Погода
Реклама
Реклама
Академик В.Е. Накоряков: «Будущее – за водородом!»
6 Май 2009
К проблемам альтернативных источников энергии и их использования на транспорте мы уже обращались. Однако тема эта поистине неисчерпаема. Сегодня о проблемах и достижениях на ниве водородной энергетики рассказывает выдающийся российский ученый, академик РАН, четырежды эксперт Нобелевского комитета, вице-президент Национального комитета по тепло- и массообмену, член Общественного совета Комиссии правительства Российской Федерации по реформированию электроэнергетики, член экспертного совета Министерства науки и технологий, лауреат Государственной премии СССР и Государственной премии РСФСР, лауреат международной премии «Глобальная энергия-2007» Владимир Елиферьевич Накоряков.
Уважаемый Владимир Елиферьевич, согласно прогнозам, нефти хватит еще на 50-80 лет, потом запасы иссякнут. В связи с этим многие ученые связывают надежды на будущее с водородной энергетикой, в частности, с водородным топливом для транспорта.
Если говорить про запасы, то говорить, что органическое топливо катастрофически быстро исчезнет, что его катастрофически не хватает, нельзя. Его хватит на пару сотен лет за глаза. Другое дело, что у любого органического топлива, включающего в себя углерод, имеется множество недостатков. Главный из них — экология. Выбросы углерода радикально меняют климат. Уже сейчас над большими городами происходят локальные изменения климата. Ещё один минус — шум, который создают современные двигатели, работающие на углеводородном топливе. Водородные двигатели работают бесшумно, а в качестве выхлопа выделяют простой водяной пар.
И каковы же перспективы водорода?
Перспективы здесь такие: будут использоваться все виды получения водорода, при которых не используется углеводородное топливо: ветер, солнце, подземное тепло, атомная энергия. А сам водород будет использован как топливо в самых разных видах. Самое простое — автомобиль, или самолет на водороде. Все эти технологии уже создавались в свое время, те же самолеты на водороде летали и были безопасными, только слишком уж дорогими.
Какие методы использования водорода на транспорте вы можете назвать?
Ну, во-первых, можно сам водород использовать в качестве топлива, он достаточно энергоемок. Второй метод использования водорода — это так называемые топливные элементы.
Можно узнать о топливных элементах подробнее?
Придется начать немого издалека. Вы, наверное, представляете, как производятся кислород и водород? Электролизом воды. Что такое электролиз? Вы помещаете в воду два электрода, + и –, включаете электрическую цепь, и в районе одного электрода собирается кислород, а возле другого водород. Остается только собрать газ. Это так называемый процесс Фарадея. Буквально через восемь лет после открытия этого способа, в 1838 году некий англичанин Гроув нашел способ усовершенствовать этот способ. «Представьте, — сказал он, — что пузырьки газа обтекают поверхность источника, помещенного в проводящую щелочь. Источником может быть, например, платиновая проволока. В этом случае у вас будет генерироваться электрический ток». Он проверил это самым простым образом: взял две пробирки, поместил их снизу от электролита. Одну наполнил кислородом, другую — водородом. Внутрь пробирок он запаял проволочки. Все это опускалось в щелочь. И сразу же за счет тройного контакта газа, электролита и проволочек пошла электрохимическая реакция, для которой проволочка служит катализатором. И он сразу же получил ток. Так появились первые батареи Гроува. После этого было множество попыток усовершенствовать технологию. Это и был простейший топливный элемент. В современных разработках топливных элементов используется тот же принцип: дешево получить водород, а затем с его помощью выработать электрический ток, который поступит на двигатель.
А почему эти разработки не были доведены до конца еще в прошлом веке?
Потом исследователи углубились в термодинамику воды и пара. Были изобретены паровые турбины и стала развиваться нормальная паровая энергетика, которая сейчас дает 65% электроэнергии во всем мире. При этом в больших камерах сжигается уголь, газ и угольная пыль. На стенах камеры помещены трубки с водой. Вода в них кипит, пар отделяется, идет в паровую турбину, она крутится и получает ток. Этот способ будет применяться ещё довольно долго.
И где же тогда будет в первую очередь внедряться водородное топливо?
В первую очередь на транспорте. Уже сейчас по всему миру вложены десятки миллиардов долларов в разработку топливных элементов на водороде. В первую очередь здесь хочется отметить фирмы Siemens и General Motors. В Японии это Mitsubishi. Они вкладывают в это дело громадные деньги.
