Vivos voco: г.а. месяц, m.д. прохоров, "водородная энергетика и топливные элементы". Водород как альтернативный источник энергии

Водород представляет для энергетики большой интерес и теоретически имеет большие перспективы. Сторонники водородной энергетики считают, что с помощью него можно решить все энергетические проблемы и полностью изменить нынешний мир. Водородная энергетика является альтернативной энергетикой. Водород может получаться из возобновляемых ресурсов и является полностью экологически чистым топливом. Продуктом его сгорания является вода без каких-либо дополнительных вредных примесей. Водород это самый распространенный элемент во Вселенной - на его долю приходится 88,6% всех атомов. Не меньше его и на Земле, водород является основной химической составляющей самого распространенного вещества на Земле - воды. То есть, практически, запасы водорода неисчерпаемы. Из всех известных видов топлива у водорода самая большая теплотворная способность. Теплотворная способность или удельная теплота сгорания топлива - это физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг или объемом 1 кубический метр. В этом отношении водороду нет равных. Удельная теплота сгорания водорода равняется 141 МДж/кг. Из распространенных видов топлива на втором месте стоит метан - 50,1 МДж/кг, что почти в три раза меньше. Удельная теплота сгорания бензина - 44 МДж/кг, каменного угля - 22 МДж/кг. Водороду также нет равных в транспортировке. Транспортировка водорода по трубам при протяженности линии свыше 500-600 км, дешевле передачи электроэнергии по проводам (ЛЭП) в 10 раз.

Из истории водорода в энергетике

Попытки использовать водород предпринимались давно. В 1820 году в Кембриджском Философском обществе обсуждался доклад об использовании водорода для движущихся машин. В 1927 году фирма «Цеппелин» выпустила двигатель, работавший на водородном топливе. Большой интерес к использованию водорода в энергетике пробудил известный физик Лоуренс У. Джонс, выступивший в 1970 году с техническим докладом в Мичиганском университете. Он предложил широко использовать водород в качестве экологически чистой замены углеводородному топливу. В 1972 году в США, в межуниверситетском конкурсе на лучшую конструкцию городского автомобиля, первое место занял автомобиль на водороде. В Советском Союзе также велись исследования в этом направлении. В 1968 году в Институте теоретической и прикладной механики Сибирского отделения Академии наук СССР проводились испытания двигателей ГАЗ-652 на водородном топливе. В Харькове в 1980 году даже появилось такси, работавшее на смеси водорода с бензином. Особенностью двигателя, разработанного харьковскими учеными, было применение гидрида, позволяющее вмещать большее количество водорода в меньшем объеме, и делающее применение водорода совершенно безопасным. Для получения электроэнергии, водород большей частью применяется в топливных элементах, использующих принцип электрохимической реакции. В конце 2006 года во всем мире эксплуатировалось около 5000 малых стационарных водородных электростанций. В 2010 году в Италии, недалеко от Венеции, открылась водородная электростанция мощностью 16 МВт. Компания FuelCell Energy (США) создала водородную энергоустановку мощностью 40 МВт.

Проблемы водорода в энергетике

Несмотря на преимущества водорода и все попытки его использования, нельзя сказать, что водород достиг широкого применения. Водородный транспорт не может составить конкуренцию обычным электромобилям, так как его использование обходится дороже в несколько раз, и водородная инфраструктура пока еще развита слабо. Существует несколько промышленных способов получения водорода. Самым распространенным из них является паровая конверсия природного газа. При этом происходит выделение углекислого газа, поэтому проблема загрязнения воздуха не решается до конца. Что же касается получения водорода методом электролиза из воды, то стоимость его получения выше в три раза, чем при паровой конверсии, а объем электроэнергии из полученного водорода будет не намного больше затраченной на его получение. Также водород получают из биомассы. Возможно, это самый перспективный путь для водородной энергетики, но пока водород, полученный таким путем, остается еще дорогим. Что же касается взрывоопасности водорода, то эта проблема в современной технике была решена. Остается маловероятная, но, тем не менее, возможная проблема утечки водорода. Ее сложно заметить, так как водород не имеет запаха и горит бесцветным пламенем. Таким образом, требуются специальные газовые индикаторы в местах нахождения водородного топлива. Несмотря на серьезный недостаток водорода, а именно его дорогое получение, во многих странах ведутся серьезные, крупно финансируемые программы по развитию водородной энергетики. Применение водорода, медленно, но верно, продолжает свое развитие.

В последние десятилетие стало очевидным фактом, что дальнейшее интенсивное развитие современной энергетики и транспорта ведет человечество к крупномасштабному экологическому кризису. Стремительное сокращение запасов ископаемого топлива будет принуждать индустриально развитые страны расширять сеть атомных энергоустановок, которые во все возрастающей степени станут повышать опасность их эксплуатации. Резко обострится проблема утилизации радиоактивных отходов. Учитывая эту тревожную тенденцию, многие ученые и практики определенно высказываются в пользу ускоренного поиска альтернативных нетрадиционных источников энергии. В частности, их взоры обращаются к водороду, запасы которого водах Мирового океана неисчерпаемы. Неоспоримым достоинством водородного топлива являются относительная экологическая безопасность его использования, приемлемость для тепловых двигателей без существенного изменения их конструкции, высокая калорийность, возможность долговременного хранения, транспортировки по существующей транспортной сети, нетоксичность и т.д. Однако существенной непреодолимой проблемой до сегодняшнего дня остается неэкономичность его промышленного производства.

Для нужд водородной энергетики в будущем предполагается усовершенствовать традиционные методы и разработать новые, нетрадиционные, используя ядерную и солнечную энергию . Предлагаемое усовершенствование основного метода получения водорода – каталитической конверсии природного газа заключается в том, что процесс проводят в кипящем слое катализатора, а тепло в свою очередь подводят от высокотемпературного ядерного газоохлаждаемого реактора (ВТГР). Применение этого метода позволит более чем в 10 раз увеличить объемную скорость процесса, снизить температуру в химическом реакторе на 150 °С, а также уменьшить затраты на производство водорода на 20-25%. Однако такие реакторы, обеспечивающие высокие температуры теплоносителя (ок. 1000°С), пока находятся в стадии разработок.

Другой вариант получения водорода водно-щелочной электролиз под давлением с использованием дешевой электроэнергии, вырабатываемой в ночное время атомной электростанцией. При этом расход электроэнергии на получение 1 м 3 Н 2 составляет 4,3-4,7 кВт ч (по обычному способу 5,1-5,6 кВт ч), напряжение на ячейке 1,7-2,0 В при плотности тока 3-5 кА/м 2 и давлении в электролизёре до 3 МПа. Полученный таким способом водород может направляться на нужды промышленности либо использоваться как топливо на электростанции для выработки дополнительной электроэнергии в дневное время.

Другим методом получения водорода является электролиз воды с использованием в качестве электролита расплава щёлочи, твердого полимера (твердополимерный , или ТП-электролиз ), или керамики на основе ZrO 2 (высокотемпературный , или ВТ-электролиз ). Электролитический метод требует затрат электроэнергии на 30-40% меньше, чем традиционные способы получения водорода. Использование твёрдых электролитов позволяет значительно сократить расстояние между электродами в ячейке (до 250 мкм), в результате чего в несколько раз повышается плотность тока без увеличения напряжения на ячейке электролизёра. В качестве электролита при твёрдополимерном электролизе можно использовать пленку из сульфированного фторопласта-4. При этом температура процесса составляет 150°С, достижимый кпд электролизёра 90%, расход электроэнергии на получение 1 м 3 Н 2 3,5 кВт ч. Наиболее перспективен высокотемпературный электролиз с использованием тепла от реактора: при этом электролитом служит керамика из оксида циркония ZrO 2 с добавками оксидов других металлов (например, Va 2 O 3 , CaO, Sc 2 O 3). При этом температура процесса существенно повышается до 800-1000 °С, а достижимый уровень расхода электроэнергии на получение 1 м 3 Н 2 при плотностях тока 3-10 кА/м 2 составляет 2,5 кВт ч.

Из плазмохимических методов получения водорода наиболее перспективен двухстадийный углекислотный цикл , включающий: 1) диссоциацию углекислоты (2СО 2 -> 2СО + О 2), осуществляемую в плазмотроне с эффективностью до 75-80%; 2) последующую конверсию СО с водяным паром (СО + Н 2 О -> Н 2 + СО 2), после которой образовавшийся СО 2 возвращается в плазмотрон.

Термохимические способы получения водорода представляют собой совокупность последовательных химических реакций, приводящих к разложению исходного водородсодержащего сырья – воды при более низкой температуре, чем та, которая требуется для термической диссоциации. Так, степень термической диссоциации воды при 2483°С составляет 11,1%. В этих циклах все компоненты системы, кроме водородсодержащего сырья, регенерируются. Ниже приводятся примеры термохимических циклов разложения воды.

Также представляют интерес сероводородные термохимические циклы , например:

При использовании сероводорода (H 2 S) вместо воды снижаются затраты энергии на получение водорода, т.к. энергия связи Н-S в сероводороде значительно меньше энергии связи Н-О в воде, и кроме водорода образуется сера - важное химическое сырье.

К другим перспективным методам получения водорода относится радиолиз воды и водных растворов СО 2 , H 2 SO 4 , HC1, HBr, H 2 S, AgCl и др. под действием ядерного излучения (жесткого, нейтронного). Наиболее мощные источники такого излучения - ядерные реакторы. Однако, для развития этого метода необходимо создать источники ядерного излучения с высокой энергонапряженностью, разработать системы, способные поглощать реагирующей средой более 50% энергии излучения и использовать ее с радиационным выходом более 10 молекул водорода на 100 эВ.

Исследуются также и фотохимические методы получения водорода с использованием солнечной энергии. Осуществлен фотоэлектролиз воды (с раздельным получением Н 2 и О 2); метод будет представлять практический интерес, если его кпд достигнет 10-12% (пока он составляет ок. 3%).

Другим интересным способом получения водорода является биофотолиз воды . Биофотолиз воды основан на том, что некоторые микроорганизмы и микроводоросли (например, хлорелла), поглощающие солнечную энергию, способны разлагать воду с выделением водорода. Однако кпд трансформации солнечной энергии такими микроорганизмами очень низок – примерно 8%.

В последнее время как альтернативу водородной энергетики предлагается использовать тяжёлую воду . В ходе ядерной реакции двух атомов дейтерия образуется водород и гелий:

В такой реакции неприменим закон сохранения массы, каким пользуется обычная химия; в результате реакции получается недостача:

(2x2,014-1,008-3,016)г=0,004г

Она означает, что если бы удалось найти условия, при которых может протекать реакция между двумя молями тяжелого водорода, то, согласно уравнению Эйнштейна:

можно было бы получить энергию:

0,00433х(3,0х1010)2 эрг=3,9х1018 эрг=3,9х1011 Дж.

В наше время, чтобы получить такую энергию, приходится сжигать 14 т угля.

Между тем в соответствии с уравнением ядерной реакции такую энергию можно получить при затрате всего лишь двух молей дейтерия, которые содержатся в одном моле тяжелой воды. Следовательно, простой воды для этого потребуется:

6700x18/1000 кг = 120,6 кг

или 120 л. Значит, из одного литра обычной воды можно добыть больше энергии, чем можно получить ее из ста килограммов высококачественного угля. А запасы воды на нашей Земле огромны.

