Водородная «бомба»: как самый распространенный элемент в природе меняет энергетику
О достижениях и перспективах водородной энергетики Forbes поговорил с заведующим лабораторией Института проблем химической физики РАН в Черноголовке Юрием Добровольским
Водородной энергетике пророчат большое будущее. Объем частных инвестиций в производство водородных топливных элементов (ВТЭ) еще в 2014 году прошел отметку в $1 млрд, а мировой объем рынка составил $2,2 млрд. К 2017 году спрос на ВТЭ, предположительно, вырастет до $4 млрд, а к 2020 году — до $12 млрд. Водород называют самым экологически чистым источником энергии, его запасы практически безграничны, а КПД топливных элементов вдвое выше, чем у двигателей внутреннего сгорания. В России выпуском ВТЭ пока что занимаются научно-исследовательские институты и компании-стартапы. Лаборатория Института проблем химической физики РАН в Черноголовке разрабатывает и с 2014 года продает топливные элементы на водороде. При той же мощности, что у литий-ионных аккумуляторов, они в несколько раз легче и работают на морозе до -40°C. Поэтому их закупают производители беспилотников, самолетов и роботов.
— Илон Маск поставил на Tesla литий-ионный аккумулятор. Батареи того же типа — стандарт для гаджетов. Водород пока не выдерживает конкуренции?
— В кризисные годы водородная энергетика как более дорогая развивалась не так стремительно. А к 2011-2012 годам появились действительно хорошие литий-ионные аккумуляторы — с высокой энергоемкостью, глубокими циклами заряда-разряда. И они получили массовое распространение, причем в основном в сферах, очень близких обычному потребителю. Литий-ионными батареями, хотя число рабочих циклов и цена все еще были их ахиллесовой пятой, стали оснащать небольшие электростанции, их поставили в системы для компенсации пиковых нагрузок. И главное — они пришли в электроснабжение автомобилей. Вот и пошел шум. Водородная энергетика поблекла на фоне таких ярких проектов, как Tesla.
— В начале 2000-х Япония, США, Южная Корея инвестировали сотни миллионов долларов в водородные программы. Это дало эффект?
— Только в США сумма инвестиций за несколько лет превысила $1 млрд. Эволюционный рост был заметный. Но все это не шло в сравнение с тем, как широко обсуждались перспективы литий-ионных батарей. Многие внедрения ВТЭ пока не очень известны широкой публике. Например, в США и Скандинавских странах энергоустановки с ВТЭ мощностью более 1 МВт питают большие бизнес-центры, госпитали, жилые здания. Появляются экспериментальные установки мощностью более 10 МВт. В Японии приняли в 2002 году госпрограмму создания бытовых автономных водородных станций. Сегодня их уже тысячи по стране. Другое направление — транспорт. Во многих европейских столицах общественный транспорт перевели на водород еще 10-20 лет назад. Водородные прототипы есть в работе почти у всех крупных автоконцернов. Все понимают, что литий-ионные аккумуляторы мало пригодны для комфортной езды в городе. Поэтому Toyota, Honda, Nissan, General Motors рассчитывают наладить массовое производство водородных автомобилей. Японцы планируют, что суммарные продажи водородомобилей Toyota Mirai (цена — от $57 500) вырастут к концу 2017 года до 3000, а к 2020 году — до 30 000.
— Водородные топливные элементы называют самым экологичным топливом, но ведь водород берется преимущественно из углеводородов…
— Это правда, водородная энергетика полностью чистая там, где ее применяют. Главное преимущество ВТЭ — химическая энергия горючего преобразуется в электрическую без реакции горения, что и дает высокий КПД: у худших вариантов 45-50%, у лучших 65-70%. А КПД лучших двигателей внутреннего сгорания — 30-35%. Но сам водород получают, в основном, с помощью газовой конверсии угля и природного газа. При этом выделяются сера, углекислый газ. Но из-за высокого КПД водородных элементов при том же уровне выбросов углекислого газа мы получаем в два раза больше энергии. Глобальные компании видят, что в долгосрочной перспективе переход на водород даст огромный выигрыш.
— Какие это корпорации, кроме автопроизводителей?
— Например, строители самолетов. В аэропорту самолет пока ездит на маршевом двигателе. Boieng и Airbus уже испытывают вспомогательные силовые установки на основе водородных топливных элементов. Вообще сегодня от маршевого двигателя работают и шасси, и кондиционеры, и освещение, и другие системы - эта дополнительная нагрузка снижает его КПД. Если перевести все это на ВТЭ или литий-ионные аккумуляторы, эффект будет огромный.
