«Мы развиваем довольно рискованные технологии»

Новому транспорту — новая энергия?

Вероника Аюпова/Joep Lauret/Flickr/ISO Republic/Pixnio/Indicator.Ru

О том, почему новые источники энергии — это хорошо забытые старые, о будущем батареек и транспорта, об «удлинителе пробега» и о водородных заправках на российских дорогах — в нашем интервью с руководителем Центра компетенций НТИ при Институте проблем химической физики РАН Юрием Добровольским.

— Начнем с основ: как появился Центр компетенций и как он относится к НТИ?

— В 2015 году были созданы карты рынков Национальной технологической инициативы. Они касались тех направлений, в которых мы можем не догонять наше отставание на текущих рынках, а попытаться возглавить те, которые появятся в будущем. После создания рыночных карт выяснилось, что существуют продукты, которые жизненно необходимы буквально для каждого направления. Ведь ни автомобили будущего, ни самолеты, ни корабли, ни энергосистемы, ни даже нейротехнологии не смогут существовать без новых источников энергии.

В этой области Россия в научной сфере вполне конкурентноспособна, но в технологической, конечно, отстала. И если не создать российские источники энергии, то лидерства во всех этих направлениях мы не получим. Кстати, это – не единственная подобная «сквозная» тематика, то есть вписывающаяся в несколько или сразу во все дорожные карты.

Поэтому было принято решение создать Центры компетенций по сквозным технологиям. Провели конкурс – и по направлению новых источников энергии мы (Институт проблем химической физики РАН — Indicator.Ru) его выиграли. Это было ожидаемо, поскольку на тот момент как научная организация мы были лидерами в технологиях всех электрохимических источников энергии. И, кроме того, у нас был наибольший опыт взаимодействия с промышленностью по разработке и внедрению подобных изделий.

Так был создан Центр компетенций НТИ «Новые и мобильные источники энергии». Сначала мы занимались разработками новых источников энергии для мобильных устройств, однако потом к нам обратились и из дорожной карты EnergyNet, поскольку накопители энергии и водородные технологии оказались интересны не только для мобильной техники, но и для всей новой энергетики. Поэтому мы добавили себе еще одно направление для наших проектов: «Разработка энергосистем для хранения, накопления и перераспределения энергии».

— Новые источники энергии – это что?

— В нашей области новое, как ни странно, это хорошо забытое старое. На самом деле, всем источникам энергии, о которых мы говорим, от 100 до 200 лет. Это электрохимические системы, с которых, собственно, и начиналась электрохимия: первичные источники тока, батарейки, появились 220 лет назад, во времена Вольта и Фарадея. Более того, свинцовый аккумулятор, которым сейчас используется в автомобилях – это изделие тех времен, пусть и усовершенствованное за полтора века своего существования. То же самое касается водородного топливного элемента – он был создан Уильямом Гроувом в 1839 году (есть отдельный спор о том, кто его первый создал), однако первое практическое применение он получил только в 1960-х годах в американской космической программе, а нормально развиваться это направление стало только в третьем тысячелетии.

Водородный элемент Гроува. Рисунок 1839 года

Wikimedia Commons

То есть история этих элементов – большая, но практическое применение – только в конце этой истории. Совсем новый принцип конструкции – суперконденсаторы – был создан в 1950-х годах, но это тоже семьдесят лет. То есть эти технологии – не вчера открытые, а вчера доработанные. И только в последнее время их стали доводить до полезных и достаточно экономически оправданных устройств.

Почему же открытия не применялись тогда, когда были созданы? Это на самом деле миф. Например, еще в 1903 году треть автомобилей в Нью-Йорке была электрической (еще треть – с двигателями внутреннего сгорания и треть – паровых), но дальше электрохимические источники энергии не развивались в отличие от двигателей внутреннего сгорания, которые захватили весь рынок.

Потребность в совершенствовании электрохимических источников тока возникла только тогда, когда возник спрос на мобильность различных устройств. На свинцовых аккумуляторах любой гаджет, который сейчас есть у нас, работал бы секунды – в лучшем случае, минуты. Если помните, первые мобильники – это ящик с аккумуляторами размером с дипломат и небольшой телефон, который от них работал.

И вот тогда на сцену вышли литий-ионные батареи, которые были созданы еще в 1970-х годах, но реальный прорыв в их разработке начался с 1992 года. То есть рыночная потребность привела к необходимости дорабатывать те источники, которые уже существовали. И это, в свою очередь, уже создало новую парадигму и в транспорте, и в энергетике.

