Пришло время водорода

Что такое водород?  В Мировом океане водорода содержится 1,2×10¹³ т., дейтерия — 2×10¹³ т. Суммарная масса водорода составляет 1% общей массы Земли, а число атомов — 16%. Особенно важен здесь тот фактор, что при сгорании водород превращается в воду и полностью возвращается в круговорот природы.  Весовая теплотворная способность водорода (28630 ккал/кг) в 2,8 раза выше по сравнению с бензином.  При использовании водорода как топлива исключается возможность усиления парникового эффекта, не выделяются вредные вещества (автомобильный двигатель выбрасывает 45 токсичных веществ, в том числе и канцерогены), нет опасности образования застойных зон водорода: он легко улетучивается.

Именно поэтому водород способен заменить и нефть, и газ, и уголь,  став основой энергетики будущего

В начале 90-х годов казалось, что  переход к массовому выпуску водородного транспорта  уже не за годами (примерно к 2004 г.). Предполагалось, что замена будет проходить постепенно: сначала от двигателей внутреннего сгорания откажутся производители городских автобусов, затем на водородное топливо переведут личный транспорт и т. д.

Редакция обратилась к доктору технических наук, начальнику сектора Центрального института авиационного моторостроения Валерию Игнатьевичу Гурову. Попутно заметим, что в ГНЦ РФ ЦИАМ им. П.И. Баранова впервые в середине 50-х годов прошлого столетия был выпущен технический документ, в котором показана возможность увеличения дальности полета самолетов с жидким водородом на борту “всего лишь” на 60%. Такой прогноз обернулся формированием межотраслевых комплексно-целевых программ   “Холод-1”, “Холод 2” и т.д., объединяющих ряд предприятий под эгидой ЦИАМ, по разработке водородной концепции применительно к авиации.

-  Валерий Игнатьевич, в последнее время интерес к водороду заметно усилился . в ноябре прошлого года была создана Национальная водородная ассоциация (НАВЭ).  Тогда же в ноябре 2003 года прошла информация о том, что  "Норильский никель" намерен финансировать целое направление как фундаментальных, так и прикладных исследований и конструкторских работ в области водородной энергетики и создании топливных элементов.

Президент РАН академик Юрий Осипов и председатель правления ОАО "ГМК "Норильский никель" Михаил Прохоров подписали соглашение о сотрудничестве.

Подписанное соглашение носит общий характер, свидетельствует пока только о намерениях, но очень серьезных.

«Норильский Никель» готов тратить на исследования  до 40 млн долларов в год. Глава «НН»,  Прохоров считает, что на появление первых, устраивающих холдинг результатов, можно рассчитывать через 3 года. Это могут быть мини-электростанции, различные топливные элементы и объекты водородной энергетики.

- Компанию можно понять – ей нужен конкретный результат, в котором она могла бы задействовать свои преимущества, которые заключаются в ее контроле над некоторыми сырьевыми ресурсами – в данных топливных элементах, видимо, предполагается использовать палладий. Отрадно видеть, что в данном случае интересы академической науки и бизнеса совпали.

- Вот вы сказали об академической науке. Вместе с тем среди учредителей и членов Национальной Ассоциации Водородной Энергетики  мы пока не видим ни ЦИАМа, ни ЦАГИ, ни КБЗА (Воронеж),  ни НИИХИММАШ (Сергиев Посад). Иначе говоря, всех тех учреждений, в которых уже существует очень и очень солидный задел в области водородной энергетики. Более того, давно уже созданы готовые действующие рабочие образцы топливных элементов.  Чем можно этот парадокс объяснить?

- К сожалению, я не могу ответить  на этот вопрос. Я могу лишь предположить, что это связано с тем, что все названные учреждения входят в оборонный комплекс нашей страны, и  исследования в данной области являлись, а некоторые и остаются секретными.

- Как бы вы обрисовали место России в большой водородной гонке. Во  многих странах в разработки на этих направлениях вкладываются огромные деньги. Правительство Австралии выделило 240 млн долларов  на реализацию трехлетней программы НИОКР по развитию топливных элементов и водородной энергетики. Президент США Джордж Буш в своем традиционном обращении к нации в этом году объявил о выделении дополнительных 1,2  млрд долларов на развитие водородной энергетики и топливных элементов.  По сравнению с этим 40 миллионов кажутся достаточно небольшой суммой…

- Действительно, правы те, кто предсказывает третью научно-техническую революцию , связанную с использованием водорода в качестве топлива. Например. Академик Месяц считает, что  уже в ближайшие десятилетия на водородные двигатели полностью перейдут ведущие производители автомобильной продукции. Сейчас каждая уважающая себя автомобильная компания ( например, «Хонда», «БМВ»)  имеет в своем составе целое направление, занимающееся разработкой водородного направления в автомобилестроении.   В середине 90-х годов такие автокорпорации как канадский «Балард», немецкий «Даймлер—Бенц», американский «Крайслер» даже объединились в ассоциацию со стартовым капиталом около 1 млрд долл с целью создания конкуретоспособного автомобиля на водороде.. Очень активно развивается локальная энергетика. 

