Основные вехи в истории водородной энергетики

Идея широкомасштабного использования водорода как искусственного топлива, получаемого электролизом воды, появилась в научно-фантастическом романе Жюля Верна «Таинственный остров» (1874 г.). Первые попытки ее реализации относятся к 1920;1930 гг., когда в Канаде было освоено промышленное производство водородно-щелочных электролизёров и принята первая программа в области создания водородных энергосистем на основе первичной электроэнергии, вырабатываемой на ГЭС. Данная программа выполнялась до 1936 г., после чего была свернута по причине сдвига приоритета канадского рынка энергосистем в сторону потребления дешевого природного газа. В 20−40-е годы XX века основная активность европейских ученых и инженеров в области водорода была направлена на адаптацию тепловых машин, в первую очередь двигателей внутреннего сгорания (ДВС), для работы на нетрадиционных топливах, в том числе водороде. Результаты, полученные, в основном, в Германии и Великобритании, показали принципиальную возможность такого подхода. Было показано, что использование водорода при соответствующей переделке топливной системы (переход к внутреннему смесеобразованию) позволяет увеличить мощность двигателя на 10% и более. Использование водорода в качестве добавки к традиционному моторному топливу позволило повысить экономичность двигателей при снижении вредных выбросов в атмосферу. Всего, за этот период на нетрадиционные топлива, включая водород, было конвертировано от 1 до 4 тысяч единиц автотранспортных средств, причем стоимость такой переделки, как было подсчитано позднее, не превышала нескольких сот долларов США за единицу (в ценах 1970 г.). Указанные разработки, основной вклад в которые внес немецкий инженер Р. Эррен, стали важным заделом последующих работ по использованию водорода на автотранспорте, возобновленных в 1970;х гг.

Интересно отметить, что в годы Второй Мировой войны исследования и разработки в указанном и смежных направлениях даже интенсифицировались. Хорошо известно, что в Германии в годы войны широко использовались синтетическое моторное топливо, производимое путем гидрогенизации угля. В СССР в условиях блокадного Ленинграда грузовой автотранспорт был переоборудован на водородное топливо, бравшееся из отработавших свой ресурс аэростатов войск ПВО. Указанные работы проводились под руководством техника-лейтенанта Б. И. Шелища.

С 1942 г. особый интерес к водородным разработкам (автономная энергосистема для дизельной подводной лодки, использующая в качестве топлива для подводного плавания сжатые водород и кислород, получаемые электролизом воды) проявляют военно-морские флоты разных стран.

В некоторых странах, отрезанных в годы войны от поставок нефти (например, Австралия), были начаты крупные программы по внедрению крупномасштабного производства водорода и его использованию как моторного топлива. С послевоенным возобновлением поставок дешевой нефти эти программы были приостановлены.

С 1950 г. интерес к водороду возобновился в связи с успехами в разработках топливных элементов (ТЭ). Хотя ТЭ были изобретены еще в XIX в., первые пригодные к практическому использованию образцы появились в начале 1950;х гг. в Великобритании и ФРГ. В последствии (70−80-е гг.) данные разработки имели большое значение для реализации космических программ США и СССР и позднее (к середине 90-х гг.) их развитие привело к коренному пересмотру концепции водородных энергосистем, поскольку использование ТЭ позволило существенно повысить эффективность генерации электроэнергии на стадии использования водорода потребителями.

Бурное развитие исследований и разработок, проводимых в мире в области водородной энергетики и технологии, пришлось на 1974;1983 гг. и являлось прямым следованием энергетического кризиса, охватившего в то время большое число промышленно развитых стран. С середины 1970;х гг. начинается интенсивный обмен информацией и международная кооперация деятельности занимающихся водородом групп, которые до этого большей частью работали независимо друг от друга. В конце 1974 г. создается Международная ассоциация по водородной энергетике (International Association for Hydrogen Energy, IAHE) — сообщество ученых, инженеров и менеджеров, эффективно способствующих этому процессу. Основным направлением деятельности Ассоциации является информационное обеспечение исследований и разработок в области водородных технологий, а также ознакомление с ними широкой общественности и правительственных кругов стран мира. С этой целью Ассоциацией раз в два года организуются представительные Всемирные конференции по водородной энергетике (World Hydrogen Energy Conferences) и издается Международный журнал по водородной энергетике (International Journal of Hydrogen Energy). Ассоциация активно способствовала учреждению в различных странах мира Национальных ассоциаций по водородной энергетике, которых к настоящему времени насчитывается несколько десятков.