Однако, некоторые учёные считают, что решение энергетических проблем за счёт водородного топлива - это тупиковый и опасный путь. Поскольку, освобождаясь от загрязнения среды обитания продуктами горения углеводородного топлива, человечество приобретает достаточно мощный и непредсказуемый "продукт", который может послужить источником глобальной катастрофы.

К.х.н. О. В. Мосин

Исп. литература: « Водородная энергетика» : Легасов В. А. 1980, Атомно-водородная энергетика и технология, М., 1978, с. 11-36; Мищенко А. И., Применение водорода для автомобильных двигателей, К., 1984; McAul - iffe Ch . A ., Hydrogen and energy , Ц., 1980.

На наших глазах набирает силу новая отрасль промышленности - водородная энергетика и технология. Потребность экономики в водороде идет по нарастающей. Ведь это простейшее и легчайшее вещество может использоваться не только как топливо, но и как необходимый сырьевой элемент во многих технологических процессах. Он незаменим в нефтехимии для глубокой переработки нефти, без него не обойтись, скажем, в химии при получении аммиака и азотных удобрений, а в черной металлургии с его помощью восстанавливается железо из руд.

Такие существующие виды органического топлива, как газ, нефть и уголь, тоже служат сырьем в этих или подобных процессах, но еще полезнее извлечь из них самый экономный и чистый энергоноситель - тот же водород.

Водород - идеальный экофильный вид топлива. Очень высока и его калорийность - 33 тысячи килокалорий на килограмм, что в три раза выше калорийности бензина. Он легко транспортируется по газопроводам, потому что у него очень малая вязкость. По трубопроводу диаметром 1,5 метра с ним передается 20 тысяч мегаватт мощности. Перекачка легчайшего газа на расстояние в 500 километров почти вдесятеро дешевле, чем передача такого же количества электроэнергии по линиям электропередачи. Как и природный газ, водород пригоден на кухнях для приготовления пищи, для отопления и освещения зданий. Чтобы продемонстрировать его возможности, американские энтузиасты построили "водородный дом", в котором даже для освещения используется водород.

Передавать водород в жидком виде - удовольствие очень дорогое, потому что для его сжижения нужно потратить почти половину энергии, содержащейся в нем самом, Кроме того, должна быть обеспечена идеальная теплоизоляция трубопровода, так как температура жидкого водорода очень низка.

Но предположим, мы решили качать по трубам жидкий водород. Один из путей снижения затрат - одновременно передавать электроэнергию по водородному сверхпроводнику. Чтобы поддерживать неизменной очень низкую температуру - минус 250°С, придется создавать дорогостоящую теплоизоляцию. Но вот удивительно простое решение. Через определенное расстояние предлагается производить отбор из трубопровода образующегося газообразного водорода для потребителей, расположенных вдоль трассы, а часть жидкости испарять, отнимая тепло, и тем самым поддерживать необходимую температуру водородопровода.

Как топливо водород сжигается в двигателях ракет и в топливных элементах для непосредственного получения электроэнергии при соединении водорода и кислорода. Его можно использовать и как топливо для авиационного транспорта.

Водородная энергетика сулит ряд выгод. Поэтому за последние десять лет появилось много энтузиастов водородной энергетики, возникли их ассоциации, в том числе международная. В Советском Союзе работы по данной тематике координирует Комиссия по водородной энергетике АН СССР.

Десятки молодых ученых и специалистов собираются каждые два года в организованной ЦК ВЛКСМ школе "Атомно-водородная энергетика и технология". Школы проводились в Северо-Донецке, Ионаве в Литве, Туле и Баку, где обсуждались вопросы использования водорода в промышленности и быту. В работе школ участвуют ведущие специалисты, которые рассказывают об основных методах получения водорода, его хранения и транспортировки, а молодые ученые обмениваются опытом работы в этой интересной и перспективной области науки и техники. Так готовятся кадры для будущего, Работы специалистов публикуются в журналах и сборниках под названием "Атомно-водородная энергетика и технология".

Сейчас в мире получают около 30 миллионов тонн водорода в год, причем в основном из природного газа. Согласно прогнозам за 40 лет производство водорода должно увеличиться в 20-30 раз. Предстоит с помощью атомной энергетики заменить нынешний источник водорода - природный газ - на более дешевое и доступное сырье - на воду. Здесь возможны два пути.

Первый путь - традиционный, с помощью электрохимического разложения воды. В последние годы электролизеры существенно усовершенствованы. Созданы установки с КПД до 70-80 процентов. Однако они пока еще дороги. Хотя не все ресурсы на этом пути исчерпаны, здесь неустраним принципиальный недостаток - низкий общий КПД производства водорода. Если КПД производства электроэнергии равен 35 процентам, а электролизера - 70 процентам, то полный КПД составит около 23 процентов.

Второй путь менее известен. Если нагреть пары воды до 3000-3500° С, то водные молекулы развалятся сами собой. Однако смущает слишком высокая температура, неприемлемая для промышленного производства. Попробуем провести реакцию разложения воды не в один этап, а в несколько. Например, при невысокой температуре проведем реакцию взаимодействия кадмия с водой. В результате получим свободный водород и окись кадмия. Затем нагреем окись кадмия до 1200-1300° С (а не до 3000-3500° С, как это нужно было для прямого разложения воды) и при ее разложении получим кислород и кадмий, который снова можно использовать для реакции с водой. Таким образом, вода разложилась на водород и кислород в ходе двухступенчатой химической реакции.

Придумано очень много подобных термохимических циклов разложения воды, когда не нужно использовать электроэнергию, а только тепло - например энергию атомных реакторов. Применяя цепочки в три или четыре реакции, максимальную температуру можно понизить еще больше при КПД около 50 процентов.

Увы, реальные технологические цепочки еще очень сложны. Природа расставила немало преград. Так, необходимы громоздкие и дорогие теплообменные устройства. Не так просто разделить вещества, участвующие в реакции. Довольно велики потери материалов. Существуют и другие трудности. Ныне ведется отработка различных предложенных схем и поиск новых.

Оба способа получить водород из воды пока дороже, чем из природного газа. Однако природный газ дорожает, а методы разложения воды совершенствуются. Через какое-то время водород из воды станет дешевле. В отдельных случаях и сейчас выгодно получать водород с помощью электролиза в ночные часы, когда имеется лишняя и дешевая электроэнергия.

О реальном соотношении стоимостей производства водорода различными способами сообщается в монографии "Введение в водородную энергетику", изданной под реакцией академика В. Легасова. Оказывается, если пересчитать затраты на тонну условного топлива, то производство тонны водорода из природного газа обойдется в 80-150 рублей, при электролизе воды - в 90-200, в термохимических циклах - в 200-300; из воды с помощью энергии угля - в 100 рублей.

Обращает на себя внимание большой разброс в цифрах. Он отражает и неопределенность в технологиях, которые еще нужно осваивать, и разницу в цене на сырье (газ, уголь) или электроэнергию.

Не во всех случаях водород способен удачно заменить современные виды топлива, особенно жидкое. В последние годы у энергетиков широкое развитие получили работы по созданию синтетического жидкого топлива (СЖТ). Его можно получать из газа, угля, сланцев. Весьма заманчиво делать искусственное жидкое топливо из угля, запасы которого велики. Придумано несколько способов превращения угля в жидкую массу. В Швеции уже работает опытный завод по производству "флюидкарбона", который состоит из 65-80 процентов угля, 20- 35 - воды и небольшого количества различных химических добавок - органических полимеров, полисахаридов.

Институт КАТЭКНИИуголь совместно с Институтом химии и химических технологий Сибирского отделения АН СССР предлагает растворять угли низшими алифатическими спиртами. Кстати, в этих процессах угольная масса существенно очищается от примесей серы.

К сожалению, жидкий уголь и жидкое углеводородное топливо - не одно и то же. В двигателях автомобилей и самолетов нужно топливо, подобное тому, которое получают из нефти, в нем на один атом углерода приходится около двух атомов водорода. Чем меньше атомов водорода приходится на один атом углерода, тем, как правило, при более высоких температурах углеводороды становятся жидкими.

В углях водорода меньше. В антраците его совсем мало, а в бурых углях типа канско-ачинских на атом углерода приходится всего лишь один атом водорода. Чтобы повысить содержание водорода в угольной массе, уголь измельчают и смешивают со специальной углеводородной жидкостью, которую выделяют из конечного жидкого продукта, а затем в эту пасту подают водород. При высокой температуре и давлении разрываются угольные кольцеобразные структуры, и к ним присоединяются дополнительные атомы водорода.

Такие процессы были изобретены давно. Еще в 20- 30-е годы в Германии, Англии, СССР работали опытные установки. А во время второй мировой войны в Германии уже производилось несколько миллионов тонн синтетического бензина из угля; для этого требовалась очень дорогостоящая аппаратура. Особенно много проблем доставляло высокое (около 700 атмосфер) давление, при котором идет этот синтез.

В Институте горючих ископаемых благодаря использованию нового эффективного катализатора удалось снизить давление до 100 атмосфер. КПД такого процесса - около 50 процентов, а это значит, что из шести тонн канско-ачинского угля можно получить тонну СЖТ. Построены первые опытные установки. Однако нерешенные проблемы остаются. Например, неясно, удастся ли избежать больших потерь дорогого молибденового катализатора. Производительность установок еще мала. А ведь на их изготовление уходит большое количество высококачественных сталей. Пока неутешительны и оценки ожидаемой стоимости такого СЖТ.

Может быть, выгоднее окажутся способы непрямого сжижения угля? Например, сначала уголь газифицируется, а затем полученный газ в виде смеси СО, СН 4 и Н 2 превращается либо в метанол (его уже можно использовать вместо бензина), либо в жидкие углеводороды. Из метанола дегидрированием можно получить и высокооктановый бензин. Сколько же это будет стоить?

Пока ответ очень приблизителен - от 60 до 300 рублей за тонну жидкого топлива. Нужно точнее? Для этого и продолжаются исследования, создаются новые и новые установки.

Предлагаются и полуфантастические способы получения водорода - например закачивать воду через скважины в магму. При взаимодействии воды с железом (если магма богата им) выделится водород. Но мало, очень мало. Даже по расчетам энтузиастов (как правило, завышенным), при закачке 70 тонн воды получим всего 230 килограммов водорода из 8 тонн, содержащихся в воде.

Японские и американские специалисты выдвинули менее сложный, но столь же впечатляющий проект. Представим в океане платформу площадью 10 квадратных километров, которая заполнена солнечными панелями, конденсаторами солнечной энергии, паровыми котлами, турбогенераторами и электролизерами. Производительность такого завода - 600 тонн водорода в сутки. Разложение морской воды не простая задача. Очень мешает растворенный хлор, соли, для выделения которых из воды предстоит еще разработать технологию.

Почему платформы размещаются в море? Там не нужно искать охлаждающую воду для турбин. Это уже выигрыш. Кроме того, там гораздо меньше пыли и грязи, между тем как солнечные панели, установленные на суше, требуют чуть ли не ежедневной очистки, иначе КПД их падает.

Водородная энергетика бурно развивается, но недаром все чаще говорят об атомно-водородной энергетике. Требуются большие энергетические расходы для получения водорода. Тандем "ядерный реактор - водородный генератор" претендует ныне на роль энергетического лидера в экономике XXI века.

