Россия постепенно подтягивается к странам с наиболее развитой водородной энергетикой
Периодически в информационном поле появляются сообщения об успехах в водородной энергетике. Михаил Алексеевич Касаткин, начальник отдела главного конструктора направления водородной энергетики филиала «Центральный научно-исследовательский институт судовой электротехники и технологии» (ЦНИИ СЭТ) ФГУП «Крыловский Государственный Научный Центр», рассказал ИА REGNUM о различных направлениях водородной энергетики, её состоянии и перспективах в России и в мире.
ИА REGNUM: В чём преимущества и отличия водородной энергетики, и почему её пытаются внедрять и развивать?
В том, что это прямое преобразование химической энергии топлива в электричество, минуя тепловой цикл. То есть, все двигатели внутреннего сгорания, турбины и т.п., работают по тепловому циклу — это совсем другая энергетика. У нас же скорее нечто похожее на батарейку, но батарейку, обладающую бесконечным зарядом. Вот примерно в этом и суть. Сделать батарейку с бесконечным зарядом очень привлекательно, потому что она не шумит, не выделяет вредных веществ, необходимо лишь обеспечить подвод топлива и окислителя. Топливо — это водород, а окислитель — это кислород. Есть разные варианты получения водорода: электролизом из воды, или конверсией из любого углеводородного топлива. В качестве окислителя может использоваться либо чистый кислород, либо кислород воздуха (водородо-воздушная батарея).
ИА REGNUM: Где можно применять водородные топливные элементы?
Назначение подобной батареи может быть любым: её можно применять и в космосе, и под водой, и на надводных объектах, и в стационарном исполнении и т.д.
ИА REGNUM: сильно ли отличаются батареи, имеющие различное предназначение?
Существует порядка десятка разновидностей этих топливных элементов, но в последнее десятилетие выделилось два основных направления: высокотемпературные и низкотемпературные. Каждое из этих направлений имеет свои преимущества и недостатки. Преимущество наших низкотемпературных батарей в том, что они работают при температуре 60−80 градусов, и имеют очень высокую манёвренность: то есть они мгновенно берут нагрузку, также мгновенно её можно снять, то есть включить-выключить батарею. Поэтому основное назначение таких топливных элементов — это транспорт, причём любой.
Наиболее распространён автомобильный: какого бы вы не назвали серьёзного производителя автомобилей, он обязательно имеет какой-нибудь водородный концепт. Все эти концепты демонстрируются каждый год на Международной Ганноверской ярмарке, проходящей в апреле. Наша батарея представлялась в Ганновере и имела достаточно заметный, устойчивый успех. Наш стенд был единственным, представлявшим Российскую Федерацию, в огромной массе европейских, американских и азиатских фирм, которые ушли достаточно далеко от нас и уже эксплуатируют подобную технику.
ИА REGNUM: Можем ли мы в будущем конкурировать с зарубежными разработками в этой области?
Мы уже сейчас подтягиваемся к ним — важно сделать такую технологию, которая позволит массово производить эти топливные элементы. Поэтому мы ограничились двумя типоразмерами — 5 кВт и 50 кВт. Наша наиболее продвинутая разработка — 5-киловаттная батарея топливных элементов БТЭ-КУВ. Сердце — батарея, имеющая открытый контур: воздух поступает без давления, за счёт работы воздуходувки. Водород, поступающий в батарею, получается из природного газа с помощью специального конвертора. Конвертор, энергоблок и блок преобразования электроэнергии и автоматики объединены в единую блочно-комплектную энергоустановку БКЭУ-ТЭ (в виде контейнера). Эту энергоустановку предполагается устанавливать на магистральные газовые трубопроводы, где она будет автономно работать, обеспечивая работу телеметрии и других систем, управляясь дистанционно. Несмотря на то, что номинальная мощность БКЭУ-ТЭ — 5 кВт, возможно использование и на мощности в 10 кВт, однако в таком случае уменьшается ресурс устройства.
ИА REGNUM: Оправдано ли экономически использование такой энергоустановки?