Изменение конъюнктуры на мировом рынке энергоресурсов во второй половине 1980;х гг. привело к некоторому снижению темпов роста интенсивности исследований и разработок в области водородной энергетики и технологии. Особенно это было характерно для США, где при администрации Рейгана бюджет программ по возобновляемым источникам энергии и водороду был урезан на 80%. Основным фактором, сдерживающим интерес политиков и бизнесменов к работам по водородной энергетике, был экономический. В первую очередь это относилось к высокой себестоимости производства водорода (в особенности методом электролиза). Немалую роль также сыграло некоторое разочарование американских ученых, которые возлагали до этого слишком большие надежды на возведенную в ранг панацеи концепцию водородной энергетики и питали иллюзии в отношении ее быстрой реализации. Подход европейских и в особенности, японских научно-технических, деловых и правительственных кругов был более реалистичным. Здесь осознавали, что широкомасштабное внедрение водородных технологий будет требовать длительного периода интенсивной работы, исчисляемого многими десятилетиями. Так, в Японии уже в 1974 г. стартовал долгосрочный проект «Sunshine», который выполнялся до 2000 года. Это была самая крупная программа по альтернативной энергетике, по размаху сравнимая с американской космической программой «Аполлон». Всего было израсходовано около 15 млрд долл., из них 3,6 млрд составлял водородный бюджет. В 1976 г. Международное энергетическое агентство (International Energy Agency, IEA) со штаб-квартирой в Париже начало финансирование водородных работ. В 1978 г. бюджет водородной программы IEA составлял порядка 16 млн долл. США, распределенных на несколько лет. Вместе с тем общие тенденции расширения применения водорода в энергетике и технологии, хотя и сохранились, но стали менее динамичными.

Важной вехой в развитии водородной энергетики и технологии явились результаты экономических исследований, проведенных в конце 1980;х гг. в НИИ чистой энергии при университете Майями (University of Miami’s Clean Energy Research Institute), США. В них было проведено детальное обоснование подсчета экономического ущерба от загрязнения атмосферы промышленными и транспортными выбросами и предложена методика введения соответствующих поправок в экономические расчеты. С учетом данных поправок экологическая чистота водорода сделала его использование потенциально рентабельным в целом ряде производств.

В целом период с середины 1970;х до конца 1990;х гг. характеризовался углубленными исследованиями и разработками, заложившими научнотехнические основы современных водородных технологий. Значительные успехи были достигнуты в области производства водорода с использованием возобновляемых источников энергии. Были усовершенствованы и доведены до опытно-промышленных демонстрационных образцов базовые технические решения электролизёров различных типов с улучшенными характеристиками. Параллельно развивались родственные разработки топливных элементов, имеющих более высокую эффективность, больший срок службы и надежность, чем существующие ранее образцы. Появились принципиально новые технические решения электрохимических систем (новое поколение электролизёров и топливных элементов с твердым полимерным или твердым оксидным электролитом), использующих водород и другие альтернативные топлива. Также были разработаны принципиально новые экологически чистые технологии производства водорода, например, биохимическая и фотокаталитическая.

Динамично развивались также методы использования водорода как топлива для тепловых двигателей и энергоустановок. В ряде стран (США, Германия, Япония, СССР) в 1970;1980 гг. были созданы демонстрационные образцы автомобилей и другого транспорта с ДВС на водородном топливе либо с добавками водорода. В 90-х гг. появились первые образцы автомобилей и автобусов с электродвигателями, работающими от мобильных энергоустановок на топливных элементах.

В это же время был выполнен ряд крупных разработок по использованию водорода как авиационного или космического топлива. В США (программа «Space Shuttle») и СССР («Буран-Энергия») были созданы крупные ракеты-носители, главные двигатели которых использовали жидкий водород в качестве топлива и жидкий кислород как окислитель. Первое успешное испытание самолета на водороде (экспериментальная модель Ту-155, выполненная на базе серийного самолета Ту-154, один из трех двигателей которого работал на жидководородном топливе) прошло в СССР в апреле 1988 г. Месяц спустя в США был испытан легкий (четырехместный) с одним двигателем, топливом для которого был только водород.

Существенный прогресс был достигнут и в области решения сложной технологической проблемы компактного хранения водорода. Было разработано новое поколение композитных газовых баллонов высокого давления, позволивших существенно увеличить весовую и объемную плотность хранения водорода в виде сжатого газа. Также были усовершенствованы технологии ожижения водорода и его хранения в жидком состоянии. Получили интенсивное развитие новые разработки по физико-химическим методам хранения водорода в связанном состоянии, включая металлогидридные технологии. Одним из важных результатов, полученных в ходе исследований и разработок по последнему направлению, явилось создание к началу 1990;х гг. высокоэффективных никель-металлогидридных аккумуляторов электроэнергии, которые в настоящее время занимают значительный сегмент мирового рынка компактных химических источников тока.