9 декабря 2003 г. состоялось совместное заседание Президиума РАН и Правления ОАО "Горно-металлургическая компания «Норильский никель»". Участники совещания заслушали научное сооо щение "Водородная энергетика и топливные элементы", которое от имени соавторов сделал академик Г.А. Месяц, и выступление генерального директора - председателя Правления ОАО "Горно-металлургическая компания «Норильский никель»" М.Д. Прохорова. После обсуждения научного сообщения состоялось подписание Комплексной программы поисковых, научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по водородной энергетике и топливным элементам между Российской академией наук и ОАО "Горно-металлургическая компания «Норильский никель»". Со стороны академии программу подписал президент РАН академик Ю.С. Осипов, со стороны компании генеральный директор М.Д. Прохоров. Ниже публикуются с небольшими сокращениями материалы заседания Президиума РАН.

ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
И
ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Г. А. Месяц, M. Д. Прохоров

Месяц Геннадий Андреевич - академик, вице-президент РАН, директор Института электрофизики УрО РАН.
Прохоров Михаил Дмитриевич - генеральный директор - председатель Правления ОАО "ГМК «Норильский никель»".

В сентябре 2003 г. было принято принципиальное решение о том, что Российская академия наук и ОАО "Горно-металлургическая компания «Норильский никель»" объединят свои усилия в исследовании проблем водородной энергетики и топливных элементов. 10 ноября 2003 г. было подписано Генеральное соглашение о сотрудничестве Российской академии наук и компании "Норильский никель". В соответствии с соглашением мы должны в течение месяца разработать и подписать программу наших совместных работ. За этот месяц вместе с представителем "Норильского никеля" В.А. Пивнюком мы посетили ряд ведущих научных организаций Российской академии наук и других ведомств. Побывали на Урале, провели три научных семинара - в Екатеринбурге, Санкт-Петербурге и в Москве, где заслушали около 40 научных докладов.

Мы договорились, что работы в основном будут идти в направлении водородной энергетики и топливных элементов, потому что понятие "водородная энергетика" значительно шире, чем просто получение электрической энергии. Кроме того, мы договорились (и это оговорено в соглашении), что многие исследования, которые сейчас осуществляются на двусторонней основе институтами РАН и компанией "Норильский никель", будут продолжаться. Некоторые из них находятся за рамками нашей совместной программы, но потом они могут влиться в нее.

Расскажу о современном состоянии водородной энергетики в мире, о том, что происходит в этой области исследований в России, какие имеются возможности и на что мы можем рассчитывать.

С 1900 по 2000 г. потребление энергии в мире увеличилось почти в 15 раз - с 21 до 320 экоДж (1 экоДж = 27 х 10 6 м 3 нефти). В качестве первичных источников используются нефтепродукты (34.9%), уголь (23.5%), природный газ (21.1%), ядерное топливо (6.8%) и возобновляемые источники - ветер, солнце, гидро- и биотопливо (13.7%). Это привело к тому, что за 50 лет выбросы углекислого газа в атмосферу возросли в 4.5 раза и сегодня составляют 20 х 10 12 м 3 /год. Это тот самый углекислый газ, ради которого существует Киотский протокол и который, как уверяют многие ученые, вызывает парниковый эффект. Вообще энергетика, основанная на ископаемом топливе, создает очень много экологических проблем. Возникает дилемма: без энергии нельзя сохранить нашу цивилизацию, однако существующие методы производства энергии и высокие темпы роста ее потребления приводят к разрушению окружающей среды. Естественно, что одна из основных задач современной энергетики - поиски путей преодоления экологических проблем.

Вторая и, наверное, главная проблема состоит в том, что существующие источники энергии ограничены. Считается, что нефти и газа хватит не более чем на 100 лет, угля - примерно на 400 лет, ядерного топлива - на 1000 лет с лишним. Для того чтобы иметь топливо, когда на Земле будут исчерпаны запасы нефти и газа, и решить экологические проблемы, необходимо переходить к новым источникам энергии и иметь "чистую энергетику". И наша главная надежда - на водородную энергетику: использование водорода как основного энергоносителя и топливных элементов как генераторов электроэнергии. Одновременно резко сократится потребление ископаемых топлив, потому что водород можно получать из воды, разлагая ее на водород и кислород. Энергию для этого будут давать ядерная энергетика и возобновляемые источники.

Переход на водородную энергетику означает крупномасштабное производство водорода, его хранение, распределение (в частности, транспортировку) и использование для выработки энергии с помощью топливных элементов. Водород находит применение и в других областях, таких как металлургия, органический синтез, химическая и пищевая промышленность, транспорт и т.д. (рис. 1). Судя по современным темпам и масштабам развития водородной энергетики на нашей планете, мировая цивилизация в ближайшее время должна перейти к водородной экономике. Фактически задача состоит в том, чтобы создать топливные элементы и использовать водород для получения электрической энергии. Именно топливным элементам я уделю основное внимание.

Начну с производства водорода. Один из его источников - природное топливо: метан, уголь, древесина и т.д. При взаимодействии топлива с парами воды или воздухом образуется синтез-газ - смесь СО и Н 2 (рис. 2). Из нее затем выделяется водород. Другой источник - отходы сельскохозяйственного производства, из которых получают биогаз, а затем - синтез-газ. Промышленно-бытовые отходы тоже используются для производства синтез-газа, что способствует одновременно и решению экологических проблем, поскольку отходов много и их нужно утилизировать. В конечном счете образуются углекислый газ, водород и окись углерода. Дальше идет каталитическая очистка, электрохимическая конверсия и т.д. Водород можно получать также электролизом воды, то есть разложением ее под воздействием электрического тока. Очень важным элементом при преобразовании газа, содержащего водород, является очистка газа на палладиевых мембранах. В конечном счете получается чистый водород.

Теперь остановлюсь на способах хранения водорода. Самый эффективный из них - это баллоны. В таблице 1 приведено отношение (в процентах) массы водорода к массе тары для его хранения. Если баллон выдерживает 300 атм, то в нем можно хранить 13% (масс) водорода; 500 атм - 11%. В США разработаны баллоны, рассчитанные на 700 атм. Они хранят 9% водорода. Удобно хранить водород в сжиженном состоянии. Хорошие способы его хранения - адсорбция водорода в гидридах металлов (порядка 3%) и в интерметаллидах (до 5%). Есть идеи и проводятся уже эксперименты по таким способам хранения водорода, как углеродные наноматериалы, нанотрубки и стеклянные микросферы. Отмечу, что целесообразно максимально согласовать во времени процессы производства водорода из традиционного топлива и его потребления, чтобы минимизировать потребность в хранении водорода.

Перехожу к выработке электроэнергии с использованием водорода, то есть непосредственно к топливным элементам. Это - гальваническая ячейка, вырабатывающая электроэнергию за счет окислительно-восстановительных превращений реагентов, поступающих извне. При работе топливного элемента электролит и электроды не расходуются, не претерпевают каких-либо изменений. В нем химическая энергия топлива непосредственно превращается в электроэнергию. Очень важно, что нет превращения химической энергии топлива в тепловую и механическую, как в традиционной энергетике. При сжигании газа, мазута или угля в котле нагревается пар, который под высоким давлением поступает в турбину, а турбина уже вращает электрогенератор.

В простейшем топливном элементе, где используются чистый водород и чистый кислород, на аноде происходит разложение водорода и его ионизация (рис. 3). Из молекулы водорода образуются два иона водорода и два электрона. На катоде водород соединяется с кислородом и возникает вода. Фактически в этом и состоит главный экологический выигрыш: в атмосферу выбрасывается водяной пар вместо огромного количества углекислого газа, образующегося при работе традиционных тепловых электростанций.

Первая электрическая энергия была получена с помощью топливного элемента еще в 1839 г. Однако бум вокруг водородной энергетики возник тогда, когда началось освоение космоса. В 60-е годы прошлого века были созданы топливные элементы мощностью до 1 кВт для программ "Джемини" и "Аполлон", в 70-80-е годы - 10-киловаттные топливные элементы для "Шаттла". У нас такие установки разрабатывались для программы "Буран" в НПО "Энергия", которое выступало координатором всей программы, но сами щелочные топливные элементы создавались в Новоуральске на электрохимическом комбинате. В те же годы были построены электростанции мощностью порядка 100 кВт на фосфорнокислотных топливных элементах. В Японии и США имеются опытные 10-мегаваттные электростанции.

С 1990-х годов и по настоящее время идет разработка топливных элементов мощностью от 1 кВт до 1 МВт для стационарной автономной энергетики. Нужно иметь в виду, что и в автотранспорте находят применение топливные элементы, а в качестве их нагрузки - электрические двигатели. Кроме того, сейчас разрабатываются портативные источники электроэнергии (мощность менее 100 Вт) для компьютеров, сотовых телефонов, фотоаппаратов. В качестве топлива в них используется, как правило, метанол, из которого получают водород. Подзарядка элементов производится всего один раз в месяц.

Топливный элемент состоит из ионного проводника (электролита) и двух электронных проводников (электродов), находящихся в контакте с электролитом. Топливо и окислитель непрерывно подводятся к электродам - аноду и катоду, продукты (инертные компоненты и остатки окислителя, а также продукты окисления) непрерывно отводятся от них. Основные типы топливных элементов приведены в таблице 2. По типу электролита они классифицируются на щелочные, твердо-полимерные, фосфорнокислые, расплавкарбонатные и твердооксидные; по рабочей температуре - на низко-, средне- и высокотемпературные. Замечу, что использование электродов из палладия и металлов платиновой группы приводит к повышению удельных характеристик и увеличению ресурса топливных элементов. Полимерная мембрана Nafion, применяемая в твердополимерных топливных элементах, в США и Канаде производится фирмой "Дюпон", в России аналогичные мембраны выпускает фирма "Пластполимер".

Я приводил пример топливного элемента, в электролите которого перенос заряда осуществляется ионами водорода (см. рис. 3). В других топливных элементах носителями заряда могут выступать ион кислорода, радикал ОН - или СО 3 - окислителями могут быть кислород либо воздух (рис. 4).

Таблица 3 демонстрирует требования к чистоте водорода для различных топливных элементов. Щелочные, твердополимерные и фосфорнокислые электролиты очень чувствительны к СО. В карбонатных и твердооксидных топливных элементах СО является топливом. Чувствительность к CO 2 щелочных элементов тоже очень высокая, но CO 2 не влияет на работу других топливных элементов. Достаточно большую чувствительность к таким примесям, как H 2 S и COS, показывают все топливные элементы. Примеси отнесены к ядовитым, если их присутствие приводит к выходу из строя топливных элементов из-за отравления электродов или электролитов. В конечном счете примеси к водороду сокращают срок службы топливных элементов.

Сейчас в мире активно разрабатываются твердополимерные топливные элементы на водороде (рис. 5,а). Считается, что они будут применяться в основном на автотранспорте. Пока их стоимость довольно высокая: 1 кВт установленной мощности в лучших образцах обходится в (3-5) тыс. долл. Нужно снизить стоимость 1 кВт до 100 долл., чтобы сделать твердополимерные топливные элементы конкурентоспособными на транспорте. Что касается автономной энергетики, то для нее предназначаются в первую очередь твердооксидные топливные элементы (рис. 5,б). Вырабатываемый ими 1 кВт установленной мощности стоит сейчас 3 тыс. долл., приемлемая для водородной энергетики стоимость - 1 тыс. долл. - может быть вскоре достигнута.