— Считается, что ВТЭ намного дороже литий-ионных решений, что тормозит проникновение водородной энергетики. Ситуация меняется?
— Сейчас литий-ионные и водородные источники питания сопоставимы по цене: один киловатт установленной мощности стоит $1000-2000. Это примерно вдвое дороже, чем у углеводородных источников. Но вполне конкуренто. Все упирается в то, что ни мощные литий-ионные батареи, ни ВТЭ до сих пор не производятся массово. Производители держат цены. Двигатель внутреннего сгорания в ближайшие десятилетия ни одному альтернативному источнику по цене не обойти. Можно конкурировать по другим параметрам, важным в каждом отдельном случае, — надежность, отсутствие шумов, меньший вес источника энергии.
— Как сейчас развиваются водородные технологии в России?
— С 40-х годов прошлого века мы были лидерами в водородной энергетике. Но если в США сразу продумывали, как технологии, которые предназначались для строительства ракет и для оборонных задач, можно адаптировать к нуждам простых людей, то у нас этим не занимались. К тому же в США еще в то время сделали ставку на дорогие твердополимерные топливные элементы, а мы работали со сравнительно дешевыми щелочными. Но для щелочных элементов в качестве окислителя нужен чистый кислород, тогда как для твердополимерных годится обычный кислород из воздуха. Щелочные элементы выгодно применять лишь там, где везешь запас кислорода (например, в космических кораблях или в подлодках). В 1980-х советские ученые поняли, что сделали неправильный выбор, но догонять уже было поздно. После распада СССР группы, занимающиеся ВТЭ, смогли перестроиться на коммерческие заказы. Электрохимические источники тока оказались в центре внимания многих мировых компаний, поэтому до 2005 года российские ученые работали над проектами для Nissan, Samsung, LG и других. А в 2007-2008 годах пошли российские проекты.
— В 2003 году «Норникель» и РАН объявили о партнерской программе развития водородной энергетики. Какой импульс она дала?
— «Норникель» рассчитывал создать собственный топливный элемент и продавать его российским компаниям. Но в итоге купил крупную долю в американской Plug Power. В общем, «Норникель» не был готов ждать результатов долго и постепенно свернул водородную программу. Очень жаль, потому что она подстегнула энтузиазм исследователей и разработчиков и привлекла внимание бизнеса к новым источникам энергии. Могу сказать, что многие научные группы выжили только благодаря программе «Норникеля».
— Кто и где в России использует водородные элементы?
— Наши компании консервативны и неохотно меняют то, на чем работают уже десятки лет. Помните, аварию у сети «Вымпелкома» на севере Москвы в 2013 году? Тогда больше миллиона абонентов остались без связи. Дата-центр телеком-оператора - это мегаватты и десятки мегаватт энергии, но до сих пор его бесперебойное питание обеспечивают резервные дизели-генераторы. Думаю, многие видели колонны грузовиков с цистернами дизеля, отправлявшихся в дата-центр «Вымпелкома». А ведь можно было бы поставить литий-ионные или водородные источники, и никакого кошмара бы не было. Робототехника - тоже большой рынок для водородной энергетики. Понятно, что робот-пылесос 15-20 минут может разъезжать по квартире на литий-ионных аккумуляторах. Но если речь идет о создании настоящих роботов-помощников, нужны иные источники питания. Сейчас ВТЭ уже ставят в шагающих роботов, мы сами поставляем легкие и малогабаритные системы на несколько киловатт инженерным командам.
— Почему в России пока что дело не доходит до бытовых применений ВТЭ?
— Потому что у нас нет соответствующей инфраструктуры. Все европейские проекты, водородная энергетика в Японии начинались с поддержки властей по созданию сетей заправок. У нас подвижек в этом направлении нет. И это при том, что в России производится около 8-10% водорода от мирового объема, у нас водород на 30-40% дешевле. На Западе нефтяные компании - в частности, Shell и ExxonMobil — инвестируют в производство водорода, ВТЭ, строят заправочные станции, понимая, что если при производстве нефти они работают с водородом, то лучше и потом использовать его как топливо. Но, увы, российским нефтяникам это не очень нужно. Есть миф, что перевозка и хранение водорода небезопасны. На самом деле он не опаснее, чем природный газ. Молекулы водорода очень легкие, даже если есть небольшая утечка, он быстро улетучивается. Мы же не отказываемся от газа в быту, хотя нередко узнаем о взрывах баллонов в квартирах. Национальная Ассоциация Водородной Энергетики уже подготовила технический регламент по безопасности водородных установок, средств транспортировки. Главное, чего нам сейчас не хватает — это экологическая культура. Когда бизнес, власти и обычные люди всерьез задумаются о последствиях жизни на нефтяном топливе, вот тогда водородный мир станет уже ближайшим будущим.