Большое число новых разработок, выполненных за рассматриваемый период, было посвящено использованию водорода в бытовых целях (отопление, горячее водоснабжение, приготовление пищи). Указанные разработки в основном использовали каталитическое горение водорода; в результате был создан (на уровне демонстрационных прототипов) целый ряд высокоэффективных, экономичных и удобных устройств. Кроме этого, была показана осуществимость и перспективность новых технических решений тепловых установок бытового и промышленного назначения (системы отопления, холодильники и кондиционеры, системы транспортировки низкопотенциального тепла и т. п.), основанных на использовании водородных металлогидридных технологий.

Основным результатом работы международного сообщества ученных и инженеров в области водородных энергосистем в 1970;1990 гг. стало то, что данное направление к концу 1990;х гг. вышло за рамки исследований и опытных разработок и перешло к стадии коммерциализации. К работам в данной области подключились крупные коммерческие компании, в первую очередь, автомобильные (General Motors, Daimler-Benz, Toyota, BMW, Ford, Volvo и др.), нефтеперерабатывающие (Royal Dutch/Shell), энергетические (Norsk Hydro, Tokyo Electric Utility). C 1989 г. начинается разработка стандартов в области водородной энергетики и технологии, для чего в Цюрихе по инициативе Международной организации по стандартам (ISO) создается постоянно действующий международный комитет. Успешно выполняется ряд крупных международных проектов по созданию демонстрационных образцов новой техники в области водородной энерготехнологии. Так в результате выполнения совместно Германо-Саудовского проекта «HYSOLAR» в 1994 г. в районе Эр Рияда была запущена первая крупная установка по производству водорода с использованием солнечной энергии. В том же году в Европе появляются первые водородные автобусы на топливных элементах, созданные в рамках проекта Euro-Quebec Hydro-Hydrogen (Канада — ЕС). Одним из результатов работ по уже упоминавшемуся Японскому проекту «Sunshine» (с 1993 г. преобразован в коммерческую международную программу WE-NET с бюджетом около 2 млрд долл. США до 2030 г.) явилось создание на базе компании Tokyo Electric Utility одной из первых в мире электростанций (11 МВт) на топливных элементах.

Существенный вклад в развитие водородной энергетики и технологии в рассматриваемый период внесли многочисленные группы, работавшие в СССР. Их работы координировались Всесоюзной Комиссией по водородной энергетике, созданной по инициативе академика В. А. Легасова, и охватывали практически все направления данной проблемы.

По комплексной программе «Водородная энергетика и топливные элементы», которая выполняется институтами РАН и финансируется «Норильским никелем», работает и уральская команда из восьми институтов: Институт электрофизики (головная организация), Институт высокотемпературной электрохимии, Институт химии твердого тела УрО РАН, Институт химии твердого тела и механохимии, Институт теплофизики, Институт катализа и Институт сильноточной электроники СО РАН; Институт физики твердого тела РАН.

В Институте высокотемпературной электрохимии разрабатывается вся гамма электрохимических устройств: от электролизёров и конверторов для производства водорода до топливных элементов для получения электроэнергии и тепла. Созданием топливных элементов ИВТЭ занимается с момента его основания, то есть более 50 лет. Пока до внедрения разработок электрохимиков дело не дошло. Во-первых, не так легко найти производство, способное воспринять эти наукоемкие технологии, во-вторых, на это требуются большие средства. Зато сегодня у электрохимиков оказался серьезный задел.

Сотрудники Института химии твердого тела имеют многочисленные разработки функциональных материалов различного назначения, в том числе и представляющих интерес в связи с проблемами водородной энергетики и топливных элементов. Непосредственное использование в ТЭ наиболее широко распространенного в природе топлива — природного газа — довольно затруднительно по многим причинам. Более предпочтительно преобразование (риформинг) природного газа (метана) в так называемый синтез-газ (смесь СО и Н₂), который затем можно либо непосредственно использовать в высокотемпературных твердооксидных ТЭ, либо выделить из него водород для дальнейшего сжигания в низкотемпературных ТЭ.

Другой участник проекта — Институт электрофизики — имеет совсем другое направление исследований — создание нанопорошков. Казалось бы, как это связано с топливными элементами и водородной энергетикой? Между тем оптимальный электролит для топливного элемента — это пленка из нанопорошка. Кстати, такие порошки умеют создавать только в России, и все эти проекты выполняются в ИЭФ.

Академические ученые работают по программе около года. По многим направлениям получены неплохие результаты. Руководство «Норильского никеля» считает, что пора переходить к стадии отбора оптимальных проектов. Сейчас еще трудно оценить, какие подходы перспективные, а какие нет.

Прорывные технологии не создаются за один день и даже за один год. На это нужно время, и попытки искусственно сократить его не дадут результата.