Я думаю, что в этих областях мы находимся на уровне  или совсем немного позади других стран. Безусловными лидерами мы пока остаемся в авиационных водородных двигателях.

- Согласитесь ведь, что это не шутка. А вообще трудно себе  даже представить себе мы возникающего рынка. Ведь это не  только топливные элементы. Это системы, добычи или получения иным способом самого водорода. Это системы хранения и транспортировки. Не будет преувеличением предположить, что мы с вами ведем речь о главном рынке нового столетия и уж совершенно точно  - нового тысячелетия.

 - И мы пока имеем  все шансы его захватить и удержать значительную его часть. Посудите сами. Мы пока первые в области водородной авиации.   У нас в практическое применение уже  запущены вышеупомянутые электростанции, у нас мощнейшая в мире школа фундаментальных исследований в данной области.  Россия просто обязана сделать решительный шаг в будущее. Это ее шанс, возможно единственный шанс вырваться вперед в технологической гонке. Ведь догонять США. Японию и Германию в области традиционной энергетики, особенно в автомобилестроении будет крайне сложно и мучительно долго.

- Казалось бы нам, при ученным к народнохозяйственному мышлению и системному подходу и карты в руки – развивать новую энергетику. Да что там новую экономику системно от топливного элемента до целостной инфраструктуры... Вы не боитесь, что в силу особенностей нынешней рыночной нам вред ля удастся воспользоваться преимуществами целостного системного подхода к проектированию больших систем?

 - Безусловно, Россия нуждается в чем-то вроде  Атомного проекта, в рамках которого могли бы быть сосредоточены лучшие научные и производственные силы.  Я надеюсь, что НАВЭ хотя бы отчасти начнет выполнять координирующие и объединительные функции. Мне кажется, что и нынешняя российская власть в состоянии оценить уникальные перспективы, вытекающие из данного проекта, способна отделить системный подход от идеологии и воспользоваться всеми его преимуществами.

-Оптимист Вы, Валерий Игнатьевич. Ну, а пока   «Н₂ –проект»  как общенациональная программа  существует лишь в головах ученых,  давайте вернемся к тому, что уже сделано. Пока наибольшее применение водород нашел в ракетной и авиационной технике. Какие результаты из накопленного опыта можно использовать в земной практике?

- Россия является единственной страной в мире, в которой создан двигатель НК-88, работающий на жидком водороде. Первый демонстрационный полет состоялся 15 апреля 1988 года на самолете ТУ-155. Четыре мировых рекорда с выполнением длительных полетов на внутрисоюзных и международных трассах - итог 12-летней напряженной творческой работы коллективов опытно-конструкторских бюро А.Н. Туполева и Н.Д. Кузнецова в содружестве со специалистами многих НИИ, ОКБ и летноиспытательских центров, в том числе и ЦИАМ. В ноябре того же года успешно стартовал ракетно-космический комплекс “Буран” с использованием в качестве основного двигателя - кислородно-водородного РД-0120, созданного в КБХА (г. Воронеж).

            Эти успехи позволили ученым ЦИАМ с наибольшей полнотой описать кавитационное течение жидкого водорода и оптимизировать условия по всасывающей способности систем подачи криогенного топлива, в том числе и сжиженного природного газа, а также разработать наиболее эффективную (до сих пор непревзойденную) систему по поддержанию различных режимов работы турбонасосных агрегатов. Благодаря этому создана надежная теоретическая база по разработке легких и дешевых резервуаров по хранению и транспортировке жидкого водорода для использования в различных стационарных энергосистемах.

- То есть здесь открываются широкие возможности для использования водорода не только в качества транспортного топлива, но и топлива для электростанций?

Совершенно верно. Кроме того, обобщение опыта подготовки воздухо-водородной смеси в камерах сгорания авиационных и ракетных двигателей позволил специалистам ЦИАМ и КБХА создать уникальные экологически чистые форсунки для применения в газовой промышленности, что уже достаточно широко реализуется, в частности, в Мострангазе и ООО “НГТ-Энергия” (г. Краснодар).

-  Каковы основные проблемы, сопутствующие и препятствующие широкому внедрению водорода в стационарной энергетике?

            - Три основные проблемы возникают при использовании водорода:

            - безопасность применения,

            - сложность создания развитой инфраструктуры хранения и транспортировки                           водорода,

            - высокая стоимость его получения.

