CC BY
17
элемент
Наталья Ульянова
среди российских исследователей и разработчиков немало энтузиастов водорода, считающих, что первый элемент таблицы Менделеева в будущем непременно должен занять первое по значимости место и среди энергоносителей. отличных идей вполне мирового уровня в этой связи тоже хватает. Вот только не всегда удается придать им подобающую инженерную огранку. «Бизнес-журнал» «проинспектировал» российские стартапы, которые ближе всего подобрались к коммерциализации массовых водородных технологий.
Водородная энергетика уже реальность, хотя и дорогая, поэтому в нынешнем состоянии она еще не способна по-настоящему тягаться с энергетикой углеводородной. Не случайно основная технологическая «водородная гонка» ведется в направлении удешевления производства водорода и самих устройств, позволяющих извлекать из него энергию.
Вряд ли новая энергетика сможет заменить традиционную в ближайшем обозримом будущем, однако заметное место на рынке она наверняка получит, полагает Олег Перцовский, директор по научно-техническому развитию кластера энергоэффективных технологий Фонда «Сколково». Мировой водородноэнергетический рынок смотрится уже весьма бодро. С 2007 года, когда в продаже появились массовые решения на основе водородных топливных элементов (ТЭ), во всем мире было продано свыше 700 тыс. устройств. При этом уже к 2016 году, по данным аналитических агентств WinterGreen и Pike Research, объем рынка должен вырасти до $2,3 млрд. В России такие элементы серийно пока не производятся, но есть несколько перспективных разработок, которые в течение ближайших лет вполне могут «дозреть» до промышленного выпуска.
ТЕХНОЛОГИЯ №15
Топливные элементы чем-то сродни аккумуляторам: используют для выработки электроэнергии электрохимические реакции, только энергию не «запасают», а извлекают из поступающего извне топлива. Согласитесь, это завораживает: подаем водород в топливный элемент, а на выходе получаем электричество с КПД в 60-90%, кри-
стально чистую воду — и никакой копоти! Дополнительный плюс в том, что происходит это практически без шума, ибо электрохимические реакции протекают в тишине. Электростанция на ТЭ и близко не будет грохотать так, как дизельная или газотурбинная. Юрий Добровольский, руководитель НИОКР российского стартапа «ЭйТи Энерджи» и заведующий отделом функциональных неорганических материалов Института проблем химической физики РАН, поясняет прелести водородной энергетики на более приземленном, бытовом примере: «Владельцы дачных участков обычно устанавливают резервные электрогенераторы подальше от себя и поближе к забору: слишком шумно. Работа же генератора на топливных элементах настолько неслышна, что ее можно сравнить с жужжанием слабенького вентилятора. Так что не придется больше мучить соседей». Прочие альтернативные способы получения электроэнергии не вызывают у Добровольского такого энтузиазма, как водород. Он живо перечисляет их изъяны: приливная энергетика требует дорогущей инфраструктуры, солнечная и ветряная — «метеозависимы» и имеют массу экологических издержек (чего стоит, например, «грязное» кремниевое производство фотоэлементов)... «В этом смысле водород, — говорит разработчик, — представляет собой кристально чистый носитель энергии. И универсальный: его можно использовать всегда и везде, в том числе в сочетании с другими альтернативными источниками».
1Под этим номером водородная энергетика фигурирует в перечне критических технологий, утвержденном Указом Президента рФ №899 от 07.07.2011.
Изъян у водородных топливных элементов пока тоже есть: они очень дороги в сравнении с обычными аккумуляторами, двигателями внутреннего сгорания, газовыми турбинами и прочими энергетическими и силовыми установками нынешней углеводородной эпохи. Основная причина в том, что для их производства требуется немало благородных и драгоценных металлов. Так что практическая задача для инноваторов в области разработки ТЭ формулируется очень просто: научиться беречь металл. В чем в чем, а в этом, утверждает Юрий Добровольский, российская наука, несмотря на хроническое недофинансирование, до сих пор знает толк. «Все разработки нашей науки в этой области были и остаются ведущими, несмотря на кадровые потери в 1990-е и 2000-е годы», — утверждает он.