Хотя, конечно есть источники энергии, которые можно назвать новыми с полным правом, ведь разрабатывать их начали в последние годы. Это, например, микробные или биотопливные элементы.

Первые интересны тем, что они сами «сьедают» органику из окружающей среды и отдают в цепь электроны. Вот у этого устройства индекс готовности технологии (TRL) равен двум: то есть энергию оно уже производит, но пока ни одного образца, хоть сколько-нибудь удовлетворяющего промышленные потребности, не создано. С биотопливными элементами – то же самое. В качестве примера можно привести идею питать вживленный кардиостимулятор за счет глюкозы из крови пациента. Модели уже есть, но до устройства еще далеко.

Таких примеров можно привести еще много. Например, мы активно работаем с натрий-ионными аккумуляторами. Да, они по энергоемкости будут несколько хуже литий-ионных, но по стоимости и мощности будут их со временем опережать. Эти элементы находятся на TRL-4, то есть скоро уже пойдут в производство – как только поступит запрос из области, где они могут быть выгоднее литий-ионных. Та же история и с калий-ионными аккумуляторами.

В первую очередь они пригодятся для накопления энергии. А вот для транспорта пока нет: по «массе» энергии они, конечно, уже заметно выигрывают у свинцовых аккумуляторов, но проигрывают литий-ионным.

К слову, среди металл-ионных материалов есть еще более перспективные по удельной энергоемкости. Это магний-ионные аккумуляторы: магний пусть и чуть тяжелее натрия, но зато отдает два электрона, в этом он очень близок к литию. И магний, как и натрий, дешев – его в земной коре много. Но у этих элементов TRL пока еще равен двум, поскольку пока что у магний-ионных аккумуляторов есть компоненты, которые вообще не разработаны, и никто не знает, как их сделать. Во всем мире над этим бьются, и мы тоже работаем в этой области. У нас есть интересные работы по полимерным электролитам для магний-ионных аккумуляторов.

— Когда говорится о новых источниках энергии, речь в первую очередь идет о снижении вреда для окружающей среды. Действительно ли мы идем в сторону повышения экологичности?

— Действительно, классические способы получения электроэнергии нельзя назвать дружественными как для природы, так и для человека. Нарушение баланса окружающей среды и большое количество вредных выбросов уже сказывается и на самом человечестве, внося свою лепту в статистику распространения онкологических, сердечно-сосудистых и других заболеваний. Люди эгоистичны в своем желании комфорта: энергетика в прошлом веке была подчинена исключительно получению прибыли, и благодаря этому мы живем в мире роскоши и удобств. Но сейчас наступает время осознания своей ответственности за эту планету, и экологическая целесообразность оказывается намного важнее любой прибыли. Более того, человечество уже готово готовы пожертвовать частью комфорта ради того, чтобы затормозить процесс загрязнения окружающей среды или даже попытаться обратить его вспять. Некоторые люди уже, например, готовы заправлять автомобиль не раз в день привычным бензином, а два раза – и за более высокую цену, если это будет экологически чистая энергия. Развитие общества уже находится на той ступени, на которой оно может себе позволить бороться не только за увеличение энергетических ресурсов, но и взять на себя ответственность за то, что происходит в области энергетики.

Сегодня еще не слишком выгодно получать электроэнергию более экологичными методами, но путь к этому начался: государственная политика направлена на ограничение вредных выбросов и создание преференций тем, кто пользуется альтернативными источниками энергии, в первую очередь - возобновляемыми. В любом случае, уже в недалеком будущем человечество будет пользоваться именно возобновляемыми источниками энергии. Но такие источники окажутся очень дорогими, если к ним не создать эффективные накопители. Чтобы цена такой энергии не стала заоблачной, наша цель при разработке накопителей – не высокая энергоемкость, не самый быстрый заряд, а именно низкая стоимость. Мы пытаемся сделать так, чтобы электроэнергия от возобновляемых источников была не дороже, а даже дешевле традиционных источников энергии.

— Однако экологичность таких накопителей тоже под вопросом: сейчас много говорят и пишут о том, что литий-ионные аккумуляторы вредны для природы.

— Нужно сказать, что вред от литий-ионных аккумуляторов сильно преувеличен. Конечно, добыча лития, кобальта, никеля – традиционных компонентов этих устройств – наносит определенный ущерб окружающей среде. К тому же, никель и кобальт токсичны, и утилизация их, как обычного мусора, может быть опасной для природы и человека. А лития мы добываем настолько мало, что просто выбрасывать подобные устройства – это фактически сорить золотом.