Елена Краузова
Водородной энергетике пророчат большое будущее. Объем частных инвестиций в производство водородных топливных элементов (ВТЭ) еще в 2014 году прошел отметку в $1 млрд, а мировой объем рынка составил $2,2 млрд. К 2017 году спрос на ВТЭ, предположительно, вырастет до $4 млрд, а к 2020 году — до $12 млрд. Водород называют самым экологически чистым источником энергии, его запасы практически безграничны, а КПД топливных элементов вдвое выше, чем у двигателей внутреннего сгорания. В России выпуском ВТЭ пока что занимаются научно-исследовательские институты и компании-стартапы. Лаборатория Института проблем химической физики РАН в Черноголовке разрабатывает и с 2014 года продает топливные элементы на водороде. При той же мощности, что у литий-ионных аккумуляторов, они в несколько раз легче и работают на морозе до -40°C. Поэтому их закупают производители беспилотников, самолетов и роботов.
— Илон Маск поставил на Tesla литий-ионный аккумулятор. Батареи того же типа — стандарт для гаджетов. Водород пока не выдерживает конкуренции?
— В кризисные годы водородная энергетика как более дорогая развивалась не так стремительно. А к 2011-2012 годам появились действительно хорошие литий-ионные аккумуляторы — с высокой энергоемкостью, глубокими циклами заряда-разряда. И они получили массовое распространение, причем в основном в сферах, очень близких обычному потребителю. Литий-ионными батареями, хотя число рабочих циклов и цена все еще были их ахиллесовой пятой, стали оснащать небольшие электростанции, их поставили в системы для компенсации пиковых нагрузок. И главное — они пришли в электроснабжение автомобилей. Вот и пошел шум. Водородная энергетика поблекла на фоне таких ярких проектов, как Tesla.
— В начале 2000-х Япония, США, Южная Корея инвестировали сотни миллионов долларов в водородные программы. Это дало эффект?
— Только в США сумма инвестиций за несколько лет превысила $1 млрд. Эволюционный рост был заметный. Но все это не шло в сравнение с тем, как широко обсуждались перспективы литий-ионных батарей. Многие внедрения ВТЭ пока не очень известны широкой публике. Например, в США и Скандинавских странах энергоустановки с ВТЭ мощностью более 1 МВт питают большие бизнес-центры, госпитали, жилые здания. Появляются экспериментальные установки мощностью более 10 МВт. В Японии приняли в 2002 году госпрограмму создания бытовых автономных водородных станций. Сегодня их уже тысячи по стране. Другое направление — транспорт. Во многих европейских столицах общественный транспорт перевели на водород еще 10-20 лет назад. Водородные прототипы есть в работе почти у всех крупных автоконцернов. Все понимают, что литий-ионные аккумуляторы мало пригодны для комфортной езды в городе. Поэтому Toyota, Honda, Nissan, General Motors рассчитывают наладить массовое производство водородных автомобилей. Японцы планируют, что суммарные продажи водородомобилей Toyota Mirai (цена — от $57 500) вырастут к концу 2017 года до 3000, а к 2020 году — до 30 000.
— Водородные топливные элементы называют самым экологичным топливом, но ведь водород берется преимущественно из углеводородов…
— Это правда, водородная энергетика полностью чистая там, где ее применяют. Главное преимущество ВТЭ — химическая энергия горючего преобразуется в электрическую без реакции горения, что и дает высокий КПД: у худших вариантов 45-50%, у лучших 65-70%. А КПД лучших двигателей внутреннего сгорания — 30-35%. Но сам водород получают, в основном, с помощью газовой конверсии угля и природного газа. При этом выделяются сера, углекислый газ. Но из-за высокого КПД водородных элементов при том же уровне выбросов углекислого газа мы получаем в два раза больше энергии. Глобальные компании видят, что в долгосрочной перспективе переход на водород даст огромный выигрыш.
— Какие это корпорации, кроме автопроизводителей?
— Например, строители самолетов. В аэропорту самолет пока ездит на маршевом двигателе. Boieng и Airbus уже испытывают вспомогательные силовые установки на основе водородных топливных элементов. Вообще сегодня от маршевого двигателя работают и шасси, и кондиционеры, и освещение, и другие системы - эта дополнительная нагрузка снижает его КПД. Если перевести все это на ВТЭ или литий-ионные аккумуляторы, эффект будет огромный.
— Считается, что ВТЭ намного дороже литий-ионных решений, что тормозит проникновение водородной энергетики. Ситуация меняется?