Экономическая выгода достаточно значительная. Сейчас Газпром для обеспечения своей телеметрии, где-нибудь в тайге, в автономном режиме, хотя бы полгода не завозя топливо, закупает израильские установки ORMAT. Стоимость 1 кВт энергии, полученной с помощью такой установки, составляет около $60 тысяч. В нашем случае цена тоже немалая, однако, она будет примерное втрое ниже — около $20 тысяч. Кроме того, мы обеспечиваем сервисное обслуживание, плюс — это российская разработка. Наши экономические расчёты подтверждают то, что при правильном использовании наша установка выгодна.
ИА REGNUM: На каком этапе сейчас находится проект БКЭУ-ТЭ?
БКЭУ-ТЭ прошёл демонстрационные испытания, приезжал начальник управления энергетики Газпрома В. Гаголюк, всё это он увидел на площадке «ЦНИИ СЭТ». Этот контейнер стоял во дворе предприятия, а с 9 этажа по телеметрии шло управление процессом, задавались различные режимы. С декабря, по планам Газпрома, на Северо-Западной ТЭЦ данное изделие будет проходить эксплуатационные испытания в течение 3−4 месяцев, после чего будет сертификация, доработки, а к 2016 году мы думаем, что уже сможем продавать эту продукцию. Вот, что касается перспективы малых установок.
ИА REGNUM: А как дела обстоят с энергоустановками большой мощности?
Наше второе направление — установки мегаваттного класса. База для такой энергетики — батарея твердополимерных топливных элементов БТЭ-50В, работающая также на водороде и воздухе. Первое назначение — это маршевый двигатель, то есть главная судовая установка. Каким же образом может 50-киловатнная установка обеспечить мегаваттную мощность? Батареи собираются как кубики в блок мощностью 250 или 450 кВт. К такому блоку подводится свой конвертор дизельного топлива. Так как топливо является штатным, то менять портовую инфраструктуру не надо, кроме того хранение жидкого топлива безопаснее, чем хранение водорода. Эффективность судна повышается в 2−3 раза: при том же количестве топлива, оно может проплыть в 2 раза дальше, либо же взять в 2 раза меньше топлива и больше груза. Движущихся частей здесь нет, только воздуходувка в конвертере: шумы и вибрация несравнимы с таковыми при работе дизеля, а тем более турбины.
ИА REGNUM: Военные наверняка также заинтересованы в водородной энергетике?
Что касается военной продукции, то на основе этих водородо-воздушных батарей можно сделать двигатель для корабля. Особенно интересны силовые установки для подлодок, так как они бесшумны.
По подлодкам активно занимаются этим немцы. Мы до 2000-х годов шли с ними «ноздря в ноздрю», разрабатывали «Пиранью» (сверхмалая субмарина проекта 865 — ИА REGNUM). Была целая программа построения подводных энергоустановок типа «Кристалл». Некоторые варианты были очень похожи на энергоустановки немецких субмарин U212 и U214 с интерметаллидным хранением водорода на борту подлодки и жидким хранением кислорода. Что касается мощности, то немцы сейчас вышли на 300 кВт, а этого достаточно только для подзарядки аккумуляторов, у нас предполагались похожие цифры и задачи. Это очень эффективная система для небольших подводных лодок, так как автономность таких субмарин заметно ограничена запасом водорода в интерметаллидах: увеличение запаса водорода приведёт к слишком значительному утяжелению подлодки. Поэтому вот этот класс малых подводных лодок должен стоится именно таким образом: водородная энергоустановка должна служить для подзарядка аккумуляторов, или применения на марше, на экономичном ходе.
Второе — использовать эти батареи для главной судовой установки, то есть создать так называемую воздухонезависимую энергетическую установку, об этом сейчас идёт речь. Главком ВМФ был у нас, он посмотрел производство, очень внимательно выслушал то же, что я говорю Вам сейчас, он увидел, как батарея работает на стенде, что она действительно даёт электроэнергию, что действительно из неё ничего не выделяется. Мы ему представили акты государственных приёмочных испытаний, где её переворачивали так и сяк. Сейчас вопрос начала строительства воздухонезависимой энергоустановки на основе батарей с твердополимерным топливным элементом прорабатывается на уровне Министерства обороны и Главкомата Военно-морского флота.
ИА REGNUM: На Международном военно-морском салоне МВМС-2015 главком ВМФ Виктор Чирков заявил, что создание субмарин с воздухнезависимой силовой установкой начнётся в 2018 году. Реальные ли это планы?