Разновидностей топливных элементов немало, однако в качестве наиболее перспективных эксперты выделяют два — твердополимерные и твердооксид-ные. Команда «ЭйТи Энерджи» сфокусировалась на первом. Твердополимерные элементы используются прежде всего на транспорте и в качестве резервного источника энергии, поскольку довольно компактны. Их размеры и мощность сопоставимы с двигателем внутреннего сгорания, они так же быстро включаются и способны работать при очень низких температурах. Одна незадача: такие топливные элементы весьма требовательны к чистоте водорода (не менее 99,99%), а таковой очень дорог. Как поясняет генеральный директор «ЭйТи Энерджи» Данила Шапошников, одной из целей разработчиков компании было понизить «взыскательность» ТЭ к чистоте газа, для чего необходимо было подобрать правильный катализатор. Эта цель уже достигнута: в лабораторных условиях доказано, что устройство «готово» работать и на водороде с чистотой в 99,8%. Казалось бы, разница незначительна, но такой водород уже считается техническим и стоит как минимум в два раза дешевле.
Кроме этого, ученые поставили своей целью снизить стоимость материалов, из которых изготовлен сам элемент. Прежде всего — уменьшить количество платины, использующейся в мембране. А заодно изменить к лучшему ее эксплуатационные характеристики. Как объясняет Данила Шапошников, одним из недостатков существующих твердополи-мерных топливных элементов являются ограничения по условиям их эксплуатации. Как правило, они рассчитаны на средний европейский климат, то есть плюсовые температуры. Так что заставить мембрану работать при «минусе» для разработчиков было отдельной технической задачей. И ее они уже тоже решили: получившаяся мембрана влагонезависима и способна работать при -40 градусах, и даже при -60. А значит, упрощается сама конструкция ТЭ, поскольку отпадает необходимость в увлажнителе.
— Недавно мы испытали свой топливный элемент на беспилотном летательном аппарате, — делится Юрий Добровольский. — На традиционном литий-ионном аккумуляторе беспилотник способен летать полтора-два часа. На нашем, сопоставимом по массе
Юрий Добровольский и Данила Шапошников из «ЭйТи Энерджи» (на снимке) всерьез настроены запустить в России первое производство водородных топливных элементов собственной разработки
и габаритам и еще далеко не совершенном топливном элементе, как оказалось, в пять раз дольше. Думаю, мы сможем потягаться с американцами, установившими недавно новый мировой рекорд по продолжительности полета — 40 с лишним часов. Нам только нужно придумать, как эффективно разместить на борту беспилотника необходимый запас водорода.
Компания уже готова к тому, чтобы приступить к изготовлению опытно-промышленного образца. Работа движется очень быстро. Уже через полгода российские инноваторы рассчитывают достичь целевых показателей, которые Министерство энергетики США поставило перед американскими производителями топливных элементов2.
2 В частности, в документе «Технологические вызовы производителей топливных элементов» министерство так определяет параметры ТЭ, при достижении которых возможна успешная коммерциализация на массовом рынке: стоимость стационарных решений — не более $1-1,7 тыс. за кВт мощности, продолжительность работы без ремонта — от 40 тыс. часов, температурные условия эксплуатации — от -35 до +40 градусов С.
2 5
разработчик Владимир севастьянов (на переднем плане) и команда компании «НФ» вплотную приблизились к созданию прототипа нового поколения теплоэлектростанций — водородных
Технология «ЭйТи Энерджи» должна снизить стоимость твердополимерных ТЭ с $5 до $2-3 тыс. (за кВт мощности), что обещает им более счастливую рыночную судьбу. Первое в России производство топливных элементов можно будет запустить в 2015 году, если найдется стратегический партнер. Причем отдельно можно выпускать мембранно-электронные блоки — для западных интеграторов энергетических решений. «За границей лучше, чем в России, развит рынок компонентов, — объясняет Шапошников. — Кроме того, нам самим будет сложно выходить напрямую на западных конечных потребителей. Для российского рынка мы планируем делать установки в том числе для конечных потребителей».
Основной потребитель подобных решений — рынок резервных аварийных источников электроснабжения и производители транспорта (как наземного, так и воздушного), с которого, рассчитывают разработчики, топливные элементы будут постепенно, вместе с ростом своей экономической эффективности, вытеснять аккумуляторы. При этом транспорт,
по мнению Олега Перцовского из Фонда «Сколково», в ближайшие годы предъявит спрос на львиную долю рынка топливных элементов, тем более что все крупные мировые автоконцерны и авиастроители сегодня нуждаются в разработках в этой области.
СТАКАНЫ И ПОДСТАКАННИКИ
Другой тип ТЭ, серийное производство которых может быть налажено в России в ближайшие годы, — твердооксидные. Помимо прочего, этот тип интересен тем, что топливом здесь может выступать не только водород, но и природный газ, спирт, солярка и даже уголь. Такая «всеядность» весьма кстати — по крайней мере до тех пор, пока не будет окончательно решен злободневный вопрос новой энергетики — доступность водорода широкому потребителю.
