Нехорошо начинать статью с цитаты. Да и вообще цитирование в газете редко приветствуется. Но все же начну с цитаты из научной статьи доктора наук, профессора, заместителя директора Института катализа СО РАН Владимира Александровича Собянина. Потому что она, пусть и скучновато, но формулирует суть того, о чем мы с ним весьма подробно будем беседовать.
Итак:
"Известные запасы природного газа и тенденции в области его разведки и добычи свидетельствуют о том, что метан еще длительное время будет оставаться основным сырьем для получения ценных химических продуктов, например, синтез-газа, и одним из основных видов топлива для производства тепла и электроэнергии. Это особенно важно для России, которая обладает тридцатью четырьмя процентами доказанных и около сорока процентами потенциальных запасов природного газа в мире. Такое положение стимулирует усилия многих научных организаций и промышленных компаний, направленные на поиски и разработку альтернативных, более экологически чистых и ресурсосберегающих методов переработки метана. Одним из таких методов является ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ КОНВЕРСИЯ МЕТАНА В ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ (выделено специально - Р.Н.) или, более точно, в электрохимических генераторах (ЭХГ), под которыми подразумеваются энергоустановки на основе топливных элементов".
То, что выделено в цитате, и будет темой нашей сегодняшней беседы.
С конца девятнадцатого века
- С топливными элементами, - говорю Собянину, - происходит, как кажется, то, что не происходило ни с одним открытием. С конца девятнадцатого века о них стало известно. Примерно с этого же времени о них говорят, как о будущем энергетики. Но прошел уже век двадцатый и начался новый, а это энергетическое будущее все еще в тумане. Почему?
- Да потому что большое новое дело по обыкновению развивается по спирали, когда взлеты чередуются с падениями. Предпоследний взлет был связан с освоением космоса в начале шестидесятых годов. Американские топливные элементы тогда летали в космос, а у нас они были сделаны. И неплохо сделаны. Но не летали. Знаю точно, что сначала их поставили на наш "Буран", но не знаю, по каким причинам сняли и вместо топливных элементов установили аккумуляторные батареи. Хотя топливные элементы в работе проявили себя безукоризненно. Гарантия давалась на 99,9 процента. Это практически абсолютная надежность.
- А какой у них был КПД?
- Коэффициент полезного действия составлял шестьдесят процентов. Это очень высокий КПД. И все же в середине семидесятых годов интерес к топливным элементам стал падать.
- Почему все же к ним постоянно, рано или поздно, падает интерес?
- Основная причина давно понятна. Она экономическая. Топливные элементы - достаточно дорогие устройства. Их производство пока не удается настолько удешевить, чтобы оно было выгодным. Да и само производство топливных элементов весьма сложное: технология сложноватая, и для нее требуется немало благородных металлов.
- Когда же появился новый виток интереса к топливным элементам?
- В середине восьмидесятых годов. А сейчас наступил пик интереса. Десятки, если не сотни, лабораторий мира занимаются этой проблемой. Пик связан с тем, что появились реальные шансы удешевить производство топливных элементов. Например, за счет уменьшения в них драгоценных металлов и появления новых материалов, позволяющих сократить затраты при сборке электрохимических генераторов. Кроме того, стало очевидно, что все другие источники энергии значительно вреднее для окружающей среды, чем топливные элементы. Экологическая компонента любых разработок с каждым годом становится все более приоритетной. Дизель-генераторы, теплоэлектроцентрали, газотурбинные установки и другие источники - все проигрывают топливным элементам с экологической точки зрения. Мир дозрел до этого понимания.
Топлива понадобится меньше
- Электрохимические генераторы, - продолжал рассказ Собянин, - тоже не обойдутся без традиционного топлива. Но его для них понадобится намного меньше.
- Намного - это насколько?
- Уверенно могу сказать, что процентов на десять. А это - намного. Чем выше КПД будет у электрохимического генератора, тем меньше ему потребуется топлива. Эта важнейшая характеристика при работе с топливными элементами. Сейчас топливные элементы рассматриваются как альтернатива двигателям внутреннего сгорания. Пришло время ставить их на автомобили.
- Но если это случится, то перспектива их применения будет практически бесконечной. Есть ли уже факты реального применения топливных элементов на автомобилях?
- Конечно. Они давно есть. Это еще не массовое применение, но во многих странах уже давненько бегают по дорогам машины с топливными элементами. Есть такие машины и в России. Они выпущены АвтоВАЗом. Я сам ездил на такой машине, и она мне очень понравилась: все тихо, спокойно, почти никакого шума. Сделана она на базе "Нивы". Больше того: машина на топливных элементах была у нас выпущена еще тогда, когда в Москве проходили Олимпийские игры.
Лучше всего - водород
- Наверное, подсчитана была экономия горючего на такой машине?
- Едва ли... Это первые образцы. Пока идет обкатка, экономия горючего не подсчитывается. Да и вряд ли она будет большой. Для этого нужен массовый выпуск. Вот тогда экономика выходит на первый план. Надо принять во внимание и другое обстоятельство: топливные элементы работают неплохо, например, на бензине. Но лучше всего они работают на водороде, которого в природе нет. Его приходится получать из традиционных источников энергии. И получать по-разному: из воды, бензина, нефти, угля, из газа, практически из чего захотите. Там, где есть углеводород, будет, естественно, и водород. Проще всего получать синтез-газ.
- Это очень обнадеживающее утверждение. Раз водород можно получать из "всего" для топливных элементов, то почему бы им не найти широкого применения?