            Нынешняя стоимость получения одного 1кг  водорода, как правило, путем электролиза воды составляет $ 20. Недопустимо высокая цена для широкого применения. Вместе с тем ситуация меняется  к лучшему.  В ГНЦ “Курчатовский институт”, например, разработана технология плазменного катализа, позволяющая получать один кг водорода из природного газа при стоимости менее одного доллара США.

Открывается интересная перспектива дешевого, а главное, экологически чистого получения водорода из сероводорода черноморской воды. Подробности такой технологии изложены в статье Юрия Максименко на сайте Национальной ассоциации по водородной энергетике.

            Относительно безопасности. Подобные сомнения возникали и 50 лет назад при проектировании системы газоснабжения Москвы. А ныне мы даже не задумываемся над тем, что природный газ в объемной пропорции с воздухом 5-15 % образует взрывоопасную гремучую смесь. Остроумно проблема безопасности решена в свое время опять-таки в авиации группой ученых ЦАГИ под руководством академика В.В. Струминского. При использовании водорода на пассажирском самолете для обеспечения необходимого уровня безопасности пассажиров предлагается рассматривать не один самолет, а два - пассажирский и танкер. На самолете с пассажирами водород находится в небольшом количестве в крыльевых баках и расходном, куда он поступает из самолета-танкера по гибкому трубопроводу. Танкер летит позади и ниже пассажирского самолета в течение всего крейсерского полета. Оба самолета могут базироваться на разных аэродромах: пассажирский самолет - в обычном аэропорту, а танкер - на специально оборудованной базе. Встреча самолетов может происходить в заданном районе, на подходе к конечной цели танкер отстыковывается, пассажирский самолет снижается и совершает посадку, используя топливо из собственных крыльев баков. Дальность полета может быть трансконтинентальной. Если она больше, чем та, которую может обеспечить танкер, то для продолжения полета можно использовать второй танкер.

            Предварительные оценки показывают, что суммарный взлетный вес такой пары самолетов мало отличается от взлетного веса обычного дальнего пассажирского самолета при одинаковой дальности полета. В результате внедрения рассмотренного проекта может быть создана авиационная транспортная система с практически неограниченной дальностью полета, которая использует экологически чистое и единственное воспроизводимое авиационное топливо без нарушения основных положений безопасности полета в соответствии с рекомендациями ИКАО для самолетов гражданской авиации.

            -    В 1998 году мы с вами уже беседовали по поводу проблем, существующих в данной отрасли. Насколько ЦИАМ продвинулся в разработках по водороду?

            Продвижение, безусловно, есть. Проведены длительные испытания экологически чистых форсунок на природном газе в составе действующей электростанции мощностью     2 МВт, а также сравнительные испытания этих форсунок на модельном теплогенераторе при его работе на метане и газообразном водороде. Подготовлена демонстрационная работа электростанции на водороде в НИЦ ЦИАМ в декабре 2004 года. Но как всегда задержка по времени проведения такой работы определяется недостатком финансирования и в данном случае дефицит составляет всего $ 15-20 тысяч.

            13 сентября 2004 г. в ЦИАМ прошло информационное обсуждение проблемы внедрения водорода в народное хозяйство. Намечены мероприятия по активизации водородных разработок.

 - Скажите, а вот такая проблема , о которой много говорят и пишут – проблема скрытого или активного открытого противодействия вашим усилиям, усилиям всех ученых, кто хочет изменить лицо мира, заменив невоспроизводимые  нефть, газ и уголь  на практически неисчерпаемый водород, противодействия со стороны представителей нефтяного, лобби , газового лобби, словом представителей традиционной энергетики. Причем противодействия изощренного, например скупки  патентов, которые кладутся затем под сукно…

- Вы знаете, я с этим не сталкивался. Напротив,  мы с очень активно сотрудничаем , например, с «ГАЗПРОМОМ  ряде проектов. Профессионалы всегда могут договориться. Профессиональные энергетики ведь тоже понимают, что и нефть, и газ когда-то закончатся.

- Но все же речь идет о гигантском, небывалом изменении облика всей экономики. О перераспределении фантастических потоков сырьевых и финансовых ресурсов, о кардинальном изменении самой инфраструктуры современной жизни. Вот вы упомянули о таком направлении в  водородной энергетике как получение водорода из сероводорода Черного моря, являющегося природным гигантским  хранилищем  сероводорода (около миллиарда тонн).

- Действительно черноморский сероводород одно из очень перспективных  и очень дешевых направлений его получения.  Но получение водорода это только одна из частей проблемы .  Как мы с вами уже сказали для его использования в промышленных масштабах нужно уже сейчас задумываться о системном проектировании и создании целостной инфраструктуры. Добыча или выработка, получение иным способом, транспортировка, хранение.

- Что ж, давайте , способствовать становлению и развитию данного проекта. «ЭФГ» со совей стороны сделает все, что в ее силах для его продвижения.

Беседовал Алексей Петрович Проскурин