Твердооксидные топливные элементы менее требовательны к качеству топлива, но годятся в основном лишь для стационарного использования, поскольку устройства на их основе громоздки и работают при температуре в 700-1 000 градусов. Выход в рабочий режим у них занимает не менее 30 минут, так что этот вариант явно не предполагает использования на транспорте или в качестве резервного источника электричества. Зато электростанции на твердооксидных топливных элементах можно использовать для постоянного электро- и даже теплоснабжения, ведь эти элементы вырабатывают не только электричество, но и тепло. Экологичность, бесшумность, высокие КПД и ресурс твердооксидных ТЭ в ближайшей перспективе может сделать их непосредственными преемниками традиционных электрогенераторов и даже альтернативой централизованному энергоснабжению.
Команда российских разработчиков ЗАО «НФ» рассчитывает выйти на этот рынок через 4-5 лет. По словам генерального директора компании Сергея Шубенкова, прежде чем заняться массовым производством, разработчикам предстоит решить несколько технологических задач.
— Чем мы расплачиваемся за высокую температуру, до которой нагревается топливный элемент? — размышляет Шубенков. — Подобно стакану, в который налили кипяток, он может лопнуть, если не обеспечить равномерность нагрева. Однако в случае с топливным элементом это сделать сложно, потому что тепло выделяет сам ТЭ, и в больших объемах. Кроме того, приходится учитывать, что он выполнен из керамики, тогда как остальные элементы электростанции — в основном из металла, при этом все материалы расширяются при нагревании с различной скоростью. Эта серьезная технологическая проблема приводит к сильному усложнению конструкции и системы управления электростанции на твердооксидных топливных элементах и в итоге делает электростанцию очень дорогой.
Во многих развитых странах действуют программы развития альтернативной и распределенной энергетики, которые предполагают субсидии на приобретение индивидуальных теплоэлектро-
станций на топливных элементах (иногда — до половины стоимости). Однако продажи во всем мире все равно остаются штучными. Сергей Шубенков в качестве примера упоминает австралийскую компанию Ceramic Fuel Cells, которая производит теплоэлектростанции на твердооксидных ТЭ в Германии и продает всего около полутора сотен штук в год. «Оно и понятно, — объясняет скромный результат глава компании «НФ», — ведь за электростанцию, мощности которой хватает всего на два-три бытовых прибора, просят 40 тыс. евро!» Бюджетного технического решения у конкурентов явно не получилось.
Как объясняет Сергей Шубенков, упростить и удешевить конструкцию электростанции конкурентам не позволяет плоская геометрия топливных элементов, которые они используют. На плоских элементах трудно обеспечить и однородность нагрева, и надежное сопряжение с металлическими элементами конструкции по всему периметру. «Гораздо проще было бы вместо плоского элемента использовать трубку, — говорит Шубенков. — Тогда эта проблема фактически упраздняется. Но трудность в том, что существующие технологии позволяют производить серийно только плоские элементы, потому что наносить на неплоский пористый электрод керамический электролит толщиной в 10-50 микрон (это тоньше человеческого волоса) очень сложно. Поэтому в мире пока никто не научился делать такие трубки серийно. По нашим данным, есть только несколько команд, в том числе и в России, которые умеют производить трубки в лабораторных условиях, с использованием дорогостоящих нанопорошков и сложного оборудования».
Российская команда разработчиков под руководством инженера-технолога Владимира Севастьянова придумала, как разрешить противоречие и разрубить этот «гордиев узел», создав сравнительно простую и легко масштабируемую технологию производства твердооксидных топливных элементов трубчатой геометрии. Впрочем, на создание своей «простой» технологии группа Севастьянова потратила 17 лет — в рамках различных институтов и компаний. Начиная с ВНИИХТа (бывший отраслевой институт Министерства среднего машиностроения) и заканчивая компанией «НИК НЭП», которая была учреждена «Норильским никелем» и обанкротилась в 2009 году. В 2009-м команда Севастьянова перешла в новую компанию «НФ», где и был разработан проект по коммерциализации этой технологии.
Как объясняет Сергей Шубенков, суть метода заключается в том, чтобы получить керамическую пленку на трубчатой поверхности сначала в жидкой фазе, растворенной в органической кислоте. Если кислоту выпарить, а металл окислить на воздухе, то на выходе получится керамическая пленка. «Явление известное, — уточняет Шубенков. — Просто мы научились это делать на трубчатой поверхности, причем таким образом, чтобы нанесение происходило равномерно и пленка затягивала все поры». По словам Сергея, 80% оборудования, ис-
Ключ к производству дешевого водорода — в эффективных и недорогих мембранах. Материалы для своих мембран разработчики из компании «МЕВоДЗНА» подбирают и исследуют с помощью сверхвакуумной установки (на фото)
пользуемого для производства по этой технологии, давно известно в промышленности, так что изобретать велосипед и делать огромные капитальные вложения здесь не требуется. Единственное звено технологического процесса, представляющее собой ноу-хау, — специальное устройство, с помощью которого наносится керамическая пленка. «Оно очень простое — напоминает токарный станок, — слегка приоткрывает завесу тайны Шубенков. — И что особенно ценно — его легко масштабировать для будущего серийного производства».