Топливный элемент - лишь составная часть электрохимического генератора, который содержит еще системы кондиционирования, подготовки топлива, утилизации отходов и др. (рис. 6). Первичным топливом могут быть метан, пары метанола, керосина, синтез-газ и т.д. Коэффициенты полезного действия у генераторов с топливными элементами (рис. 7) изменяются от 30% (двигатели внутреннего сгорания и газовые турбины) до 60-65% (энергоустановки с твердооксидными топливными элементами).

Вернусь еще раз к вопросу о выбросах в атмосферу, чтобы понять важность экологического аспекта водородной энергетики. В таблице 4 приведены предельно допустимые выбросы существующих энергоустановок. Если мы перейдем на водородную энергетику, то некоторые выбросы (NO х и СО) снизятся на порядки, а некоторых (SO 2 и твердых частиц) вообще не будет.
Рассмотрим энергоустановку, основой которой является солнечная батарея. Наличие солнечного света и потребность в энергии не всегда совпадают. Когда потребление энергии незначительное, электрическая энергия от солнечной батареи может использоваться для электролиза воды и получения водорода. Водород поступает в накопитель и по мере необходимости используется для выработки электроэнергии в водородных электрохимических генераторах. Такая гибридная система, возможно, и будет основой для будущей автономной электроэнергетики.

Теперь коротко о перспективах применения топливных элементов на транспорте и в децентрализованной энергетике (табл. 5). В мегаваттных установках для децентрализованной энергетики используются фосфорнокислые и расплав-карбонатные топливные элементы и метан в качестве топлива с последующим преобразованием его в водород химическими методами. На транспорте находят применение киловаттные энергетические установки с твердооксидными и твердополимерными топливными элементами.

В Японии создана энергетическая установка на топливных элементах мощностью 100 кВт, в Германии - установка мощностью 250 кВт, функционирующая как небольшая автономная электростанция. Фирма "Сименс Вестигхаус" разработала гибридную энергетическую установку на твердооксидных топливных элементах. В ней мощная струя выходящих газов используется для работы газовой турбины, то есть к электрической энергии, вырабатываемой топливными элементами, добавляется электрическая энергия, вырабатываемая турбиной. Крупнейшие автомобильные компании мира ведут разработку электромобилей. В таких городах, как Амстердам, Барселона, Лондон, Гамбург, Мадрид, прошли показательные испытания городских автобусов на топливных элементах. Первая такая демонстрация состоялась в 1993 г., а наибольшее их число пришлось на 1999-2003 гг.: 60 демонстраций 17 компаний, производящих легковые автомобили, и 11 демонстраций 7 компаний, выпускающих автобусы. Компании "Дженерал Моторс" и "Даймлер-Крайслер" намереваются продемонстрировать электромобиль в 2004 г. (водород предполагается получать из бензина), компании "Баллард Пауэр Системе" и "Даймлер-Крайслер" - в 2005 г.

А как обстоят дела с водородной энергетикой и топливными элементами в России?

Надо сказать, что водородной энергетикой у нас занимаются довольно давно, поскольку эти работы имели очень большое значение для автономной энергетики в космосе и подводном флоте. Космос и подводный флот были фактическими источниками средств для развития водородной энергетики. Почти 20 институтов АН СССР, а затем РАН (в Москве, Екатеринбурге и Новосибирске) решали те или иные вопросы водородной энергетики. В последние годы исследования поддерживались в основном за счет совместных контрактов с иностранными компаниями (ряд разработок, о которых я упоминал, в той или иной мере были сделаны при участии российских ученых).

На протяжении 20 лет десятки академических институтов ведут исследования в этой области. В Институте катализа им. Г.К.Борескова СО РАН, имеющем хорошую экспериментальную базу и испытательное оборудование, изучается возможность использования металлов платиновой группы (палладия, платины и др.) для получения водорода. Здесь создан ряд катализаторов для получения водорода из метана с последующей его очисткой с помощью мембран. Что касается мембран, то очень хорошие результаты достигнуты в Институте общей и неорганической химии им.Н.С.Курнакова РАН и в Институте нефтехимического синтеза им. А.В.Топчиева РАН. В Институте электрофизики УрО РАН по совместной программе с Институтом высокотемпературной электрохимии УрО РАН разработаны методы получения нанопорошков и нанокерамики путем магнитного прессования. Генерация электрическои энергии в твердооксидных топливных элементах происходит при температуре 950 о С и плотности мощности 470 МВт/см 2 .

Уральский электрохимический комбинат - пионер в создании электрохимических генераторов мощностью в десятки киловатт. В 1971 г. здесь был разработан электрохимический генератор "Волна" (мощность 1.2 кВт) на щелочном топлив ном элементе для отечественной лунной про граммы, в 1988 г. - система "Фотон" (мощность 10 кВт) для "Бурана". Комбинат может выпускать такие установки по несколько штук в год. В 1999 г. для космического аппарата "Ямал" были созданы модули из двух никель-водородных аккумуляторных батарей то есть водород можно использовать не только для топливных элементов, но и для аккумуляторов энергии.

В 1982 г. НПО Квант впервые снабдил авто мобиль "РАФ" водородным щелочным топливным элементом. В 2001 и 2003 гг. Уральский электрохимический комбинат, РКК "Энергия" и АвтоВАЗ на автосалонах в Москве демонстрировали автомобиль "Лада" с электродвигателем и электрохимическим генератором "Фотон". В первой системе окислителем служил кислород, во второй - очищенный от CO 2 воздух, что существенно упростило конструкцию автомобиля. Однако и в том, и в другом случае использовался хранящийся в баллонах водород. На одной заправке эти автомобили могут проехать 300 км

В нашей стране для автономной энергетики созданы различные установки с электрохимическими генераторами мощностью от 1 до 16 кВт, в том числе корабельные мощностью 150 кВт и более.

* * * Чем привлекательны топливные элементы и почему их нет на рынке? К числу достоинств относятся: высокий кпд, низкая токсичность, бесшумность, модульная конструкция (имея, скажем, киловаттные топливные элементы, можно собирать из них установки большой мощности), многообразие первичных видов топлива, широкий интервал мощности. Проникновение их на рынок сдерживается прежде всего высокой себестоимостью по электроэнергии и малым ресурсом. Наибольший ресурс у твердополимерных топливных элементов - (2-5) тыс. часов работы, требуемый же срок службы - (20-30) тыс. часов.

Что касается коммерциализации электрохимических генераторов на топливных элементах, то около 100 компаний участвует в их демонстрационных испытаниях, достигнута установленная мощность в 50 МВт. Потребность децентрализованной стационарной энергетики (мощность электрохимических генераторов от 5 кВт до 10 МВт) -100 тыс. МВт за 10 лет. Сейчас 1 кВт установленной мощности стоит более 3 тыс. долл., приемлемая цена - 1 тыс. долл. Потребности автотранспорта в электрохимических генераторах на топливных элементах (мощность 15-100 кВт) - 500 тыс. штук в год. Сейчас стоимость одного такого генератора более 3 тыс. долл., приемлемая цена - 50-100 долл. Таким образом, необходимо многократное снижение стоимости стационарных топливных элементов и десятикратное - стоимости топливных элементов для транспорта.

Учитывая потребности рынка, программа бюджетных инвестиций США предполагает в ближайшие 10 лет вложить 5.5 млрд. долл. в развитие технологии топливной энергетики, промышленные компании - почти в 10 раз больше.

Россия на уровне системного понимания проблемы топливных элементов нисколько не уступает Западу. Десятки отечественных институтов так или иначе работают над этой проблемой в кооперации с международными компаниями. Отечественная компания "Пластполимер" предполагает построить в Европе один из заводов по производству полимерной пленки для твердополимерных топливных элементов. На недавней конференции в Вашингтоне американцы говорили, что покупают в Испании полимерную пленку, изготовленную по российской технологии.

Мы сильно отстали от Запада в области традиционных технологий. Но традиционные технологии, несмотря на огромные вложения, до сих пор не позволили Западу и Японии создать топливные элементы коммерческого уровня. Нам надо обгонять Запад, не догоняя. Для этого, мне кажется, у нас есть хороший задел в области нанотехнологий, направленного синтеза материалов, тонкопленочных, лучевых технологий. Необходимо объединить достаточно мощный потенциал Российской академии наук, отраслевых институтов, Минатома РФ, чтобы быстро продвигаться вперед.

В Комплексной программе поисковых, научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по водородной энергетике и топливным элементам запланировано исследование палладия. Металл платиновой группы палладий является одним из основных материалов для топливных элементов и всей водородной энергетики. На его основе изготовляются катализаторы, мембранные аппараты для получения чистого водорода, материалы с повышенными функциональными характеристиками, топливные элементы, электролизеры, сенсоры для определения водорода. Палладий может эффективно накапливать водород, особенно нанопорошок палладия.

Помимо водородной энергетики, палладий находит применение в катализаторах для доочистки выхлопных газов обычных автомобилей; электролизерах для получения водорода и кислорода путем разложения воды; портативных топливных элементах, в частности метанольных; твердооксидных электролизерах с электродами на основе палладия; устройствах для получения кислорода из воздуха, в том числе и в медицинских целях; сенсорах для анализа сложных газовых смесей.

Задачи Российской академии наук в развитии водородной энергетики и палладиевых технологий, по нашему мнению, следующие:

разработка новых технологий для водородной энергетики;

Поиск и исследование новых материалов и процессов, перспективных в области водородной энергетики;

Исследования по рациональному и эффективному применению палладия и металлов платиновой группы в энергетике и катализе;

Научное сопровождение со стороны академических институтов разработок промышленных технологий (мы не можем организовать серийное производство, но обязаны организовать научное сопровождение);

Разработка прогнозов развития водородной энергетики в России;

Создание концепции водородной экономики.

Перечислю приоритетные направления работ академических институтов в рамках Генерального соглашения между Российской академией наук и ОАО "Горно-металлургическая компания «Норильский никель»":

создание твердополимерных и твердооксидных топливных элементов, а также дальнейшее изучение возможностей щелочных топливных элементов, топливных процессоров для получения водорода из углеводородных топлив;

Разработка комплексов по производству, очистке, аккумулированию, хранению и транспортировке водорода;

Создание высокоэффективных экологически чистых энергетических установок и электрохимических генераторов широкого класса на основе топливных элементов, в том числе для использования в бытовых электронных устройствах;

Разработка ключевых элементов инфраструктуры водородной энергетики;

Разработка перспективных технологических процессов и изготовление высокотехнологичной продукции на основе использования палладия и металлов платиновой группы.

В заключение я хотел бы отметить, что для Российской академии наук наступил знаменательный момент: промышленность и крупные частные компании проявляют интерес к ее фундаментальным разработкам, чтобы повысить конкурентоспособность своей продукции. Мы всегда говорили: как только станет оживать наша промышленность, оживет и наука. Участие Академии наук в совместной программе с компанией "Норильский никель" - это в некотором смысле пилотный эксперимент по новой организации фундаментальных и прикладных исследований.

Реализация Генерального соглашения и той программы, которая сегодня будет подписана, - одно из направлений будущего развития Академии наук. Я знаю, что и другие компании проявляют интерес к сотрудничеству с Российской академией наук, и на двусторонней основе уже работают с нашими институтами. Напомню, что в 2002 г. Академия наук именно благодаря хоздоговорам заработала 5 млрд. руб., а средства, которые были ей выделены из бюджета, составили 10 млрд. руб. Надеюсь, что нынешнее совместное заседание Президиума РАН и Правления компании "Норильский никель" положит начало новым методам инновационной деятельности Российской академии наук.