- Проблема распадается на две основные части. Первая связана с созданием батарей топливных элементов, в которых и должен быть водород. В этих батареях водород превращается в электроэнергию. Вторая - с созданием системы, которая должна получать водород из любого топлива. Это может быть и природный газ, и бензин, и керосин, и даже... спирт. Из любой молекулы, где есть атомы углерода и водорода, можно добыть, что нужно. В некоторых странах метанол и этанол рассматриваются как очень перспективное первичное топливо для топливных элементов. Задача в том, что система, превращающая любое топливо в водород, должна быть не громоздкой, а миниатюрной. Задачка покрепче любого орешка.
- Технология производства водорода, насколько помнится, уже давно отработана. Заводы по производству водорода были на заре первых пятилеток и у нас... То есть его получали в промышленном масштабе.
- Но топливный элемент пригодится в том случае, если будет компактным. А для этого надо находить иной подход к превращению в нем любого топлива в водород. Старые промышленные технологии ему не подходят. Иначе говоря, нужны новые материалы, новые катализаторы, новый дизайн реакторов. Словом, все новое. Создаваемой системе полагается быть очень интегрированной, лишь тогда появится та компактность, которая нужна. Сейчас над созданием энергоустановок на базе топливных элементов работают специалисты самого разного профиля: от химиков и физиков до математиков и материаловедов. Поставленная цель, бесспорно, стоит этих усилий. Без водородной энергетики, а теперь говорят даже так - без водородной экономики, - просто не обойтись. Это действительно "злоба дня". Когда речь идет о том, что миру нужен новый "манхэттенский проект", то имеется в виду развитие водородной энергетики. Новые методы получения водорода сейчас в науке и промышленности актуальны, как никогда ранее.
- А наш институт катализа, какую ячейку занимает в решении столь глобальной задачи?
- Разработкой самих топливных элементов мы не занимаемся. Тем не менее имеем прямое отношение к обозначенной проблеме. Что такое, например, электрод, который используется в топливных элементах? Это прежде всего катализатор, который мы способны разработать и предложить. И накопленные у нас знания позволяют предложить совершенно новые электроды. Причем для разного типа топливных элементов.
- А много их?
- Грубо говоря, в мире существуют пять типов топливных элементов. Вот мы в расчете на них и разрабатываем электроды-катализаторы. А уж проблемой получения водорода институт занимается давным-давно, у нас накоплен богатый опыт. Мы работает по программе "Норильский никель", имеем много грантов и признание в этих исследованиях получили еще много лет назад. В сущности, Институт катализа СО РАН - головная организация в программе "Норильский никель" по проблеме получения водорода. Эта программа ляжет в основу общероссийской программы по водородной энергетике и топливным элементам. Наш институт отвечает, как говорится, не только за свое, но и за работы других академических институтов по получению водорода.
Приблизительный прогноз
- Вы могли бы, Владимир Александрович, дать хотя бы приблизительный прогноз, когда водородная энергетика завоюет мир?
- Прогнозов на этот счет очень много выдали экономисты, химики, энергетики и даже политики. В мои задачи такой прогноз не входит. Но могу сказать, что в малых, полупилотных, объемах водородная энергетика уже заявила о себе в жизни. Примерно две сотни установок на топливных элементах мощностью в двести киловатт успешно работают. Это уже много. А маленьких установок, на два-три киловатта, работает сегодня не менее тысячи. Развитие, как видите, идет. Но темп его не тот еще, какой нужен. Уже не менее сотни демонстраций автомобилей на топливных элементах было проведено в разных странах самыми разными фирмами. На освоение всего этого уже затрачены десятки миллиардов долларов только частных инвестиций. А частники, как легко понять, деньги вкладывают в то, что даст прибыль, принесет выгоду.
Рискну предположить, что лет через десять - пятнадцать, не позднее, топливные элементы будут нормой в энергетике и в других отраслях экономики. Еще одного спада не ожидается. Все приметы подъема налицо. Надеюсь, что мы с вами доживем до того дня, когда в вашем диктофоне, который вы поставили передо мной, будет не батарейка стоять, а миниатюрный топливный элемент.
Кстати сказать, - уточнил Владимир Александрович, - многие известные компании уже начали работу по замене батареек и аккумуляторов на топливные элементы в ноутбуках, сотовых телефонах, в компьютерах и т.д. Во всяком случае такая задача поставлена. Пока они еще дороже тех же батареек, но служат уже дольше и более энергоемкие. А скоро будут и дешевле.
- Говорят, что скоро в Москве пройдет водородный конгресс...
- Приглашение у меня уже лежит. Поехать на конгресс собираемся. Хотя, должен вам сказать, сейчас проходит просто невероятное количество научных форумов по топливным элементам, водородной тематике в мире. На все не наездишься. На решение этой проблемы идет самая настоящая атака. Уж очень воодушевляющие перспективы... Да и средства выделяются огромные.
Сейчас по максимуму в передовых странах поддерживаются всего лишь два научных направления. Первое - это науки о жизни. То есть все, что связано со здоровьем человека и со средой обитания. И второе - водородная энергетика. Уже одно это говорит о значимости проблем. Мир твердо настроен уйти от традиционной энергетики и перейти на энергетику чистую. Процесс не простой, даже мучительный, возможно, что он затянется до конца нынешнего века. Да и традиционная энергетика едва ли вся уйдет. Но коренные перемены неизбежны. Их подготавливают ученые. В нашем институте еще недавно с этими проблемами были связаны лаборатории три, не больше. Человек тридцать. А после того, как началась работа по программе "Норникель", к водородной тематике и топливным элементам было привлечено человек сто, не меньше. И наращивание усилий идет повсеместно - от Америки до Японии.
На снимке: работники лаборатории, которой руководит профессор Владимир Собянин.