Заменит ли водород нефть и газ? Интервью с Б.П. Тарасовым

Идеи использования водорода в энергетических целях высказывались давно, и интерес к ним проявлялся не один раз. Глобальные проблемы стимулировали всплеск исследований и разработок (с акцентом на транспорт), но до серьезного практического внедрения водородных технологий не доходило. Ситуация стала стремительно меняться, когда ведущие страны мира начали путь к устойчивому развитию и к реализации  концепции безуглеродной энергетики будущего. Именно поэтому на водород стали возлагать большие надежды. Между тем, сегодня водород не самое лучшее топливо для энергетики. Однако его можно использовать в другом качестве — накопителя энергии при использовании возобновляемых источников энергии. О способах аккумулирования энергии, разработанных в Институте проблем химической физики РАН в Черноголовке, рассказывает Борис Тарасов.

— Водородная энергетика буквально захватила умы людей и сторонников концепции чистых источников энергии. Насколько в водородной энергетике нуждается наша страна?

— Напомню, что водородная энергетика основана на водороде как энергоносителе, который используется для аккумулирования, транспортировки, производства и потребления энергии.

Первая причина возросшего интереса к водороду связана с климатическими изменениями в мире. Наша страна присоединилась к Парижскому соглашению по климату, которое предусматривает снижение выбросов парниковых газов в атмосферу. Следовательно, человечество нуждается в альтернативных источниках энергии, которые не выделяют парниковые и вредные газы. А при использовании водорода для выработки электроэнергии выделяется только чистая вода.

Вторая причина связана с проблемой накопления энергии, поскольку объемы производства и потребления электроэнергии сильно различаются по времени. Мировой переход на возобновляемые источники энергии (солнечную, ветровую и пр.) требует решения главной проблемы — как накапливать электроэнергию и в каком виде ее хранить. Скажем, при использовании обычных солнечных панелей применяются простые электрохимические батареи. Но если речь идет о больших масштабах, о мегаваттах и гигаваттах энергии, то электрохимических батарей просто не хватит. Один из способов хранения в данном случае — накопление энергии в виде водорода. Тогда избыток вырабатываемой электроэнергии используется для электролиза воды с выделением водорода, который хранится каким-либо способом, например, в химически связанном состоянии, а при необходимости окисляется в топливных элементах с выработкой электроэнергии и выделением воды.

— Какие направления развиваются в вашей лаборатории материалов для водородного аккумулирования энергии?

— Изначально лаборатория создавалась мною для разработки новых водород-аккумулирующих и водород-генерирующих материалов и создания компактных и безопасных металлогидридных аккумуляторов и генераторов водорода. Однако в дальнейшем появились другие направления.

Первое посвящено проблеме получения «зеленого» водорода электролизом воды с использованием возобновляемых источников энергии, в частности солнечных электрогенераторов. Разрабатываемые в лаборатории металлогидридные аккумуляторы позволяют накапливать водород и выдавать его потребителю по мере необходимости. Это второе ключевое направление. Водород из металлогидридных аккумуляторов поступает в топливные элементы, где окисляется кислородом воздуха с генерированием электроэнергии и образованием воды. Создание автоматизированной системы аккумулирования электроэнергии с использованием водорода в качестве энергоносителя — третье направление работы лаборатории.

— Расскажите подробнее о способах хранения водорода.

— Существуют 4 основных способа хранения водорода: в газообразном состоянии под давлением в стальных или композитных баллонах, в жидком состоянии при температуре 20 К, в адсорбированном на поверхности сорбентов состоянии и в химически связанном состоянии в виде гидридов и других соединений. Мы предлагаем наиболее безопасный вариант хранения водорода в адсорбированном в углеродных наноматериалах виде и в химически связанном состоянии в гидридах. Так, разрабатываемые нами металлогидридные аккумуляторы и компрессоры водорода многократного действия компактны и безопасны в эксплуатации. Работы в этой области продолжаются с целью разработки новых материалов с максимально возможным содержанием хранимого водорода.

— Насколько вы уже продвинулись в этой теме?

— С научной точки зрения мы не отстаем от зарубежных разработок. Сотрудники лаборатории активно публикуют статьи в зарубежных журналах первого квартиля (это специфическая градация научных журналов), что говорит о высоком уровне наших работ. Если говорить о технологиях, то ситуация несколько сложнее. Ясно, что новые направления требуют серьезного финансирования. Но мы и здесь стараемся не отставать, создавая и патентуя собственные разработки, среди которых — не уступающие зарубежным аналогам новые водород-аккумулирующие и водород-генерирующие материалы, металлогидридные аккумуляторы и компрессоры водорода, водородные системы резервирования и аккумулирования электроэнергии.

— В каких областях востребованы ваши технологии?

— Самый простой пример — компактные и безопасные металлогидридные аккумуляторы и компрессоры водорода. Они перспективны для хранения, транспортировки и компримирования водорода для различных приложений. Такие устройства уже используются в качестве источников чистого водорода для гидрирования металлов и органических соединений, для получения высокодисперсных порошков металлов и сплавов, для питания топливных элементов в автономных системах электрообеспечения. В последнее время мы разрабатываем водородные системы аккумулирования электроэнергии для повышения эффективности использования возобновляемых источников энергии, состоящих из электролизных генераторов водорода, металлогидридных систем хранения водорода и топливных элементов. Такие системы могут использоваться на арктических станциях и в других отдаленных местах, где нет линий электропередач. В принципе, они могут быть использованы для сглаживания различия в объемах выработки и потребления сетевой электроэнергии.