— Сейчас литий-ионные и водородные источники питания сопоставимы по цене: один киловатт установленной мощности стоит $1000-2000. Это примерно вдвое дороже, чем у углеводородных источников. Но вполне конкуренто. Все упирается в то, что ни мощные литий-ионные батареи, ни ВТЭ до сих пор не производятся массово. Производители держат цены. Двигатель внутреннего сгорания в ближайшие десятилетия ни одному альтернативному источнику по цене не обойти. Можно конкурировать по другим параметрам, важным в каждом отдельном случае, — надежность, отсутствие шумов, меньший вес источника энергии.
— Как сейчас развиваются водородные технологии в России?
— С 40-х годов прошлого века мы были лидерами в водородной энергетике. Но если в США сразу продумывали, как технологии, которые предназначались для строительства ракет и для оборонных задач, можно адаптировать к нуждам простых людей, то у нас этим не занимались. К тому же в США еще в то время сделали ставку на дорогие твердополимерные топливные элементы, а мы работали со сравнительно дешевыми щелочными. Но для щелочных элементов в качестве окислителя нужен чистый кислород, тогда как для твердополимерных годится обычный кислород из воздуха. Щелочные элементы выгодно применять лишь там, где везешь запас кислорода (например, в космических кораблях или в подлодках). В 1980-х советские ученые поняли, что сделали неправильный выбор, но догонять уже было поздно. После распада СССР группы, занимающиеся ВТЭ, смогли перестроиться на коммерческие заказы. Электрохимические источники тока оказались в центре внимания многих мировых компаний, поэтому до 2005 года российские ученые работали над проектами для Nissan, Samsung, LG и других. А в 2007-2008 годах пошли российские проекты.
— В 2003 году «Норникель» и РАН объявили о партнерской программе развития водородной энергетики. Какой импульс она дала?
— «Норникель» рассчитывал создать собственный топливный элемент и продавать его российским компаниям. Но в итоге купил крупную долю в американской Plug Power. В общем, «Норникель» не был готов ждать результатов долго и постепенно свернул водородную программу. Очень жаль, потому что она подстегнула энтузиазм исследователей и разработчиков и привлекла внимание бизнеса к новым источникам энергии. Могу сказать, что многие научные группы выжили только благодаря программе «Норникеля».
— Кто и где в России использует водородные элементы?
— Наши компании консервативны и неохотно меняют то, на чем работают уже десятки лет. Помните, аварию у сети «Вымпелкома» на севере Москвы в 2013 году? Тогда больше миллиона абонентов остались без связи. Дата-центр телеком-оператора - это мегаватты и десятки мегаватт энергии, но до сих пор его бесперебойное питание обеспечивают резервные дизели-генераторы. Думаю, многие видели колонны грузовиков с цистернами дизеля, отправлявшихся в дата-центр «Вымпелкома». А ведь можно было бы поставить литий-ионные или водородные источники, и никакого кошмара бы не было. Робототехника - тоже большой рынок для водородной энергетики. Понятно, что робот-пылесос 15-20 минут может разъезжать по квартире на литий-ионных аккумуляторах. Но если речь идет о создании настоящих роботов-помощников, нужны иные источники питания. Сейчас ВТЭ уже ставят в шагающих роботов, мы сами поставляем легкие и малогабаритные системы на несколько киловатт инженерным командам.
— Почему в России пока что дело не доходит до бытовых применений ВТЭ?
— Потому что у нас нет соответствующей инфраструктуры. Все европейские проекты, водородная энергетика в Японии начинались с поддержки властей по созданию сетей заправок. У нас подвижек в этом направлении нет. И это при том, что в России производится около 8-10% водорода от мирового объема, у нас водород на 30-40% дешевле. На Западе нефтяные компании - в частности, Shell и ExxonMobil — инвестируют в производство водорода, ВТЭ, строят заправочные станции, понимая, что если при производстве нефти они работают с водородом, то лучше и потом использовать его как топливо. Но, увы, российским нефтяникам это не очень нужно. Есть миф, что перевозка и хранение водорода небезопасны. На самом деле он не опаснее, чем природный газ. Молекулы водорода очень легкие, даже если есть небольшая утечка, он быстро улетучивается. Мы же не отказываемся от газа в быту, хотя нередко узнаем о взрывах баллонов в квартирах. Национальная Ассоциация Водородной Энергетики уже подготовила технический регламент по безопасности водородных установок, средств транспортировки. Главное, чего нам сейчас не хватает — это экологическая культура. Когда бизнес, власти и обычные люди всерьез задумаются о последствиях жизни на нефтяном топливе, вот тогда водородный мир станет уже ближайшим будущим.
Елена Краузова