Затем слово было предоставлено генеральному директору - председателю правления ОАО "ГМК «Норильский никель»" М.Д. Прохорову.

М.Д. Прохоров: Свое выступление начну со слов благодарности в адрес Российской академии наук за ту энергию и энтузиазм, с которыми ее представители включились в совместную разработку водородной темы и топливных элементов. Хотел бы высказаться по вопросу стратегии России в области водородной энергетики и топливных элементов, а также обсудить базу, с которой мы стартуем, и требования, которые должны быть предъявлены к нашим разработкам.

К нашему глубокому сожалению, Россия потеряла статус великой экономической державы: по ВВП мы находимся во втором десятке стран мира, по среднедушевым доходам - еще дальше; наша экономика сильно зависит от экспорта и импорта высоких технологий; в стране не развит добавленный продукт, многие вещи мы импортируем. Все это необходимо учитывать при разработке программы по водородной энергетике для того, чтобы она была успешной.

Президент России В.В. Путин поставил амбициозную задачу: удвоить ВВП к 2010 г. Но эта задача базируется на линейном удвоении. На мой взгляд, при 8%-ном росте ВВП в год мы не решим глобальную проблему - не вернем Россию в число ведущих мировых экономических держав. Мы лишь сократим немного отставание от этих стран. Если наш ВВП будет расти на 8% в год, а ВВП США на 1% в год, мы достигнем их потенциала через 236 лет. (выделено нами - V.V. )

Изучение экономических проблем и совместные работы с Российской академией наук привели нашу компанию к одному очень интересному выводу. Мы считаем, что развитие водородной энергетики и технологии создания топливных элементов - единственная возможность для нашей страны попасть в число ведущих экономических держав мира. Приведу три базовых аргумента.

Первый аргумент. Мир стоит перед выбором перехода на новый технологический уклад. И совсем не обязательно, что те страны, которые сейчас на коне, особенно успешно совершат этот переход. Даже наоборот: большие вложения в крупную дорогостоящую инфраструктуру (порядка 1 трлн. долл.) могут не позволить вовремя переориентироваться и перейти на новый уклад. Но у нашей страны есть возможность попытаться сделать прорыв сразу в новую экономику.

Второй аргумент. Главная цель водородной технологии - снижение зависимости от существующих энергоносителей, то есть нефти и газа. Именно эти энергоносители являются основой нашей нынешней экономики и бюджета. Если через 15 лет в результате внедрения водородной экономики потребление нефти и газа резко сократится, нас ждет депрессионная модель развития. Так что альтернативы переходу на водород ную экономику у нас просто нет.

Третий аргумент. Для того чтобы конкурировать, необходимы конкурентные преимущества. В данном случае они налицо: фундаментальные разработки Российской академии наук и металл будущего - палладий, 50% мирового производства которого контролирует Россия.

Все эти три аргумента убеждают меня в том, что мы практически располагаем исторической возможностью предложить Президенту страны и правительству нашу совместную комплексную программу в качестве национальной экономической идеи по возврату России статуса великой экономической державы. И это надо будет сделать, на мой взгляд, с использованием Совета при Президенте Российской Федерации по науке и высоким технологиям.

Какие требования будет предъявлять мировая экономика к нашим разработкам?

Прежде всего мы должны опережать наших западных коллег. Дело в том, что в стране не развит, к сожалению, добавленный продукт, а значит, емкость российского рынка очень небольшая. И на первом этапе наша продукция должна реализовываться именно на западных рынках, поэтому наши разработки должны превосходить западные аналоги, чтобы рынок их принял. Мы должны отдавать приоритет тем исследованиям и разработкам, которые не будут повторять аналогичные зарубежные проекты, а позволят нам выйти на передовые позиции в мире и создать конкурентоспособные продукты в области водородной энергетики, превосходящие по своим параметрам западные образцы и технологии. Для того, чтобы догонять, надо сразу перегонять.

По нашему глубокому убеждению, простое усовершенствование сегодняшних технологий не отвечает необходимым требованиям будущей водородной экономики. Технические проблемы в этой области должны быть решены за счет серьезных фундаментальных исследований в различных областях химии, физики, материаловедения, нанотехнологии, а также за счет интеграции самих исследований с производством и потребностями бизнеса уже на ранней стадии их проведения.

Еще одна существенная проблема - финансирование. Естественно, средств "Норильского никеля" не хватит на всю комплексную программу. Это только стартовый капитал, который позволит сдвинуть дело с мертвой точки. Необходимо привлечение государственных ресурсов в рамках национальной программы, а также ресурсов нефтяных, газовых и энергетических компаний.

На мой взгляд, недостаточно располагать средствами на финансирование научных разработок, необходимо иметь четкий государственный <аказ на покупку и внедрение уже достигнутого. Все мы знаем, что во многих случаях новая экономика внедряется крайне тяжело, инфраструктура не готова, поэтому отдельная строчка должна быть по внедрению тех продуктов, которые мы с вами совместно наработаем. И естественно, нужно готовить кадры для новой системы экономических отношений.

Несколько слов по поводу нашей комплексной программы. Ее основная задача - создание цепочки от фундаментальных научных исследований до опытно-конструкторских работ в области водородной энергетики. Другая, на мой взгляд, очень важная задача - это выбор ключевых направлений в развитии водородной энергетики и топливных элементов. Не менее важна координация нашей деятельности, скажем так, притирка менталитетов, и очень большая роль здесь отводится Совету по комплексной программе во главе с академиком Геннадием Андреевичем Месяцем. И наконец, мы планируем создать на базе научных учреждений Академии наук палладиевый центр, который будет заниматься перспективными исследованиями продуктов углубленной переработки палладия и его соединений. Эти продукты мы будем продвигать на мировые рынки, а также замещать ими зарубежные разработки, используемые в настоящее время нашей экономикой.

Заканчивая свое небольшое выступление, хочу обратить ваше внимание на то, что я абсолютно убежден, что у нас в руках находится именно национальная идея по возврату России в число ведущих держав мира. И от того, насколько успешно и быстро мы претворим ее в жизнь, зависит будущее нашей страны. Мы готовы энергично работать.

ОБСУЖДЕНИЕ

Академик Ю.А. Осипьян: Геннадий Андреевич Месяц сделал очень обширный и содержащий много полезных сведений обзор проблемы водородной энергетики. Как я понял из выступления Михаила Дмитриевича Прохорова, компания "Норильский никель" надеется на какой-то прорыв в этой области, который с нашей помощью можно будет осуществить. Нам надо думать о том, какие фундаментальные шаги мы должны предпринять для того, чтобы обеспечить в будущем прорыв. В связи с этим хочу остановиться на двух вопросах, над которыми наш Институт физики твердого тела работает довольно давно. Во-первых, мы умеем создавать очень высокое давление водорода, что само по себе является технически революционным достижением. Как вы понимаете, сжать водород простым компрессором нельзя, потому что он "вылезает" через все железо наружу. Механическим путем создать давление водорода больше 5 тыс. атм невозможно. Нужно думать о каких-то других методах. В нашем институте больше 10 лет существует совершенно "пионерская" методика: чисто химико-динамическим путем поддерживается давление водорода порядка 100 тыс. атм. Спрашивается: зачем это нужно? Используя такое высокое давление водорода, мы можем определить, какое количество водорода могут аккумулировать различные вещества, то есть сертифицировать их на предмет возможного аккумулирования водорода. Я вполне убежден (думаю, никто и не будет со мной спорить), что будущее принадлежит твердотельным аккумуляторам водорода. Мы изучаем аккумулирование водорода фуллеренами и нанотрубками. Должен сказать, что такие работы ведутся во всем мире. Оказалось, что высокое давление водорода помогает "засадить" в эти структуры довольно много водорода, который удерживается в них до температуры порядка 450-600°С. Когда водород начинает извергаться, его можно сжигать. Надо сказать, что довольно большое количество водорода (больше 200%) можно аккумулировать при высоком давлении в фуллерены и нанотрубки. Сотрудник нашего института, известный специалист в области физики высоких давлений профессор Е.Г. Понятовский является лидером японского проекта по созданию водородных аккумуляторов для транспорта, который ученые Японии выполняют для фирмы "Мицубиси". Второй вопрос, на котором я хочу остановиться, относится к классической электрохимии. Имеются твердотельные электролиты, так называемые суперионники - суперионные проводники, которые в обозримом будущем могут заменить жидкостные электролиты. В суперионниках проводимость реализуется не за счет электронов, а за счет ионов, обладающих очень высокой подвижностью. Следует отметить, что это направление очень перспективное. Мне кажется, что комплексную программу, которую представил Геннадий Андреевич, надо усилить физическим аспектом, в частности, включить в нее такие фундаментальные проблемы, как хранение водорода в твердотельных аккумуляторах и новые типы проводников. Думаю, надо дополнить состав Совета по комплексной программе представителями Отделения физических наук РАН.

Академик Е.П. Велихов: Конечно, это очень хорошая идея - попытаться осуществить прорыв в области водородной энергетики. Главное, что у нас есть научный задел для такого прорыва. Не менее важно и то, что Россия обладает огромным запасом природного угля самой низкой стоимости. В принципе, наша страна могла бы стать, с одной стороны, рынком для водородной энергетики, в том числе автомобилей на топливных элементах, а с другой стороны, и поставщиком природного угля для производства водорода. Чтобы все эти идеи превратить в реальную коммерческую программу, необходим системный анализ, в который Академия наук должна внести свой вклад наряду с частной промышленностью. Ведь один водородный бум - на природном газе - уже был, и надо понять, почему он ничем не закончился. Несколько по-другому смотрит на проблему транспорта правительство Москвы. Предполагается, что автомобили будут pa6oтать не на водороде, а на эфире. Но и в этом случае придется создавать свои собственные источники энергии. Если же мы собираемся импортировать автомобили, нужно будет создавать другую структуру, обеспечивающую топливом. Что касается топлива, то, мне кажется, в ближайшее время им будет природный газ, а в перспективе - ядерное топливо. Высокотемпературный газоохлаждаемый реактор принят в качестве основного источника энергии. Однако его создание, как и осуществление программы по развитию ядерной энергетики, потребует серьезной работы. Если говорить о возможном импорте, приведу довольно забавный пример. В Москве заканчивается строительство завода по переработке городского мусора плазменным методом. Планируется с одной тонны мусора получить 70 кг водорода. Для России такое малое количество водорода пока не интересно. А вот для таких стран, как Япония и Израиль, где мусора много, это важно. По весьма грубой оценке, в развитой индустриальной стране семья производит в год достаточно мусора, чтобы на водороде, полученном из семейных отходов, мог бы целый год работать автомобиль. Один из важнейших вопросов - конечная чистота получаемого водорода, потому что плазменное преобразование может использоваться и для превращения метана в водород. Так что мне кажется необходимым оценить все технологии водородной энергетики с экономической точки зрения и, не откладывая в долгий ящик, подготовить некий системный отчет по проблеме.