Сейчас команда «НФ» занимается изготовлением трубок и ждет финансирования от Фонда «Сколково», чтобы построить прототип будущей электростанции. Если все пойдет по плану, к 2017 году компания откроет опытное производство, а в 2018-м запустит серийное. Фактически остался самый ответственный этап: найти оптимальное конструкторское решение для будущего рыночного
3!
s
H Ш l_ CL Ш
I
m
I
cl О
CL
О cl О
со
Водородная экономика
Себестоимость водорода в зависимости от метода производства, $ за кг
Промышленный метод Себестоимость Потенциал снижения себестоимости
Паровая конверсия природного газа / метана $3-5 до $2-2,5
Газификация угля $2-2,5 до $1,5
Электролиз воды $6-10 до $4
Биохимический метод (с использованием биомассы) $5-7 до $1-3
Источник: Fuel Cell & Hydrogen Energy Association
продукта и качественно защитить интеллектуальную собственность на ключевых рынках.
Что же касается самого рынка, то Шубенкову все предельно ясно. У «НФ» будет две линейки продуктов: обычные — для развитых рынков и помощнее — для развивающихся. Логика проста: в развитых странах подобные микротеплоэлектростанции предпочитают использовать параллельно с сетевым электричеством, а в развивающихся — как автономный источник электроэнергии в местах, удаленных от линий электропередач. Поэтому электростанции, например, для России должны обладать достаточной мощностью и емким накопителем, чтобы обеспечить средний коттедж всей необходимой энергией даже в пиковые часы потребления. «Конечно, есть конкурентные технологии, которые тоже развиваются, в том числе традиционные, — соглашается глава «НФ». — Например, газопоршневые электростанции. — Но одновременно с уменьшением стоимости теплоэлектростанции у нас появляется преимущество».
Впрочем, несмотря на перспективность российского рынка, изобретатели не могут игнорировать тот известный факт, что рынок у нас плохо восприимчив к инновационным продуктам. Поэтому начинать продажи собираются сразу за рубежом (вероятнее всего — в Северной Америке), чтобы «вернуться» в Россию уже после того, как продукт получит международное признание.
ВОДОРОД ВЫСШЕЙ ПРОБЫ
А как в России с идеями по поводу снижения себестоимости производства чистого водорода? Оборудование здесь тоже не из дешевых. Прежде всего потому, что требует много палладия: на сегодня это базовый элемент для промышленного получения водорода, а также его очистки до необходимой для работы топливных элементов «пробы». Достаточно сказать, что в стоимости устройств резервного питания, работающих на водородном топливе, от 25 до 50% приходится на палладиевые системы очистки водорода. Цены на палладий на мировом рынке выросли за последние пять лет более чем в пять раз и превысили $24 за грамм. Поэтому, объясняют эксперты, основным трендом в этой области является уменьшение в мембранах количества этого драгоценного металла.
Впрочем, и здесь есть свои «альтернативщики». Например, российская компания «МЕДВОДЭНА»
из Санкт-Петербурга ищет «беспалладиевый» способ промышленного производства и уже, похоже, нащупала верную дорогу.
Стартап несколько лет назад основали четверо физиков, сотрудников Научно-исследовательского центра электрофизических проблем поверхности (при Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций), которые в 1990-е годы работали по контракту в крупных исследовательских институтах Европы и Японии. В Россию они вернулись уже в 2000-х. Как объясняет один из основателей компании Василий Алимов, основным предметом исследований за рубежом было явление сверхгазопроницаемости металлов пятой группы. Ученые со всех сторон изучали вопрос «транспортировки» водорода сквозь эти металлы. «Результаты исследований и заставили нас сосредоточиться на водородной энергетике после возвращения в Россию», — объясняет Алимов.
