Наступление на водород

Принцип действия топливног элемента с твердым полимерным электролитом.

Движение к водородной энергетике в нашей стране началось сразу с двух сторон. С одной стороны, к созданию отечественной энергетической установки на топливных элементах приближается Российская академия наук и ГМК "Норильский никель", а с другой - Минатом РФ, "Газпром" и Международный научно-технический центр (МНТЦ).

В деле создания отечественного топливного элемента ученые нашли наконец-то долгожданную поддержку предпринимателей - в президиуме РАН 10 ноября 2003 года подписано соглашение о сотрудничестве между Российской академией наук и горно-металлургической компанией "Норильский никель". Этот проект выгоден обеим сторонам. Дело в том, что немалую роль в водородной энергетике играет палладий, который как раз и получают в Норильске. Цена этого металла в виде изделия возрастает многократно и компания зарабатывает дополнительные деньги. Ну а ученые получают столь необходимое им финансирование. "У России есть два преимущества перед всеми остальными странами - фундаментальная наука и наша компания, которая производит более половины палладия в мире, - говорит генеральный директор компании Михаил Прохоров. - Мы надеемся совместно с Академией наук показать на практике, что палладий - основа водородной технологии. Он необходим и как катализатор, и как ключевой материал для извлечения и хранения водорода".

"Сейчас наступил исторический момент - труд ученых наконец-то востребован, - заявил вице-президент РАН академик Геннадий Месяц, который будет возглавлять программу по водородной энергетике. - Мы планируем объединить усилия двух десятков институтов и через несколько лет получить коммерчески пригодный продукт - батарею на топливных элементах".

Топливный элемент - это устройство, в котором энергия топлива (в данном случае - водорода) непосредственно преобразуется с очень высоким КПД в электроэнергию. Считается, что водородный элемент, где электричество получается при образовании молекулы воды из ионов водорода и кислорода, - самый перспективный альтернативный источник энергии. Именно поэтому энергетику, построенную на топливных элементах, часто называют водородной. Перед ее творцами стоят две основные задачи: сделать топливный элемент дешевым, а также добыть водород и доставить его потребителю.

"Есть несколько систем топливных элементов, которые различаются электролитами, - поясняет Геннадий Месяц. - Для автомобиля нужны полимерные электролиты. Для небольших электростанций требуются твердые оксиды (керамика). Мы будем развивать заделы, которые имеются во всех областях. Одни институты будут заняты созданием маленьких элементов для оргтехники, другие же станут разрабатывать системы большой мощности". Сейчас топливный элемент стоит очень дорого: один киловатт мощности, полученный от него, обходится примерно в пять тысяч долларов. А конкурентоспособная цена - одна-две сотни долларов за киловатт. Задача ученых - добиться радикального снижения цены. Этого можно достичь прежде всего за счет оптимизации состава и структуры катализаторов процессов "холодного горения" (именно так называются электрохимические процессы, происходящие в топливном элементе - окисление кислородом водородного топлива). Самый перспективный катализатор этого процесса как раз - палладий.

Что же касается самого водорода, то главная проблема - отсутствие инфраструктуры для его доставки потребителю. Поэтому поначалу создатели водородной энергетики планируют использовать имеющиеся газопроводы и бензозаправки. Тогда рядом с батареей возникает еще одно устройство - топливный процессор, который непосредственно на месте превращает бензин, спирт, природный газ или иное топливо в водород. Именно на его создание нацелены основные усилия коллектива ученых, объединенных целевой инициативой МНТЦ, Минатома и дочернего предприятия "Газпрома" "Оргэнергогаза". "У России богатый опыт разработки топливных элементов для космической программы. Этим занимались предприятия Минатома, в частности институты, расположенные в закрытых городах, - подчеркивает координатор инициативы МНТЦ Виктор Емельянов. - Мы проанализировали работы, которые наш центр поддерживал в течение нескольких лет, и пришли к выводу, что именно процессор можно сделать быстро".

Сначала в топливном процессоре углеводороды превращаются в синтез-газ - смесь угарного газа и водорода. Затем угарный газ отделяют от водорода и превращают его в безвредный углекислый. "Электролиты топливного элемента очень чувствительны к угарному газу, поэтому водород требуется тщательно чистить, - поясняет Валерий Кириллов из Института катализа СО РАН им. Г.К. Борескова, который отвечает за разработку процессора в этом институте. - Все этапы преобразования топлива требуют применения катализаторов и наши фундаментальные разработки здесь очень пригодятся".

По мысли авторов инициативы, первая из задуманных энергетических установок потребуется для магистральных газопроводов. Дело в том, что вдоль всей трубы, которая проходит порой в весьма отдаленных от человека местах, расставлены источники электроэнергии. Она требуются как для питания всевозможных устройств, так и для нейтрализации электрического заряда - из-за большой длины в трубе накапливается статическое электричество. Топливные элементы, работающие на природном газе, - идеальный источник электроэнергии для затерянного посреди тундры газопровода. Именно поэтому "Оргэнергогаз", который занят транспортировкой газа, проявил большой интерес к инициативе МНТЦ.

"Я очень высоко оцениваю деятельность МНТЦ в этом направлении, - подчеркнул Геннадий Месяц. - Благодаря их поддержке удалось сохранить коллективы ученых, которые сейчас примут участие в работе нашей программы".

В грядущем мире водородной энергетики, который возникает на наших глазах, по улицам будут ездить бесшумные автомобили. Их энергетические установки станут выбрасывать в окружающую среду водяной пар и ничего больше. Линии электропередачи и теплосети исчезнут - их заменят газопроводы. В каждом доме будет стоять свой топливный элемент, напрямую преобразующий природный газ в электричество, выделяя все тот же пар и углекислый газ и одновременно снабжая дом теплом и горячей водой.

Американцы же предлагают не мелочиться и совсем отказаться от углеводородного сырья. Для этого потребуется опутать все страны системой трубопроводов, по которым станет циркулировать жидкий водород. Энергию для поддержания газа в жидком состоянии предполагается добывать, сжигая сам этот газ, а стенки трубопроводов из-за низкой температуры окажутся еще и сверхпроводящими кабелями электропередачи! Что же касается водорода, то, как считают некоторые геологи, он в огромном количестве выделяется из недр Земли в рифтовых зонах, где кора планеты испытывает растяжение и этот источник, по сути, неисчерпаем. Надо лишь пробурить сверхглубокую скважину.