А есть страны, которым уже удалось перейти на эти технологии?
Очень много сделали в Исландии. Там решили полностью перейти на водород. Конечно, страна эта маленькая, население около 350 000 человек. Но у них очень большой флот — порядка 17 000 рыболовных траулеров. Так вот половину из них они уже перевели на водород. Общественный транспорт они закупили в США, и он тоже весь ездит на водороде. 15 таких автобусов ездит в Рейкьявике. И этого вполне достаточно, ведь там живет всего около 50 000 человек. Правда, стоимость одного такого автобуса — 1 млн. долларов. В итоге, они решили вообще ничего кроме водорода не использовать. Водород они частично получают из гейзерной воды, плюс к этому сейчас там внедряется получение водорода с помощью электролиза на основе фреоновых озонобезопасных турбин: вода испаряет фреон, фреон крутит турбину и вырабатывает электролизом водород, а водород используется как энергоноситель. Преимущество водорода заключается в том, что это очень калорийное, высокоэффективное топливо. Для такого способа получения водорода даже линии электропередач не нужны, все делается на месте. На водороде, на топливных элементах можно делать электростанции.
А какие виды топливных элементов сейчас разрабатываются?
Топливные элементы бывают разных типов. Довольно долго наука ориентировалась на щелочные элементы, где используются щелочь, как у Гроува, и пористые электроды (пористые, для того, чтобы увеличить площадь реакции). Но проблема в том, что в воздухе всегда существуют такие соединения, как СО2 или СО. И если они попадают в зону реакции, то получается соединение Na2CO3, которое полностью забивает все каналы и реакция в том виде, в каком она нужна, прекращается. Был опыт использования щелочных реакций в космосе. И американцы, и мы делали такие топливные элементы для «Шаттлов», для «Бурана». Там нет воздуха, туда, в космос, с собой берется чистый кислород и водород. Но на Земле это нерационально, поэтому сейчас разрабатываются два направления в топливных элементах: углеродное и неуглеродное. Неуглеродное — это чистый водород, а углеродное — подразумевает использование этилового или метилового спирта. Но, к сожалению, при этом сохраняются вредные выбросы. Вообще, разнообразие топливных элементов просто громадное. Это и протонные, которые лучше всего подходят для автомобилей, и твердооксидные, на твердом электролите. В этой области достигнут прямо-таки фантастический прогресс. Есть проекты топливных элементов на расплавах солей, на которые большие надежды возлагают американцы. И это только малая часть, а количество работ все растет.
Все же, какие преимущества, кроме экологических, дает использование водорода?
Какое преимущество у топливных элементов? Машина на чистом водороде — идеальная машина. У современных двигателей, работающих на углеводородах, КПД не превышает 60%. А в топливных элементах, поскольку это электрохимический метод производства энергии и тут работает другая термодинамика, КПД доходит до 80%. Повторю, что в мире сейчас очень многие фирмы вкладывают в такие исследования очень серьезные деньги. «General Motors» планирует к 2015 году 30% новых автомобилей оснащать топливными элементами, полностью отказавшись от бензина. А планы японцев еще более амбициозны. И боюсь, мы можем прозевать момент общего перехода к водородному двигателю. Уже сейчас в США у моего знакомого — гибридный автомобиль: в городе бежит на водороде, а за городом переходит на бензин. В Америке уже есть города, например в Калифорнии, куда запрещено въезжать на бензиновых машинах. Электрические автомобили там выдаются в аренду.
Но ведь пока что получение водорода обходится слишком дорого, разве не так?
Иногда высказывается утверждение, что на получение водорода, тратится больше энергии, чем получается. Это не так. Это совсем разные процессы. Стоимость капитальных затрат на производство одного киловатта энергии на небольшой атомной станции — порядка 5000 $, а у хорошей водородной станции — где-то около 6000-7000 $. Тем, кто подумает, что это много, скажу, что за 10 лет цена снизилась в 10 раз. То-есть, достигнут колоссальный прогресс.
Скажите, кто вообще заинтересован в подобных разработках?
На Западе разработкой топливных элементов на водороде в основном занимаются частные компании. У нас тоже поддержку Академии наук в таких исследованиях оказывают бизнесмены, например, г-н Прохоров, бывший совладелец «Норильского никеля», который выделил на исследования 40 млн. $, или Лев Черной, который финансировал наши исследования. Но этого все-таки слишком мало.