Коммерческие перспективы открылись такие, что ученым было некуда деваться — только идти в прикладные разработки: использование металлов V группы сулило снижение себестоимости систем для получения особо чистого водорода в 5-10 раз. Как объясняет Алимов, водородная проницаемость долгое время считалась уникальным свойством, присущим исключительно палладию. Поэтому, например, классические мембраны топливных элементов практически целиком делают из этого драгоценного металла, который лишь на 45% дешевле золота. Между тем петербургским ученым удалось установить, что есть и другие исключения — металлы пятой группы (ванадий и др.), причем водород они пропускают на порядки быстрее палладия. Однако они не способны проявлять такое полезное свойство из-за своей высокой активности. Их поверхность химически «грязная», что и блокирует проницаемость. Остается придумать способ «разблокировать» поверхность — и добро пожаловать в мир недорогих и эффективных ванадиевых мембран, а следовательно — дешевого сверхчистого водорода!
Технологию, разработанную командой из ООО «МЕВОДЭНА», можно назвать технологией сэндвича. Мембрана состоит из пластины, изготовленной из металлов пятой группы, которую с двух сторон покрывают тончайшим слоем палладия. Таким образом, палладий выступает по отношению к ней «защитным слоем», препятствующим химическому
загрязнению поверхности, то есть давая водороду «зеленый свет».
Как объясняет Василий Алимов, лабораторные образцы таких мембран уже прошли испытания, так что теперь компания планирует приступить к конструкторским разработкам, рассчитывая запустить производство малых серий мембранных систем в ближайшие годы.
Однако есть в российской водородной энергетике и убежденные «палладисты». Например, компания «Мембраны-НЦ», которую учредили ученые из Института неорганической химии СО РАН и Новосибирский Нанотехнологический центр «СИГМА» в соответствии с 217-ФЗ3. «Институт с середины 1980-х годов проводил исследования в области химического осаждения платиновых металлов и золота из газовой формы, — говорит директор по развитию компании «Мембраны-НЦ» Владимир Волобуев. — Этой проблемой занимаются считанные научные организации во всем мире. При этом Институт неорганической химии СО РАН — один из немногих специализирующихся на палладии».
В 1990-е годы такая специализация помогла новосибирскому институту сохранить научный потенциал: даже в самые тяжелые для российской науки времена сюда обращались с заказами на НИОКР крупные западные корпорации. А когда несколько лет назад начался бум водородной энергетики, сотрудники решили полноценно поучаствовать в этом процессе — не только исследованиями, но и собственным рыночным продуктом.
«Суть нашей технологии сводится к тому, чтобы использовать очень тонкий слой палладия (а этого как раз позволяет добиться метод осаждения палладия из газовой формы), — объясняет научный руководитель проекта Игорь Игуменов. — С помощью этой технологии мы можем атом за атомом наносить различные слои — сначала корректирующие металлы, а затем функциональный слой палладия». Процесс очень тонкий — и позволяет дозировать материал и управлять функциональными характеристиками покрытия мембраны.
Конечный продукт, по замыслу авторов разработки, будет представлять собой трубчатую мембрану, через которую можно прогонять водородсодержа-щую смесь, получая на противоположном конце высокочистый водород. Поэтому в ближайшие полтора-два года разработчикам предстоит построить реактор, который позволит «опылять» тонким слоем палладия трубки с внешней стороны. Уже к середине 2015 года разработчики рассчитывают получить тестовые образцы трубчатых мембран, провести независимые испытания, а затем начать производство первых партий для продаж. По словам
3«о внесении изменений в отдельные законодательные акты
российской Федерации по вопросам создания бюджетными научными и образовательными учреждениями хозяйственных обществ в целях практического применения (внедрения) результатов интеллектуальной деятельности», от 02.08.2009.
У россии есть все шансы стать крупным экспортером недорогих мембран для производства водорода, уверен Владимир Волобуев из «Мембраны-НЦ» (на фото). Базовую технологию его компания уже отработала
Владимира Волобуева, несмотря на то что продукта еще нет, технологией уже заинтересовался ряд европейских и американских организаций. Кроме того, утверждает Владимир, компания ведет переговоры с крупными транснациональными игроками и при участии стратегического инвестора «Мембраны-НЦ» планирует открыть СП по производству мембран и мембранных модулей с локализацией в России.
Российским технологическим компаниям есть к чему стремиться. Мировой рынок оборудования для производства водорода еще три года назад достиг $2,2 млрд. И, по прогнозам экспертов, уже к 2015-му он должен вырасти скачкообразно — до $5,4 млрд. «Крупные западные и азиатские корпорации в ближайшие два-три года планируют потратить сотни миллионов долларов на покупку технологий и патентов в области водородной энергетики, — рассказывает Владимир Волобуев. — Одним словом, мир постепенно движется к водородной экономике. И у российских компаний есть все ■■
БЖ
шансы играть в этом процессе заметную роль». ■■