Кобальтовая руда. Кобальт - основная составляющая катода литий-ионных аккумуляторов

Wikimedia Commons

А ведь эти дорогие компоненты очень легко извлечь для повторного использования. Например, в руде, которую перерабатывают для получения лития («рассол», из которого его вырабатывают), его концентрация гораздо ниже, чем в любом отработанном литиевом аккумуляторе. Так что это гораздо более ценное сырье, нежели природное. При грамотной переработке вышедших из строя аккумуляторов и добывать лития из руды можно будет намного меньше.

У нас есть несколько проектов по утилизации аккумуляторов, которые будут если не приносить прибыль, то, по крайней мере, помогать не загрязнять окружающую среду. Мы осознаем свою ответственность – если мы разрабатываем аккумуляторы, мы должны знать, что с ними делать после первичной эксплуатации.

Но на самом деле аккумуляторов, полностью вышедших из строя, очень мало. Обычно мы избавляемся от них тогда, когда их емкость падает – и обычно, всего на 20 процентов. Это значит, что аккумулятор «отслужил» свой срок и его стоимость сильно снизилась. Можно его отправить на переработку, но самый простой способ утилизации в данном случае – поставить его в менее ответственные места, например, для накопления энергии. Мы помним, что цена его стремится к нулю, но при этом он еще 10-15 лет проработает на электростанции с альтернативными источниками энергии. Сейчас мы поставили перед собой цель разработать такую систему.

— Вернемся к новым источникам энергии. Где их роль будет самой значительной?

— В сфере транспорта весь мир постепенно переходит к полностью электрическим системам, поскольку они экологически чистые и к тому же бесшумные.

Современные электроавтомобили получают энергию из литий-ионных аккумуляторов. Это самый популярный вид источников энергии, так как они самые энергоемкие, что позволяет транспорту ездить максимально долго. Но если сравнивать их с неэкологичной системой двигателя внутреннего сгорания, начинают выявляться недостатки: на одной «зарядке» можно проехать в два-три раза меньше, чем на обычном автомобиле, да и стоимость подобных транспортных средств выше. Но, если посмотреть на динамику, то мы увидим, что их доля на рынке становится все больше.

Для того, чтобы электротранспорт мог дальше развиваться, нам необходимо решить три основные задачи: повышение энергоемкости, снижение времени зарядки (литий-ионные аккумуляторы без ускоренной зарядки заряжается примерно шесть-восемь часов, т.е. «сколько ездим, столько и заряжаем») и уменьшение стоимости новых источников энергии. Хотелось бы, чтобы поездка с их использованием стоила не сильно выше, чем на бензине – с учетом стоимости самого источника энергии, а не только его зарядки. Так что, с одной стороны, нужно совершенствовать литий-ионные и другие аккумуляторы, а с другой – разрабатывать альтернативные источники энергии, которые возможно использовать в транспорте.

— На каких еще источниках энергии, более энергоемких, можно сделать экологически чистый транспорт?

— В первую очередь - это топливные элементы разного типа, в первую очередь - водородные. Первые серийные образцы «водородных» автомобилей, например, Toyota Mirai, уже выпускаются. Рейсовые автобусы кое-где работают на водородных топливных элементах, и время их заправки водородом составляет две-три минуты вместо шести часов зарядки электромобиля. При этом пробег приблизительно в два раза больше, чем на аккумуляторах, а в окружающую среду выделяется только вода. Кроме того, безопасность двигателя на водороде гораздо выше, чем у бензинового или работающего на аккумуляторах, что подтверждено тестами.

Серийный водородный автомобиль Toyota Mirai

Снежана Шабанова

Вообще это очень интересное для нас направление. Что сейчас является ограничением при использовании водородных топливных элементов? Стоимость водорода и способ его получения, который нельзя назвать экологичным. Как традиционно получают водород? Паровой конверсией природного газа, при котором образуется большое количество углекислого газа. То есть выходит, что производством этого «чистого» топлива мы загрязняем среду, хотя и в разы меньше, чем просто сжигая природный газ.

Мы разрабатываем процессы, в которых при получении водорода углекислый газ будет «упаковываться» в другой продукт, пригодный для дальнейшего использования: в метанол, в уксусную кислоту, в разные красители. На наш взгляд, электричество, полученное при помощи топливных элементов на таком водороде, гораздо более «зеленое», чем то, что получается из возобновляемых источников энергии.