Владимир Елиферьевич, если не секрет, скажите, над какими проблемами вы сейчас работаете?
В настоящее время в сфере разработки водородных топливных элементов я ограничил себя только теорией. Мы с учеником делаем статьи по теории протонных водородных элементов. Мы нашли некоторые новые факторы, которые позволят их улучшить. Другие мои ученики занимаются более прикладными проблемами. Один из них разрабатывает установку по получению водорода из метана, это очень перспективная работа. Другой разрабатывает твердооксидные элементы. Но на хорошие исследования нужно иметь не менее 20 млн. $, а на создание экспериментальных образцов гораздо больше. Не так давно мы сделали рабочий макет топливного элемента на расплавах солей, но на его доводку нужно 10 млн. $. Ведь сначала ученые делают макет, потом приходит большая группа технологов, которые думают, как уменьшить габариты, упростить конструкцию, довести макет до пригодного к производству состояния. Потом изготавливается малая серия. На все это нужны огромные средства.
Вообще, у нас огромное количество разработок. Скажу только про одну. У водяного пара есть точка около критического состояния, где размазана граница между паром и водой. Это такое странное состояние, при котором растворимость всех веществ становится просто чудовищной. И если ввести в жидкость с таким состоянием, например, нефть, то получается топливо высочайшего качества, а если ввести углерод — получается превосходный бензин, прямо непосредственно сразу.
А разве государство не заинтересовано в ваших разработках? Не раз приходилось слышать, что Правительство России всерьез озаботилось альтернативной энергетикой?
Основная проблема в том, что в России потребителей этих элементов пока нет. Так что работать приходится в основном на зарубежных заказчиков. В последнее время, правда, государство начало проявлять повышенный интерес к таким разработкам, особенно военные. С этим мы связываем надежды на резкое усиление финансирования. Но в правительстве совершенно нет людей с инженерным образованием, одни сплошные экономисты. Они просто не понимают многих вопросов. Господствует убеждение, что финансировать новые разработки должен, преимущественно, частный бизнес. Но у нас бизнесмены пока больше думают о ближайших перспективах и далеко вперед не заглядывают. До Siеmens и Mitsubishi им еще далеко.
Уважаемый Владимир Елиферьевич! От имени всей редакции благодарю Вас за то, что Вы нашли время встретиться со мной и начать этот интереснейший разговор. Мы надеемся продолжить его с Вашими учениками и коллегами.
Уважаемый Владимир Елиферьевич, согласно прогнозам, нефти хватит еще на 50-80 лет, потом запасы иссякнут. В связи с этим многие ученые связывают надежды на будущее с водородной энергетикой, в частности, с водородным топливом для транспорта.
Если говорить про запасы, то говорить, что органическое топливо катастрофически быстро исчезнет, что его катастрофически не хватает, нельзя. Его хватит на пару сотен лет за глаза. Другое дело, что у любого органического топлива, включающего в себя углерод, имеется множество недостатков. Главный из них — экология. Выбросы углерода радикально меняют климат. Уже сейчас над большими городами происходят локальные изменения климата. Ещё один минус — шум, который создают современные двигатели, работающие на углеводородном топливе. Водородные двигатели работают бесшумно, а в качестве выхлопа выделяют простой водяной пар.
И каковы же перспективы водорода?
Перспективы здесь такие: будут использоваться все виды получения водорода, при которых не используется углеводородное топливо: ветер, солнце, подземное тепло, атомная энергия. А сам водород будет использован как топливо в самых разных видах. Самое простое — автомобиль, или самолет на водороде. Все эти технологии уже создавались в свое время, те же самолеты на водороде летали и были безопасными, только слишком уж дорогими.
Какие методы использования водорода на транспорте вы можете назвать?
Ну, во-первых, можно сам водород использовать в качестве топлива, он достаточно энергоемок. Второй метод использования водорода — это так называемые топливные элементы.
Можно узнать о топливных элементах подробнее?
