлении повышения их эффективности и уменьшения размеров. Это уже область нанотехнологий». В возглавляемой С.А.Гуревичем лаборатории ученые разрабатывают нанокатализаторы из платины для водородных топливных элементов. Созданные ими ТЭ в пять раз эффективнее, чем те, которые американцы планируют сделать лишь в 2010 году. Кстати, Физико-технический институт Иоффе – один из стратегических научных партнеров НИК НЭП по Водородной программе.

Что нас ждет в ближайшем будущем, спрашивает ведущий кафе Сергей Катасонов.

Сергей Олегович Когновицкий, Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе, видит перспективы развития водородной энергетики в двух направлениях. Первое – топливные элементы, и второе – сопряжение водородной с другими видами альтернативной энергетики, например, солнечной. А сам водород, безусловно, следует рассматривать не как источник, а как накопитель энергии.

«Через полтора года, - говорит С.А.Гуревич, - мы планируем сделать маленький источник энергии мощностью 2 Вт (это столько, сколько потребляет мобильный телефон). Он будет размером с аккумулятор мобильного телефона. И надеемся, что энергетическая емкость у него будет больше, чем у современных аккумуляторов».

«Каждой энергетике – свое время, – подытожил В.Л.Туманов. – Водородная энергетика придет на смену углеводородной где-то через 40-50 лет. Тогда она сможет решить проблемы удаленных регионов, куда не дотягиваются линии электропередач. Стационарные энергетические установки, компактные и эффективные, дадут энергию там, где ее ждут. Отдельные дома и коттеджи смогут перейти на независимое энергосуществование. Стационарная энергоустановка будет давать не только энергию, но и чистейшую воду – еще один бесценный и очень нужный нам ресурс (каждый час от установки мощностью 10 кВт получается около 5 литров воды). В городах, где будет ездить транспорт на водородных топливных элементах, будет чистый воздух». «21 век – век топливных элементов, и не обязательно водородных. В НИК НЭП разрабатываются и принципиально новые, например, прямоэтанольные топливные элементы, которые непосредственно работают на жидком топливе и не требуют его трансформации в водород – считает Владимир Леонидович Туманов. – Кстати, поскольку наш организм на три четверти состоит из воды, мы фактически содержим миллиарды топливных элементов. Так что, в технологиях нам надо стремиться к природе».

«Водородная программа», ее стратегия и тактика, расписана до 2015 года. На 2007-2008 г. запланирован бюджет в размере 80 млн. долларов, до 2015 года будет потрачено еще 500 млн. долларов, на следующем этапе - на период 2009-2012 г.г. , а в дальнейшем на перспективу до 2020 г.– уже несколько миллиардов долларов. Всё определится рыночной ситуацией и правильностью построения бизнес стратегии НИК НЭП, А что касается оригинальных технологий, то в базе НИК НЭП их сегодня 130.

О четырех составляющих Национальной программы водородной энергетики говорил Валерий Иванович Погребенков, руководитель пресс-службы НИК НЭП. Это государство, бизнес, наука и образование. Успех водородной энергетики, скорость ее вхождения в нашу жизнь во многом зависит от общественного сознания и общественного мнения. Поэтому грамотные, взвешенные и правдивые публикации о водородной энергетики сегодня очень нужны. Здесь положительную роль могут сыграть журналисты.

Успех «Водородной программы», начатой «Норильским никелем» три года назад и сегодня реализуемой НИК НЭП, очевиден. Но движение вперед могло бы быть еще более быстрым, если бы водородной энергетикой столь же прицельно и интенсивно занялось государство. Но пока партнерство бизнеса с государством только начинает складываться.. Рождается закон по интеллектуальной собственности,нормативная база. Однако в целом государственные по сути задачи приходится решать частной компании – НИК НЭП.