Академик В.Е. Фортов: Думаю, мы должны поблагодарить Геннадия Андреевича Месяца за очень большую работу, которую он провел, и Михаила Дмитриевича Прохорова за то, что выступил с такой инициативой. Несмотря на то, что первый топливный элемент заработал 160 лет назад и предстоит, по-моему, третий бум водородной энергетики, сегодня водородная энергетика в центре внимания всех энергетических программ мира. И происходит это потому, что водородная энергетика удовлетворяет всем важнейшим требованиям, которые предъявляются к энерготехнологиям, - экологически чистая, высокоэффективная и, кроме того, децентрализованная. Надо сказать, что сегодня развитие водородной энергетики сдерживается экономическими соображениями. Стоимость киловатта установленной мощности более (3-4) тыс. долл. - на порядок больше, чем в традиционной энергетике. Кроме того, цена водорода на порядок выше, чем обычного топлива. Тем не менее для всех очевидно, что цена обычного топлива будет расти, а энергии, произведенной водородными устройствами, - падать. Поэтому перспективы водородной энергетики вполне удовлетворительные. Мне кажется, что в обсуждаемой нами комплексной программе по водородной энергетике следует обратить внимание на экономическую составляющую. Наш выдающийся энергетик академик Михаил Адольфович Стырикович в свое время говорил, что "энергетика - это физика и экономика, и ничего больше". Каждая новая технология должна проходить внимательный содержательный анализ, в том числе экономический, особенно имея в виду конкуренцию с другими технологиями. Еще одна очень серьезная проблема - безопасность всей водородной энергетики. Мы все хорошо помним, как нерешенность проблемы безопасности и вызванная этим чернобыльская авария задержали развитие ядерной энергетики. По одному из сценариев на четвертом блоке Чернобыльской АЭС взорвался именно водород. Водород обладает физико-химическими свойствами, которые делают очень опасным его применение. Скорость диффузии водорода в открытом пространстве - 2 м/с (у обычного газа - 20 см/с). Более того, концентрационный предел по горению и детонации у водорода на порядки более высокий, чем у топливного газа и паров бензина. А главное, водород обладает наибольшей калорийностью и в зависимости от гидродинамической схемы развития взрыва может в десятки раз превосходить тротиловый эквивалент тринитротолуола. Обращение с водородом требует высочайшей культуры, которую трудно обеспечить в российских условиях. Необходимо очень внимательно следить за взрыво- и пожаробезопасностью всех этих систем. Не случайно в программах водородной энергетики, которые есть в США и в других странах, обращению с водородом уделено очень большое внимание. Я бы предложил в нашей комплексной программе усилить элемент, связанный с безопасностью производства, хранения и использования водорода, потому что незакрученный штуцер в водородном двигателе в гараже под небоскребом может вызвать взрыв и поставить крест на всей водородной энергетике. В заключение считаю нужным отметить, что программа по водородной энергетике - хороший пример инновационных технологий с участием Российской академии наук и частного бизнеса.

Академик Ж.И. Алферов: Прежде всего я хотел бы поблагодарить Геннадия Андреевича Месяца за доклад - очень информативный для подавляющего большинства членов Президиума РАН. И конечно, я приветствую инициативу Норильского комбината. Знаменательно, что отечественные компании начинают обращаться к науке для развития высоких технологий. Безусловно, энергетика и электроника - основные направления технического развития. Безусловно, национальной идеей является переход на экономику, основанную на высоких технологиях. Для сравнения: 1 г сверхбольшой интегральной схемы с топологическим размером 0.1 мкм стоит столько же, сколько 1 т нефти; 1 г интегральной схемы на гетероструктурах - столько же, сколько 10 т нефти. В этих схемах реализован огромный интеллектуальный потенциал, сложнейшее оборудование. Технологический прорыв в области энергетики (и в области топливных элементов, и в области солнечной энергетики, которой я занимаюсь) в значительной степени был подготовлен теми большими средствами, которые вкладывались в военные, атомные и космические программы. Если бы их не было, мы про атомную энергетику до сих пор говорили бы как про энергетику будущего. Ныне ситуация изменилась: большие средства для вложения предоставляет частный бизнес. Еще раз хочу подчеркнуть: в Академии наук создан достаточно большой научный задел. Следующий этап в развитии всегда связан с новым технологическим прорывом, который подготавливается серьезными фундаментальными исследованиями. Например, общая мощность нынешней солнечной энергетики - 1 ГВт, согласно оценкам, которые опираются на стандартные технологии, в 2030 г. она.составит 10 ГВт. Уже сегодня, благодаря использованию новых идей в гетероструктурах, уДается поднять кпд в два-три раза, в ближайшие 10 лет кпд увеличится до 50-60% (теоретически кпд равен 93%). Я знаю, топливными элементами занимаются очень давно, например организации, разрабатывающие космическую технику. Но в этой области нужно искать новые возможности для технологического прорыва, иначе мы еще много лет будем стоять на том же уровне. Так что особое внимание должно быть уделено поисковым фундаментальным исследованиям.

Академик О.Н. Фаворский: Мы заслушали очень интересное сообщение о действительно благородной и важной для страны научной задаче. Но есть два вопроса, которые не включены в комплексную программу, а они, на мой взгляд, должны быть отражены в ней обязательно. Владимир Евгеньевич Фортов совершенно правильно поднял вопрос о безопасности водородной энергетики. Водород как топливо применяется в России уже давно. В прошлом веке два наших академика, А.Н. Туполев и Н.Д. Кузнецов, создали единственный в мире самолет, который летал на водороде. Это был уникальный самолет, его показывали в Ницце и в Лондоне. Мне приходилось летать на нем, и должен вам сказать, что от этих полетов было впечатление постоянной опасности именно потому, что ты все время думал: "А затянули ли там все гаечки? Не утекает ли водород?". И вот теперь говорят о водородной энергетике в домах, в которых сейчас каждые три недели в квартирах взрывается природный газ. Представьте себе, утечка водорода в доме. Говорят: "Ну, водород легкий. Он вверх пошел бы". Да, он пошел вверх, а там закурили... И второй вопрос. Если топливный элемент водород-кислородный, то из-за примесей, которые могут быть в водороде и кислороде, он пока не работоспособен на большие ресурсы. Сегодня лучшие топливные элементы имеют ресурс не больше нескольких тысяч часов. А ведь еще более 25 лет назад член-корреспондент АН СССР Н.С. Лидоренко в Москве и академик АН УССР А.Н. Подгорный в Харькове создали электромобили. Я сам на них ездил - и на "Волге" и на "Рафике", эксплуатировались всего восемь электромобилей. А почему они дальше демонстрации не пошли? Не было ресурса, потому что электромобили работали уже не на чистом кислороде, а на воздухе, в котором сера, тяжелые металлы и полно всякой гадости. Отсюда вытекает вторая важнейшая задача именно для Академии наук: как очистить воздух, используемый в топливных элементах, для того чтобы у них был ресурс. Итак, проблемы безопасности и ресурса топливных элементов, на мой взгляд, должны обязательно учитываться в комплексной программе по водородной энергетике.

Академик В.И. Субботин: Конечно, очень хорошо, что в Академии наук поставлена такая важная проблема, как водородная энергетика. Считаю нужным напомнить, что водород - это энергоноситель, а не энергоисточник. Для того чтобы получить водород (его в природе в чистом виде нет, он весь в химических соединениях), надо затратить энергию. Значит, при переходе на водородную энергетику мы должны иметь в виду, сколько энергии нужно затратить на получение водорода и выгодно ли это. Водород можно получить разными способами - электролиз, пиролиз, радиолиз и химические реакции. Надо очень внимательно сравнить эти процессы, определить, что выгодно, а что невыгодно, поскольку от них, по сути дела, зависит коэффициент полезного действия всей этой системы. Наконец, в каком виде водород использовать. Если просто газ без давления, то у него очень низкая калорийность, если под высоким давлением, то сделать это очень непросто. Криогеника тоже сложная вещь. Можно хранить водород в гидридах металлов, чтобы потом их нагревать и получать водород. Есть идея получать водород в момент использования и его не хранить. Нельзя забывать о взрывоопасности водорода. Следует также убедиться, что при горении водорода в воздухе не образуются опасные соединения азота. Хочу также отметить, что, используя водород и углерод, можно нарабатывать газообразные и жидкие углеводородные топлива. Водород дает возможность получать из мазута высококачественное топливо. Мне кажется, нужно спокойно и взвешенно составить большую программу работы с водородом.

Академик В.Н. Пармон: Очень серьезный момент отличает многие наши академические программы от той, что предлагается сейчас. Комплексная программа по водородной энергетике и топливным элементам нацелена на конечный результат, к чему мы не очень привыкли. Кроме того, она по-настоящему мультидисциплинарная. Конечный результат -создание топливных элементов - может быть достигнут, хотя бы в виде демонстрационных устройств, только в том случае, если вместе будут работать химики, физики, материаловеды, теплотехники, энергетики и т.д. В осуществлении этой программы Академия наук может опираться на имеющийся в региональных отделениях задел. Уральское и Сибирское отделения давно работают в области топливных элементов, причем работают вместе с будущими потребителями топливных элементов, в частности "АвтоВАЗом". Вместе с питерскими и московскими организациями, если будет поставлена задача при четкой координации программы, мы будем способны делать действующие прототипы топливных элементов. Основная проблема в том, будут ли они интересовать практику, либо не будут. Очень часто интерес у промышленности появляется тогда, когда после фундаментальных исследований возникает абсолютно новая идея. В частности, в 2002 г., когда мы работали вместе с "АвтоВАЗом" и с г. Саровом над созданием топливного процессора для автомобиля, в ходе испытаний было предложено получаемую в процессоре очень дешевую смесь водорода и угарного газа направить прямо в двигатель внутреннего сгорания через карбюратор, вдобавок к обычному бензину. Оказалось, что эта добавка к бензину дает тот же самый результат, который ожидают от топливных элементов вообще, то есть вредные выхлопы двигателя уменьшились на полтора порядка. Становятся ненужными дожигатели автомобильных выхлопов. И, что самое существенное, - на холостом ходу кпд двигателя повысился в полтора раза, потому что водород и угарный газ резко стабилизировали работу всего двигателя системы. Аналогичные эффекты недавно были получены на газовых турбинах. Итак, если комплексная программа предоставит возможность проведения фундаментальных и поисковых исследований, то вполне реальны практически значимые "находки", которые и ожидаются от Академии наук. Несколько слов относительно благородных металлов. В поставленной задаче есть некий казус. В советские годы на Институт катализа, который я возглавляю, со стороны правительства оказывалось большое давление, чтобы мы в промышленных катализаторах обеспечили замену благородных металлов на неблагородные, что нам и удалось. Нельзя сказать, что это очень просто, потому что у благородных металлов каталитические свойства обычно намного лучше, чем у кобальта, никеля и других неблагородных металлов. Сейчас задача ставится совсем иная - сделать так, чтобы благородные металлы нашли намного больший рынок сбыта. Я сразу хотел бы обратить внимание на то, что в нашей стране наиболее интересный рынок для использования благородных металлов предоставит не химическая промышленность, а реформируемое жилищно-коммунальное хозяйство, базой которого должна стать автономная энергетика. Малые котельные, оснащенные катализаторами на основе палладия, не будут дымить и по экологическим показателям будут соответствовать лучшим мировым стандартам.