Придется начать немого издалека. Вы, наверное, представляете, как производятся кислород и водород? Электролизом воды. Что такое электролиз? Вы помещаете в воду два электрода, + и –, включаете электрическую цепь, и в районе одного электрода собирается кислород, а возле другого водород. Остается только собрать газ. Это так называемый процесс Фарадея. Буквально через восемь лет после открытия этого способа, в 1838 году некий англичанин Гроув нашел способ усовершенствовать этот способ. «Представьте, — сказал он, — что пузырьки газа обтекают поверхность источника, помещенного в проводящую щелочь. Источником может быть, например, платиновая проволока. В этом случае у вас будет генерироваться электрический ток». Он проверил это самым простым образом: взял две пробирки, поместил их снизу от электролита. Одну наполнил кислородом, другую — водородом. Внутрь пробирок он запаял проволочки. Все это опускалось в щелочь. И сразу же за счет тройного контакта газа, электролита и проволочек пошла электрохимическая реакция, для которой проволочка служит катализатором. И он сразу же получил ток. Так появились первые батареи Гроува. После этого было множество попыток усовершенствовать технологию. Это и был простейший топливный элемент. В современных разработках топливных элементов используется тот же принцип: дешево получить водород, а затем с его помощью выработать электрический ток, который поступит на двигатель.
А почему эти разработки не были доведены до конца еще в прошлом веке?
Потом исследователи углубились в термодинамику воды и пара. Были изобретены паровые турбины и стала развиваться нормальная паровая энергетика, которая сейчас дает 65% электроэнергии во всем мире. При этом в больших камерах сжигается уголь, газ и угольная пыль. На стенах камеры помещены трубки с водой. Вода в них кипит, пар отделяется, идет в паровую турбину, она крутится и получает ток. Этот способ будет применяться ещё довольно долго.
И где же тогда будет в первую очередь внедряться водородное топливо?
В первую очередь на транспорте. Уже сейчас по всему миру вложены десятки миллиардов долларов в разработку топливных элементов на водороде. В первую очередь здесь хочется отметить фирмы Siemens и General Motors. В Японии это Mitsubishi. Они вкладывают в это дело громадные деньги.
А есть страны, которым уже удалось перейти на эти технологии?
Очень много сделали в Исландии. Там решили полностью перейти на водород. Конечно, страна эта маленькая, население около 350 000 человек. Но у них очень большой флот — порядка 17 000 рыболовных траулеров. Так вот половину из них они уже перевели на водород. Общественный транспорт они закупили в США, и он тоже весь ездит на водороде. 15 таких автобусов ездит в Рейкьявике. И этого вполне достаточно, ведь там живет всего около 50 000 человек. Правда, стоимость одного такого автобуса — 1 млн. долларов. В итоге, они решили вообще ничего кроме водорода не использовать. Водород они частично получают из гейзерной воды, плюс к этому сейчас там внедряется получение водорода с помощью электролиза на основе фреоновых озонобезопасных турбин: вода испаряет фреон, фреон крутит турбину и вырабатывает электролизом водород, а водород используется как энергоноситель. Преимущество водорода заключается в том, что это очень калорийное, высокоэффективное топливо. Для такого способа получения водорода даже линии электропередач не нужны, все делается на месте. На водороде, на топливных элементах можно делать электростанции.
А какие виды топливных элементов сейчас разрабатываются?
Топливные элементы бывают разных типов. Довольно долго наука ориентировалась на щелочные элементы, где используются щелочь, как у Гроува, и пористые электроды (пористые, для того, чтобы увеличить площадь реакции). Но проблема в том, что в воздухе всегда существуют такие соединения, как СО2 или СО. И если они попадают в зону реакции, то получается соединение Na2CO3, которое полностью забивает все каналы и реакция в том виде, в каком она нужна, прекращается. Был опыт использования щелочных реакций в космосе. И американцы, и мы делали такие топливные элементы для «Шаттлов», для «Бурана». Там нет воздуха, туда, в космос, с собой берется чистый кислород и водород. Но на Земле это нерационально, поэтому сейчас разрабатываются два направления в топливных элементах: углеродное и неуглеродное. Неуглеродное — это чистый водород, а углеродное — подразумевает использование этилового или метилового спирта. Но, к сожалению, при этом сохраняются вредные выбросы. Вообще, разнообразие топливных элементов просто громадное. Это и протонные, которые лучше всего подходят для автомобилей, и твердооксидные, на твердом электролите. В этой области достигнут прямо-таки фантастический прогресс. Есть проекты топливных элементов на расплавах солей, на которые большие надежды возлагают американцы. И это только малая часть, а количество работ все растет.