— Есть ли интерес со стороны государства к таким технологиям?

— Наши разработки в области водородных систем резервирования и аккумулирования энергии финансово поддержаны Федеральными целевыми программами Министерства науки и образования РФ, а в качестве индустриальных партнеров выступают ГК «ИнЭнерджи» и ООО «Драгцветмет».

В октябре 2020 года наше правительство утвердило план мероприятий (так называемую «дорожную карту») по развитию водородной энергетики в России до 2024 года, направленный на увеличение производства и расширение сферы применения водорода в качестве экологически чистого энергоносителя, а также на вхождение страны в число мировых лидеров по его производству и экспорту. Мы пока не знаем, какие проекты будут поддержаны государством. К этой области серьёзный интерес проявляют Росатом, Газпром, Росгидро, РЖД, АФК «Система» и другие компании.

Но проблема в том, что такие программы в мире уже давно существуют. Другие страны сильно продвинулись вперед в области водородной энергетики. Очевидно, что вопросы использования возобновляемых источников энергии и уменьшения выбросов углекислого газа и дальше будут активно финансироваться. Я уверен, что через некоторое время многие страны введут налоги на «выброс углекислого газа».

— То есть государства будут создавать некую искусственную ситуацию, при которой невыгодно будет покупать автомобиль на бензиновом топливе?

— Верно. Это требование времени. Но мы с вами и сами не хотим дышать плохим воздухом, правда? Как и быть ответственными за глобальное потепление. Сейчас у нас есть возможность исправить то, что мы уже сделали с планетой.  При этом, конечно, всё должно быть постепенно. Нельзя сразу изменить то, что стало для всех привычным, тем более — выгодным. Но если для нас создадут условия, при которых будет выгодно использовать водородный транспорт, а не бензиновый, то мы с радостью на него перейдем.

Что касается нашей страны, то пока водородная энергетика для нас — дорогое удовольствие на фоне относительно дешевого газа и бензина. Развитые страны тратят колоссальные средства на реализацию программ по развитию водородной энергетики, что приведет к уменьшению масштабов использования углеводородных топлив. Для России — главного экспортера углеводородов в Европу — это, наверное, не очень хорошо. Подобные проекты развиваются не только в Европе, но и в США, Японии, Южной Корее, Китае и других странах.

— Какие образовательные программы нужны сегодня?

— Подготовка специалистов — это очень важный аспект. Образование и собственная тяга к знаниям — ключевые элементы развития любой научной сферы. Если молодежь почувствует, что ее знания нужны, ее знания будут оплачиваться, то в науку придет много талантливых студентов. Я читаю лекции по водородной энергетике студентам МГУ и ИжГТУ и вижу их интерес к науке. К сожалению, при существующих в настоящее время стипендиях у студентов и аспирантов, зарплатах молодых ученых особой тяги у молодежи идти в науку нет.

Нельзя забывать, что наука — явление международное. Поэтому я бы обратил внимание на китайский опыт, когда молодежь отправляют на обучение в другую страну, поскольку некоторые знания быстрее можно получить лишь в рамках международного опыта. Например, мы, выполняя международные проекты, в тех же рамках БРИКС, обогащаемся опытом коллег из других стран.

— Вы следите за работой и научными достижениями других научных групп?

— Каждый ученый — вечный студент. Как только мы перестаем интересоваться достижениями других коллег, то сразу сильно отстаем. Ученый все время должен изучать научную литературу, знакомиться с результатами последних научных исследований, быть в курсе современных тенденций и разработок в области своих научных интересов. Без этого накопленные компетенции моментально теряются.

Но с этим связаны свои трудности. Сегодня в науке публикуется огромное количество научных статей. Не все из них можно назвать качественными. Современные ученые должны просеивать большой объем информации, как «золотоискатели» искать новые идеи, научные подходы и пути исследований. Поэтому важно научить молодых ученых ориентироваться в этом потоке информации.

— Сотрудничаете ли вы с лабораториями с аналогичной тематикой?

— Конечно, мы активно обмениваемся опытом и разработками с коллегами из российских лабораторий. Некоторых коллег знаем лично, других — по научным публикациям. Со многими встречаемся на профильных конференциях, где обсуждаем интересующие нас проблемы, идеи, разработки, успехи и неудачи, совместные проекты и публикации.

Что касается зарубежных коллег, то и здесь у нас есть совместные проекты и публикации. В частности, в настоящее время выполняем проект в рамках БРИКС. К сожалению, пандемия сильно помешала его полноценной реализации.

— Над чем вы и ваши коллеги работаете сегодня?

— Сейчас наш интерес неразрывно связан с водородной энергетикой и возобновляемыми источниками энергии. Мы нацелены на то, чтобы переход к водородной энергетике стал выгодным для нашей страны. И хотя Россия обеспечена сырьем, такой переход рано или поздно неизбежен. Поэтому сегодня необходимо разрабатывать разные приемлемые способы накопления энергии в том числе с использованием водорода как наиболее выгодного и перспективного энергоносителя.

Я убежден, что мы выбрали правильное направление. Когда я только начал заниматься водородной энергетикой 40 лет назад, то столкнулся с недопониманием и недоверием к этой сфере. А сегодня уже разработана государственная политика в этой области. К сожалению, в молодости, когда у меня было много «драйва» и я пытался убедить всех в значимости этого направления, у нас не было поддержки. Уверен, что в настоящее время, в рамках поддержанной государством программы, научная молодежь приложит все свое умение и задор для стремительного, целеустремленного и продуктивного развития водородной энергетики.