Академик Н.А. Платэ: Здесь правильно говорилось, что для получения водорода надо затратить энергию, поэтому надо думать о том, как компенсировать затраты. По-видимому, одной из возможностей является постановка сопряженных процессов в химии. В таких процессах энергия тратится на получение чего-то, а затраты компенсируются тем, что в следующей стадии энергия выделяется дополнительно. Мы уже третий год работаем с академиком А.И. Шейндлиным и академиком И.И. Моисеевым по сопряжению химических реакций. Оказывается, можно достичь не только компенсации, но и прироста энергии. Я имею в виду получение водорода, например, из водородсодержащего сырья - углеводородов или спиртов. Несколько слов о палладии как таковом. Конечно, велика роль палладия как основы катализаторов. Палладий чуть дороже кобальта и никеля, но одновременно он более эффективен. Значит, надо найти способы использовать не слишком большое количество палладия, что всегда можно сделать, например, нанося тонкие слои, содержащие палладий, на кремнеземы. Тогда открывается целое поле тяжелого и тонкого органического синтеза той гаммы функциональных продуктов, которые производятся промышленностью очень давно. Особенно мне хотелось бы обратить внимание на возможность применения палладия в масложи-ровой промышленности. До сих пор при гидрировании растительных жиров используются соединения никеля. И вот ведь как Господь Бог устроил: палладий и его соединения в гораздо большей степени биосовместимы с организмом человека, чем никелевые соединения. Между тем продукты пищевой промышленности невозможно идеально очистить от остатков катализатора. Если катализаторы палладиевые, то продукты пищевой промышленности могут пройти сертификационные барьеры, если - никелевые, то сертификационные требования очень жесткие. И, наконец, палладийсодержащие лекарственные вещества. Есть очень хорошая программа по разработке лекарства для лечения онкологических заболеваний, которую "Норильский никель" уже запустил вместе с Институтом общей и неорганической химии РАН и с Институтом биохимической физики РАН. Некоторые лекарства уже прошли клинические испытания, которые показали, что палладийсодержащие препараты эффективнее, чем системы с платиной. Конечно, палладий находит широкое применение и как легирующий металл для конструкционных материалов. Если в конструкционном материале содержится до 1-3% палладия, то резко повышается его сопротивляемость охрупчиванию, улучшаются важные механические свойства, и этот материал может быть экономически выгодным.

Академик Н.Н. Пономарев-Степной: Хотел бы обратить внимание на то, что в 1974 г. президент Академии наук Анатолий Петрович Александров начал активно развивать в академии работы под рубрикой "водородная энергетика" или "атомно-водородная". Все аспекты водородной энергетики, о которых сегодня Геннадий Андреевич Месяц доложил, рассматривались в этой программе, и наша страна в то время, действительно, достигла очень хороших результатов в области водородной энергетики. К сожалению, программа была заморожена и забыта. В конце 1980-х годов состоялась последняя всемирная конференция по водородной энергетике, которая прошла здесь, в Москве. Тема сегодняшнего заседания Президиума РАН определена как "Водородная энергетика и топливные элементы", хотя это отнюдь не синонимы. В докладе были затронуты разнообразные вопросы, но мы, конечно, понимаем, что акцент делается на выгоде использования палладия в топливных элементах. Кстати говоря, мне понравилось выступление Михаила Дмитриевича Прохорова, который сказал, что это первая задача предлагаемой программы - протянуть цепочку от фундаментальных исследований к опытно-конструкторским работам. И только после анализа современных водородных технологий следует создавать программу по водородной энергетике в целом. Должен заметить, что уже подписано международное соглашение о партнерстве по водородной экономике, но не по водородной энергетике. Это действительно будущая линия применения водорода в самых различных областях, а также производство и обращение с водородом. Наверное, правильно было бы сделать отечественную программу по водородной энергетике или экономике, которая включила бы в себя аспекты проблемы, а в соглашении с компанией "Норильский никель" следовало бы сосредоточиться на топливных элементах. Теперь более конкретно о производстве водорода. Мы прекрасно понимаем, что нынешнее его производство основано на сжигании природного газа и конверсии метана. Мы предлагаем использовать энергию ядерных реакторов в производстве водорода, тогда мы можем сэкономить около половины потребляемого природного газа. Но, конечно, светлая мечта будущего - это производство водорода из воды с применением энергии ядерных реакторов. Тогда действительно мы приходим к чистой энергетике. В Соединенных Штатах, которые сейчас будируют волну водородной экономики, обсуждается решение о строительстве реактора для производства водорода. И на это предполагается выделить около 1 млрд. долл. В одной из команд, которая претендует на создание такого реактора, участвуют российские организации - ОКБ машиностроения и Курчатовский институт. Пока мы нацелены на то, чтобы в 2015 г. такой реактор заработал. Думаю, что проблемы производства водорода должны быть полнее отражены в комплексной программе. Вопрос о водородной безопасности, уже поднимавшийся здесь академиком В.Е. Фортовым, чрезвычайно важен на всех этапах производства, обращения с водородом и его использования. В России имеется очень большой опыт - и в теоретическом и в конкретном экспериментальном плане - детонации различных смесей, перехода из горения в детонацию и т.д. Эти проблемы разрабатываются в Курчатовском институте совместно с институтами Академии наук. В Курчатовском институте проводятся и работы по топливным элементам, изучается возможность производства из органических топлив водорода, который будет использоваться непосредственно на борту автомашины, а также на автозаправочных станциях. Сегодня мы только начали обсуждать водородную экономику, и, наверное, программу надо построить так, чтобы в конечном счете Россия, имея очень хорошую базу, заняла в этом деле достойное место. Одно замечание о том, что произошло в Чернобыле. Действительно, был ядерный разгон на мгновенных нейтронах, перегрев, образование пара и далее - пароциркониевая реакция, которая дала водород. Он также повлиял на взрывной процесс в реакторе. Кстати говоря, в чернобыльском реакторе произошел один из химических процессов, который позволяет получать водород из воды.

Академик В.И. Шорин: Я буду говорить о хранении и транспортировке водорода, основываясь на том опыте, который лично приобрел в работах по двигателю МК-8 для самолета Ту-155. Мне довелось участвовать в создании системы питания и регулирования этого воздушно-реактивного двигателя. Хочу обратить внимание присутствующих на то, что жидкий водород - это криогенная жидкость, температура которой 20 К. И когда мы создаем соответствующую арматуру, делаем систему управления и регулирования, возникает целый ряд проблем, обусловленных криогенным состоянием рабочего тела. Поэтому в программу по водородной энергетике, которая сейчас верстается, очень важно включить вопросы, связанные с хранением, транспортировкой и созданием устройств для обеспечения работоспособности водородных систем. Это и баки, и арматура. Они имеют очень важное значение для получения работоспособной машины. Существенные достижения в этой области имеются в Самарском научно-техническом комплексе им. академика Н.Д. Кузнецова, в Самарском аэрокосмическом университете и в НПО "Энергия". Достаточно хороший опыт накоплен и в Волжском филиале НПО "Энергия".

Академик О.М. Нефедов: Действительно, мы сегодня рассматриваем очень перспективную форму взаимодействия науки с производством и очень важную программу - как по содержанию, так и по ожидаемым результатам и, главное, по организации исследований и их практическому использованию в будущем. Если следовать принципу "перегонять, не догоняя", считаю нужным упомянуть о совершенно уникальной разработке, которая сделана профессором С.Д. Варфоломеевым. Он предложил новый принцип создания топливных элементов на основе биокатализа. Созданный макет водород-кислородного элемента, в котором применяются доступные и дешевые иммобилизованные ферменты, позволяет достичь кпд до 95%. Более того, показана принципиальная возможность использования в качестве энергоносителей в таких системах этанола, углеводов и даже металлического алюминия. Комиссия по научно-технической политике при Правительстве Москвы рекомендовала эту работу для включения в план развития науки и технологий г. Москвы. Уже начато ее частичное финансирование. Работа ведется совместно с рядом американских компаний при финансовой поддержке Правительства Москвы. Конечно, очень важно наполнить предлагаемую комплексную программу по водородной энергетике разработками, которые есть в академических институтах, и расширить состав совета по программе. С моей точки зрения, совету был бы очень полезен академик А. С. Коротеев - энтузиаст водородной энергетики, возглавляющий Исследовательский центр им. М.В. Келдыша. Что касается интересных разработок, то они есть в Институте проблем химической физики. Институте органической химии и во многих других. В частности, в Институте органической химии предложены методы очистки водорода от примеси отравляющих газов, хранения водорода с использованием принципа сопряжения реакций гидрирования и дегидрирования. Мне представляется, что они будут полезны при выполнении комплексной программы и последующей реализации полученных результатов.

Академик Н.П. Лаверов: В первую очередь хочу отметить, что мы сегодня обсуждаем проблему использования палладия, но этот металл, к великому сожалению, - невозобновляемый ресурс. Напомню, Норильские месторождения были открыты представителями Академии наук, занимавшимися изучением полярных районов нашей страны. И когда в 60-х годах прошлого века возникла критическая ситуация с сырьевой базой на Норильском комбинате, именно благодаря работе академических институтов и Норильской экспедиции Министерства геологии были открыты новые месторождения и практически решена задача обеспечения высококачественными минеральными ресурсами Норильского комбината. Успех открытия в немалой степени обеспечила созданная в то время теория формирования месторождений этих уникальных полиметаллических руд. Норильские месторождения - единственный в мире феномен. До сих пор открыть где-либо такие же месторождения пока никому не удается, несмотря на то, что эти месторождения посещали практически все ведущие геологи мира. Более того, здесь неоднократно проводились экскурсии участников платиновых конгрессов, проводившихся в нашей стране. Учитывая конечность ресурсов палладия, я бы предложил Михаилу Дмитриевичу Прохорову проанализировать возможности использования отходов Норильского комбината. Такой анализ поможет и решению экологических проблем. На Норильском комбинате можно расширить применение новейших способов ведения горных работ, добычи и обогащения руд, в том числе радиометрической сортировки и выщелачивания металлов, позволяющие полнее использовать ресурсы и одновременно решить экологическую проблему. К сожалению, долговременное использование богатых сульфидами руд, без надлежащей защиты окружающей среды, привело к уничтожению растительного покрова на огромной площади Северной Сибири. Именно поэтому очень важно решать проблемы Норильска в комплексе. Теперь по поводу ресурсов водорода. Как известно, ресурсов природного газа у нас пока достаточно. Из природного газа можно получать водород. Мы за прошедшее столетие и за первые три года нынешнего использовали лишь 7% первоначальных разведанных и так называемых прогнозных ресурсов природного газа. В топливном балансе страны газ сегодня составляет более 50%, но, несмотря на это, природный газ еще долго не будет сдерживающим фактором развития традиционной энергетики. Несколько слов об экспериментальной лабораторной технике, которая в свое время была приобретена Норильским комбинатом для одного из наших институтов (Института геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН). Речь идет об электронных микрозондах и микроскопах, широко используемых для изучения состава руд, форм нахождения полезных элементов в минеральных видах, их распределении в продуктах переработки руд на всех этапах - от исходного сырья до так называемых хвостов - отходов производства. Без такой техники двигаться дальше в технологических новациях невозможно. Необходимы приборы новых поколений, хотя и прежние пока еще, спасибо "Норильскому никелю", после ремонта используются для решения более простых задач. Полагаю, что главный результат сегодняшнего обсуждения заключается в том, что в разрабатываемую программу должен быть включен весь перечень необходимых фундаментальных и прикладных исследований в области водородной энергетики, включая не только топливные элементы, но и ресурсные и экологические проблемы. Для их успешного решения, по-видимому, следует более активно привлечь к работе над программой отраслевые институты различных ведомств.