Еще один интересный проект – это получение водорода из метана, выделяющегося при добыче из несущих нефтяных слоев. Сейчас он просто сжигается, так как использовать его просто нерентабельно, а парниковый эффект от него самого гораздо выше, чем от углекислого газа, получающегося при сгорании. Мы разрабатываем процесс, в котором водород добывается прямо из метана на месте, на нефтяной вышке, которая, в свою очередь обслуживается электричеством, полученным из этого водорода. Экологически чистая вышка - фантастика для нефтяной страны! Но это один из наших реальных проектов.

— Поговорим подробнее о проектах центра. Что уже удалось воплотить в жизнь?

— В прошлом году мы сделали так называемый «удлинитель пробега» для электроавтомобиля. Зачем это понадобилось? Если электроавтомобиль эксплуатируется только в городе, то 150 км пробега в день ему вполне хватает. И хватает времени на зарядку. Но у нас пока нет такого количества электрических зарядок, как, например, в Норвегии, где их можно найти у каждого магазина. И тем более за пределами Москвы. Таким образом, если мы это авто используем для дальних поездок по территории России, где нет нужного количества зарядок, то надо увеличить дистанцию пробега за счет других источников энергии.

Lada El Lada с водородным удлинителем пробега

Вероника Аюпова

Наши коллеги взяли российский электрический автомобиль Lada El Lada и совместно с нами сделали для него водородный топливный элемент. Если раньше на своих аккумуляторах машина могла проехать всего сто с небольшим километров, то с добавлением в конструкцию нашего небольшого водородного топливного элемента ее пробег увеличился уже до 300 км. И он может быть даже больше - в зависимости от того, какого объема и с каким давлением баллон с водородом туда поставить.

В результате пользуемся электромобилем как обычным городским автомобилем, а когда выезжаем за город, то водород здорово выручает. Есть еще один плюс – такой автомобиль может сам стать источником энергии – как совершенно бесшумный резервный источник питания, например, для загородного дома. Тот, кто пользовался дизель-генератором, знает, что рядом с ним спать невозможно.

Кстати, на базе нашего «удлинителя пробега» построена автономная платформа, которая в беспилотном режиме, то есть без водителя ездит по территории нашего института. Она может поднять полторы тонны груза, увезти до 20 пассажиров и трансформироваться практически под любые хозяйственные задачи всего за 15 минут.

Автономная платформа в пассажирском варианте

Снежана Шабанова

Мы хотели, чтобы она заправлялась не так часто, поэтому мы поставили на нее два разных источника энергии, то есть сделали водород и литий-ионные источники энергии равноправными. Таким образом, как и в случае с электроавтомобилем, если нет возможности заправиться водородом, она ездит на аккумуляторах.

Когда проект с платформой увидели наши промышленные партнеры, то сразу возникло несколько идей для ее использования. Например, такие платформы могут применяться для обслуживания аэродромов, поскольку они экологически чистые и достаточно грузоподъемные. Турецкие производители техники для обслуживания шахт, где нет хорошего притока воздуха (там уже используют электроходы, но автономность их небольшая) заинтересовались возможностью использования наших водородных топливных элементов.

Появились фирмы, которые захотели развивать водородный транспорт в России. Мы будем совместно с ними и другими промышленными партнерами проектировать водородные автобусы и грузовички для городских нужд. Вот реальная история развития топливного элемента - от моделей до промышленных образцов.

Примерно такая же ситуация у нас и с летательными аппаратами: началось все с того, что мы поставляли на рынок небольшое количество беспилотных летательных аппаратов на водороде. Этим заинтересовались авиаторы, но нам нужно было им показать, как наши топливные элементы будут работать на больших самолетах. В прошлом году в серийный самолет «Сигма-4» мы поставили большой топливный элемент на 30 киловатт, а в следующем году планируются его летные испытания. Следующий этап – это проектирование вспомогательной силовой установки для больших самолетов.

Первый российский водородный самолет на топливных элементах

Снежана Шабанова

Когда мы начали работать с водородной техникой, мы ее заправляли обычным компрессором. На заправку водородом семилитрового баллона для небольшого беспилотника мы тратили несколько часов. И когда мы перешли к большим аппаратам типа беспилотной платформы и водородного самолета, где используются столитровые баллоны, одна зарядка стала занимать сутки и даже больше. Представьте себе – сутки заряжаем, за полчаса-час сжигаем топливо – и все по-новому. Так что у нас появилась потребность заряжать быстро. И, к тому ж, Россию стали завозить образцы водородной техники, промышленно выпускаемой на Западе – это касается легковых автомобилей, таких, как Toyota Mirai, водородных автобусов, которые уже 20 лет по всему миру ездят – кроме России… Но здесь их нельзя заправить. Их заправляют «умельцы» - но с давлением не положенных 300 атмосфер, а всего 150-200, что существенно снижает пробег.