Все же, какие преимущества, кроме экологических, дает использование водорода?
Какое преимущество у топливных элементов? Машина на чистом водороде — идеальная машина. У современных двигателей, работающих на углеводородах, КПД не превышает 60%. А в топливных элементах, поскольку это электрохимический метод производства энергии и тут работает другая термодинамика, КПД доходит до 80%. Повторю, что в мире сейчас очень многие фирмы вкладывают в такие исследования очень серьезные деньги. «General Motors» планирует к 2015 году 30% новых автомобилей оснащать топливными элементами, полностью отказавшись от бензина. А планы японцев еще более амбициозны. И боюсь, мы можем прозевать момент общего перехода к водородному двигателю. Уже сейчас в США у моего знакомого — гибридный автомобиль: в городе бежит на водороде, а за городом переходит на бензин. В Америке уже есть города, например в Калифорнии, куда запрещено въезжать на бензиновых машинах. Электрические автомобили там выдаются в аренду.
Но ведь пока что получение водорода обходится слишком дорого, разве не так?
Иногда высказывается утверждение, что на получение водорода, тратится больше энергии, чем получается. Это не так. Это совсем разные процессы. Стоимость капитальных затрат на производство одного киловатта энергии на небольшой атомной станции — порядка 5000 $, а у хорошей водородной станции — где-то около 6000-7000 $. Тем, кто подумает, что это много, скажу, что за 10 лет цена снизилась в 10 раз. То-есть, достигнут колоссальный прогресс.
Скажите, кто вообще заинтересован в подобных разработках?
На Западе разработкой топливных элементов на водороде в основном занимаются частные компании. У нас тоже поддержку Академии наук в таких исследованиях оказывают бизнесмены, например, г-н Прохоров, бывший совладелец «Норильского никеля», который выделил на исследования 40 млн. $, или Лев Черной, который финансировал наши исследования. Но этого все-таки слишком мало.
Владимир Елиферьевич, если не секрет, скажите, над какими проблемами вы сейчас работаете?
В настоящее время в сфере разработки водородных топливных элементов я ограничил себя только теорией. Мы с учеником делаем статьи по теории протонных водородных элементов. Мы нашли некоторые новые факторы, которые позволят их улучшить. Другие мои ученики занимаются более прикладными проблемами. Один из них разрабатывает установку по получению водорода из метана, это очень перспективная работа. Другой разрабатывает твердооксидные элементы. Но на хорошие исследования нужно иметь не менее 20 млн. $, а на создание экспериментальных образцов гораздо больше. Не так давно мы сделали рабочий макет топливного элемента на расплавах солей, но на его доводку нужно 10 млн. $. Ведь сначала ученые делают макет, потом приходит большая группа технологов, которые думают, как уменьшить габариты, упростить конструкцию, довести макет до пригодного к производству состояния. Потом изготавливается малая серия. На все это нужны огромные средства.
Вообще, у нас огромное количество разработок. Скажу только про одну. У водяного пара есть точка около критического состояния, где размазана граница между паром и водой. Это такое странное состояние, при котором растворимость всех веществ становится просто чудовищной. И если ввести в жидкость с таким состоянием, например, нефть, то получается топливо высочайшего качества, а если ввести углерод — получается превосходный бензин, прямо непосредственно сразу.
А разве государство не заинтересовано в ваших разработках? Не раз приходилось слышать, что Правительство России всерьез озаботилось альтернативной энергетикой?
Основная проблема в том, что в России потребителей этих элементов пока нет. Так что работать приходится в основном на зарубежных заказчиков. В последнее время, правда, государство начало проявлять повышенный интерес к таким разработкам, особенно военные. С этим мы связываем надежды на резкое усиление финансирования. Но в правительстве совершенно нет людей с инженерным образованием, одни сплошные экономисты. Они просто не понимают многих вопросов. Господствует убеждение, что финансировать новые разработки должен, преимущественно, частный бизнес. Но у нас бизнесмены пока больше думают о ближайших перспективах и далеко вперед не заглядывают. До Siеmens и Mitsubishi им еще далеко.
Уважаемый Владимир Елиферьевич! От имени всей редакции благодарю Вас за то, что Вы нашли время встретиться со мной и начать этот интереснейший разговор. Мы надеемся продолжить его с Вашими учениками и коллегами.