После всех выступлений ведущий заседание Президиума РАН президент РАН академик Ю.С. Осипов предоставил слово академику Г.А. Месяцу для ответа на прозвучавшие замечания и пожелания.

Академик Г.А. Месяц: Уважаемые коллеги, огромное спасибо за высказанные вами замечания и пожелания. Я чувствую, что интерес к проблеме очень большой и абсолютно согласен с тем, что продвижение вперед возможно только на основе серьезных фундаментальных разработок. Самая главная проблема, которую мы должны в результате фундаментальных работ решить, -это увеличение срока службы топливных элементов и их удешевление. А стоимость определяется тем, какой металл используется, как получается водород и какой топливный элемент применяется. Думаю, институты Академии наук располагают довольно большими возможностями для решения всех этих задач.

Я полностью согласен с тем, что здесь говорилось о безопасности водородной энергетики. Но почти половина программы направлена на то, чтобы водород получать прямо там, где он будет использоваться. Тогда проблем хранения водорода в баллонах и транспортировки просто не будет. В Институте высокотемпературной электрохимии созданы высокотемпературные топливные элементы на метане или природном газе, который прямо внутри системы преобразуется в водород. И, как меня уверяют, безопасность и мощность подобных установок примерно такая же, как у газовой плиты, которая работает во многих наших квартирах. Так что я бы не стал слишком переоценивать опасность применения водородной энергетики.

Если говорить о конкретных задачах, которые мы ставим на ближайшее время, то это - автономная водородная энергетика.

Теперь об организации работ. Поскольку предлагается программа Российской академии наук и компании "Норильский никель", естественно, Совет по программе состоит из сотрудников РАН и представителей "Норильского никеля". Но для достижения цели мы должны использовать не только результаты Академии наук.

Состав участников определится после подписания договора. Разумеется, к работе будут привлекаться организации и институты, имеющие хорошие результаты в области водородной энергетики. Думаю, что комплексная программа, которая сейчас будет подписана, позволит уже в рамках хоздоговорных работ фактически учесть высказанные здесь замечания.

Должен сказать, что по существу программа обсуждалась очень обстоятельно. Восемь-девять членов Академии наук рассматривали ее, все основные исполнители с ней знакомились и внесли свои изменения в проект, предложенный "Норильским никелем". Кстати, в компании хорошо поставлена информационная служба. Полагаю, что сотрудничество с такими партнерами будет плодотворным.

Итоги совместного заседания Президиума РАН и Правления О АО "Горно-металлургическая компания «Норильский никель»" подвел в коротком выступлении президент РАН академик Ю.С. Осипов.

Академик Ю.С. Осипов: Мы с вами все последние годы сетовали на то, что нет интереса у крупного бизнеса, у нашей промышленности к науке, нет востребованности результатов фундаментальных исследований. Сегодня мы впервые ощутили явный интерес крупнейшей промышленной компании нашей страны именно к фундаментальным разработкам. Разумеется, речь идет не просто о фундаментальных разработках, а о том, как в результате этих разработок создать коммерческий продукт, который закрепил бы Россию в числе лидеров в определенных научно-технических направлениях. Конечно, в области водородной энергетики и топливных элементов в стране очень многое делалось. Периоды подъема интереса к этой проблеме сменялись периодами спада, но сейчас нам предоставлен очередной уникальный шанс довести работу до логического конца. Но технологический прорыв, как правильно отметил Жорес Иванович Алферов, возможен только тогда, когда происходит прорыв в фундаментальных исследованиях.

Теперь конкретно о программе. Мы с Михаилом Дмитриевичем Прохоровым обменялись соображениями, и думаю, было бы правильно поступить следующим образом. Программу, которая сейчас подготовлена, взять за основу нашего совместного сотрудничества, а дальше нужно вносить коррективы. Для этого существует Совет по программе, его состав мы уточним в рабочем порядке вместе с "Норильским никелем". Именно совет будет вносить конкретные изменения и дополнения в комплексную программу. Разумеется, все прозвучавшие на нашем заседании предложения будут в ней учтены. Программа должна быть не застывшим документом, а документом, отражающим наше понимание приоритетов по мере продвижения всей этой громадной работы.

Президент РАН академик Ю.С. Осипов и генеральный директор - председатель Правления О АО «Горно-металлургической компании "Норильский никель»" М.Д. Прохоров подписали Комплексную программу поисковых научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по водородной энергетике и топливным элементам между Российской академией наук и ОАО "Горно-металлургическая компания «Норильский никель»".

Послесловие

Президиум Российской академии наук и Правление ОАО "Горно-металлургическая компания «Норильский никель»" одобрили Генеральное соглашение о совместном сотрудничестве, Комплексную программу поисковых, научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по водородной энергетике и топливным элементам, а также программу прикладных исследований по расширению направлений промышленного использования палладия, металлов платиновой группы и цветных металлов, производимых компанией "Норильский никель". Утвержден Совет по реализации Комплексной программы поисковых, научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по водородной энергетике и топливным элементам (председатель совета академик Г.А. Месяц). В него вошли представители Российской академии наук и ОАО "Горно-металлургическая компания «Норильский никель»".

Материалы обсуждения подготовила к печати Т.В. Маврина

Интерметаллич. соединений; транспортирование Н 2 к потребителю с небольшими потерями. Водородная пока не получила массового применения. Методы получения Н 2 , способы его хранения и транспортировки, к-рые рассматриваются как перспективные для водородной , находятся на стадии опытных разработок и лаб. исследований.

Выбор Н 2 как энергоносителя обусловлен рядом преимуществ, главные из к-рых: экологич. безопасность Н 2 , поскольку продуктом его сгорания является , исключительно высокая , равная - 143,06 МДж/кг (для условного углеводородного - 29,3 МДж/кг); высокая , а также низкая , что очень важно при его транспортировании по трубопроводам; практически неогранич. запасы сырья, если в кач-ве исходного соед. для получения Н 2 рассматривать (содержание в 1,39*10 18 т); возможность многостороннего применения Н 2 . м. б. использован как во многих хим. и металлургич. процессах, а также в авиации и автотранспорте как самостоятельное , так и в виде к .

Перспективно использование Н 2 для передачи энергии т. наз. хим. способами. По одному из них смесь Н 2 с СО, полученная на первой ступени каталитич. конверсии , передается к потребителю по трубопроводу и поступает в аппарат - метанатор, в к-ром осуществляется обратная экзотермич. р-ция: ЗН 2 + СО -> СН 4 + Н 2 О. Выделяемое тепло м. б. использовано для бытового и пром. теплоснабжения, а паро-газовая смесь возвращается обратно в цикл для конверсии .

Традиц. способы получения Н 2 (см. )для водородной экономически не выгодны. Для нужд водородной предполагается усовершенствовать традиц. методы и разработать новые, нетрадиционные, используя ядерную и солнечную энергию. Предлагаемое усовершенствование осн. традиц. метода получения Н 2 - каталитич. конверсии прир. и - заключается в том, что процесс проводят в , тепло подводят от высокотемпературного ядерного газоохлаждаемого реактора (ВТГР). Применение этого метода позволит более чем в 10 раз увеличить объемную скорость процесса, снизить т-ру в хим. реакторе на 150°С, уменьшить затраты на произ-во Н 2 на 20-25%. Однако ВТГР, обеспечивающие высокие т-ры (ок. 1000°С), пока находятся в стадии разработок. Др. вариант получения Н 2 - водно-щелочной под с использованием дешевой разгрузочной электроэнергии, вырабатываемой в ночное время атомной электростанцией. Расход электроэнергии на получение 1 м 3 Н 2 составляет 4,3-4,7 кВт*ч (по обычному способу 5,1-5,6 кВт*ч), напряжение на ячейке 1,7-2,0 В при плотности тока" 3-5 кА/м 2 и в до 3 МПа. Использование установок по получению Н 2 в ночное время на атомных электростанциях позволит регулировать график их суточной нагрузки и снизить себестоимость Н 2 . Полученный Н 2 может направляться на нужды промети либо использоваться как на электростанции для выработки дополнит. электроэнергии в дневное время.

Ниже описаны предлагаемые нетрадиц. методы получения Н 2 . с использованием в кач-ве (т. наз. расплавнощелочной ), твердого (твердополимерный, или ТП-электролиз), на основе ZrO 2 (высокотемпературный, или ВТ-электролиз) требует затрат электроэнергии на 30-40% меньше, чем традиц. способ. При расплавнощелочном в составляет 0,5-2,0% по массе (иногда 4%), атмосферное, т-ра определяется выбором . Использование позволяет значительно сократить расстояние между в ячейке (до 250 мкм), в результате чего в неск. раз повышается плотность тока без увеличения напряжения на ячейке . В кач-ве при ТП-электролизе можно использовать, напр., пленку из сульфированного фторопласта-4; т-ра процесса до 150°С, достижимый кпд 90%, расход электроэнергии на получение 1 м 3 Н 2 3,5 кВт*ч. наиб. перспективен ВТ-электролиз с использованием тепла от ВТГР: служит из ZrO 2 с (преим. Y 2 O 3 , CaO, Sc 2 O 3); т-ра процесса 800-1000 °С, достижимый уровень расхода электроэнергии на получение 1 м 3 Н 2 2,5 кВт*ч при плотностях тока 3-10 кА/м 2 .

Из плазмохим. методов получения Н 2 наиб. перспективен двухстадийный углекислотный цикл, включающий: 1) (2СО 2 -> 2СО + О 2), осуществляемую в плазмотроне с энергетич. эффективностью до 75-80%; 2) конверсию СО с водяным (СО + Н 2 О -> Н 2 + СО 2), после к-рой образовавшийся СО 2 возвращается в плазмотрон.

Термохим. циклы получения Н 2 представляют собой совокупность последоват. хим. р-ций, приводящих к разложению исходного водородсодержащего сырья (обычно ) при более низкой т-ре, чем та, к-рая требуется для термич. . Так, степень термич. при 2483°С составляет 11,1%. В этих циклах все , кроме водородсодержащего сырья, регенерируются. Ниже приводятся примеры термохим. циклов разложения .

Сернокислотный:

Представляют интерес также сероводородные термохим. циклы, напр.:

При использовании H 2 S вместо снижаются затраты энергии на получение Н 2 , т.к. энергия связи Н-S в значительно меньше энергии связи Н-О в , и кроме Н 2 образуется - важное хим. сырье.

Перспективен и водных р-ров СО 2 , H 2 SO 4 , HC1, HBr, H 2 S, AgCl и др. под действием ядерного излучения (жесткого, нейтронного). наиб. мощные источники такого излучения - ядерные реакторы. Для развития этого метода необходимо создать источники ядерного излучения с высокой энергонапряженностью, разработать системы, способные поглощать реагирующей средой более 50% энергии излучения и использовать ее с радиац. выходом более 10 Н 2 на 100 эВ.

Исследуются фотохим. методы получения Н 2 с использованием солнечной энергии. Осуществлен фотоэлектролиз (с раздельным получением Н 2 и О 2); метод будет представлять практич. интерес, если его кпд достигнет 10-12% (пока он составляет ок. 3%). Биофотолиз основан на том, что нек-рые (напр., хлорелла), поглощающие солнечную энергию, способны разлагать