Так что совсем недавно мы купили, наладили и открыли водородную заправку – и уже появились желающие на ней заправляться. Конечно, заправка – это не главное достижение центра, но популяризация отрасли – это одна из задач нашей организации. А никакой популяризации не будет, пока мы не увидим образцы водородной техники в движении. И мы видим уже небольшие, но важные результаты этой работы: в Москве скоро будет испытываться водородный автобус – как только производители увидели, что есть возможность заправлять под Москвой, появились те, кто хочет показать свою технику в России. Это японские, испанские компании…

Заправка водородной Toyota Mirai в Черноголовке

Снежана Шабанова

Пока заправка имеет только германский сертификат, но мы хотим пройти путь ее сертификации в России, чтобы заранее посмотреть на возможные трудности в этом вопросе и собрать пакет советов для изменения законодательства, чтобы в будущем внедрять и сертифицировать водородные заправки было проще.

Пионерская работа, которая может дать фантастический результат уже в этом году – это натрий-ионные и калий-ионные элементы. Стоимость таких элементов будет значительно ниже, чем литиевых. И хотя транспорту они не подойдут, поскольку содержат меньше энергии на килограмм массы, но для хранения энергии в стационарных условиях – это настоящая находка. Натрия и калия в природе очень много и стоимость их очень низкая. Если посчитать примерно – то в тысячу раз меньше, чем у лития. Если мы сделаем компактные долгоиграющие аккумуляторы, то у нас есть шанс сформировать новую нишу на рынке. Наши партнеры по этому проекту – МГУ и Сколтех, которые дорабатывают его с нами до конца.

Еще один проект – твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ). Отдельно мы ими не занимались, пока наши партнеры не обратились к нам за помощью. Сейчас, совместно с InEnergy мы делаем проект «Топаз» – разрабатываем микротрубчатые топливные элементы на природном газе, а совместно с Институтом высокотемпературной электрохимии УрО РАН в Екатеринбурге пытаемся сделать такие элементы на природном газе без конверсии, то есть получать экологически чистую энергию фактически из баллончика газа для зажигалки.

— В консорциуме центра большое количество индустриальных партнеров. Значит ли это, что спрос на рынке превышает предложение и бизнес остро нуждается в ваших проектах?

— Правильнее сказать, что в России появился бизнес, который видит рынки будущего и стремится туда сейчас попасть. Если они будут развиваться в России, то у нас есть шанс быть вполне конкурентноспособными в этих областях.

Многие наши промышленные партнеры осознают, что внедрение этих технологий может дать огромные конкурентные преимущества. Это развивающийся рынок, он не наполнен, и мы там пока ни с кем не толкаемся. Он возникает на наших глазах.

В разговоре с промышленными партнерами мы пытаемся почувствовать их проблемы и предложить им способы решения. Бизнес получает от нас знания о современных разработках, а мы, видя его запросы, пытаемся изменить свои разработки под то, что ему нужно. Таких разработок много, поэтому у нас много таких проектов и партнеров. Здесь я, как руководитель Центра компетенций считаю, что наша основная задача – это делать текущие R&D-работы, а затем то, что уже создано, внедрять в производство.

Но мы развиваем довольно рискованные технологии, и иногда сложно определить, какие из них «выстрелят» и насколько они будут прибыльны. Ответственность мы делим с бизнесом пополам. Наше дело – правильно донести до партнеров, что происходит мире науки и помочь правильно интерпретировать и использовать новейшие научные данные. А их – указать нам, как это можно применить так, чтобы было интересно рынку. В наших терминах это называется «воспитанием квалифицированного партнера». Рынок настолько новый, что даже главные конструкторы про него читают только из популярной прессы и плохо представляют, как это может быть применимо к конкретному продукту.

Мы производим много образцов. Это, конечно, не те образцы, которые прямо завтра пойдут в производство, но они демонстрируют превосходство конкретных источников энергии для конкретно взятого устройства. Например, тот же водородный самолет или роботизированная платформа.

Автор: Снежана Шабанова

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.