Вполне реальные. У нас по всем вопросам есть наработки лабораторного плана, у нас есть опытно-промышленное производство: на данный момент в течение года мы можем производить батареи суммарной мощностью 2,5-мегаватт.
ИА REGNUM: Имеется ли зарубежный спрос на вашу продукцию?
Думаю, что спрос будет колоссальным. Все делегации, которые имеют какое-либо понятие о водородной энергетике, а это в первую очередь китайцы и индусы, всё осмотрели, сфотографировали и зафиксировали у себя. Они ждут, что это будет готовое изделие. Сейчас идёт подготовка экспортного паспорта. Хотя продажа отдельных батарей — тоже хороший бизнес. Но всё-таки хотелось бы закончить в виде готового изделия, и именно в «ЦНИИ СЭТ» есть все основания, чтобы мы это сделать. Сейчас есть некоторая бюрократическая составляющая: каждое конструкторское бюро хочет получить деньги, поэтому берётся за всё, что умеет и не умеет. Некоторые говорят, что сделают что-то через год, не имея при этом ничего. Это нереально — в этом инновационном продукте заложено порядка 40 технологий, которые имеются только в развитых странах.
ИА REGNUM: О каких технологиях идёт речь?
Это, к примеру, протонно-обменная мембрана, которую выпускает только американская компания DuPont. Аналоги, которые на порядок хуже, выпускаются в Китае, в ограниченном объёме — в Японии и Германии, но они их никому не продают. Мы отлично понимаем, что вот эта мембрана нам нужна своя, этим у нас занимается ГИПХ (Российский научный центр «Прикладная химия» — ИА REGNUM).
Второе — катализаторы. Это специальные катализаторы — никель на носителе. 7 молекул нанесены на частицу углерода размером 2 нанометра. На лабораторном уровне эта технология у нас есть.
Третье — газодиффузионная подложка. Это бумага, толщиной в полмиллиметра, которая обладает гидрофильно-гидрофобными свойствами (50% воды проводится, 50% нет), проводит газ и электричество, и при этом должна работать при 80 градусах, не теряя характеристики со временем (то же самое относится и катализаторам с мембраной).
ИА REGNUM: Не мешают ли западные санкции против России закупать необходимые компоненты?
Нет. Эти материалы не входят в списки, а кроме того мы всегда сможем их закупить в третьих странах. Китайскую продукцию брать не хотим, это всё равно, что менять шило на мыло — тогда уж лучше производить самим. Но проблема в том, что самим выгодно делать только тогда, когда имеется спрос. Для создания такого производства нужны достаточные вложения, а их никто не хочет делать пока нет предметного спроса. Поэтому, как только появится спрос, от той же военки, сразу же надо будет разворачивать производство. Но всё это у нас есть на уровне лабораторных технологий.
ИА REGNUM: Имеются ли какие-то перспективы у водородной автомобильной техники? Есть ли у вас какие-либо разработки в этой области?
У нас были некоторые контакты с бронетанковым управлением, также мы сделали автобус с силовой установкой в 20 кВт. Коммерческого же интереса нет ни у нас, ни за рубежом, так как отсутствует инфраструктура — элементарно негде заправиться. Пока в мире существует всего 2 шоссе для водородных автомобилей — одно в Калифорнии, другое в Норвегии.
ИА REGNUM: Есть ли какие-то менее «распиаренные» направления водородной энергетики?
Евросоюз запустил новый проект. В Европе установили большое количество ветряных электростанций, но поняли, что не могут обеспечить соответствие нагрузки и генерации, и чтобы сгладить этот момент, они решили сделать так: когда генерация нужна, электроэнергия идёт потребителям, а когда она не нужна, а ветер есть, электричество идёт на электролиз воды и получение водорода. Он же в свою очередь закачивается в газовую магистраль. В итоге получается смесь природного газа с водородом. Это даёт возможность в нужный момент и в нужном месте «вытащить» этот водород и использовать его в топливных элементах, снизив заодно свою зависимость от природного газа. Мы также разрабатывали такую концепцию вместе с Трансгазом, но нам, конечно, такой проект совершенно не нужен. Во-первых, у нас нет ветряков, во-вторых, у нас нет необходимости «разбавлять» газ. Хотя, как предложение для зарубежных покупателей — это может быть интересно.
Леонид Нерсисян
