Михаил Алексеевич Касаткин, начальник отдела главного конструктора направления водородной энергетики филиала «Центральный научно-исследовательский институт судовой электротехники и технологии» (ЦНИИ СЭТ) ФГУП «Крыловский Государственный Научный Центр», рассказал ИА REGNUM о различных направлениях водородной энергетики, её состоянии и перспективах в России и в мире.
Батарея твердополимерных топливных элементов БТЭ-50В.
ИА REGNUM: В чём преимущества и отличия водородной энергетики, и почему её пытаются внедрять и развивать?
В том, что это прямое преобразование химической энергии топлива в электричество, минуя тепловой цикл. То есть, все двигатели внутреннего сгорания, турбины и т.п., работают по тепловому циклу — это совсем другая энергетика. У нас же скорее нечто похожее на батарейку, но батарейку, обладающую бесконечным зарядом. Вот примерно в этом и суть. Сделать батарейку с бесконечным зарядом очень привлекательно, потому что она не шумит, не выделяет вредных веществ, необходимо лишь обеспечить подвод топлива и окислителя. Топливо — это водород, а окислитель — это кислород. Есть разные варианты получения водорода: электролизом из воды, или конверсией из любого углеводородного топлива. В качестве окислителя может использоваться либо чистый кислород, либо кислород воздуха (водородо-воздушная батарея).
ИА REGNUM: Где можно применять водородные топливные элементы?
Назначение подобной батареи может быть любым: её можно применять и в космосе, и под водой, и на надводных объектах, и в стационарном исполнении и т.д.
ИА REGNUM: сильно ли отличаются батареи, имеющие различное предназначение?
Существует порядка десятка разновидностей этих топливных элементов, но в последнее десятилетие выделилось два основных направления: высокотемпературные и низкотемпературные. Каждое из этих направлений имеет свои преимущества и недостатки. Преимущество наших низкотемпературных батарей в том, что они работают при температуре 60−80 градусов, и имеют очень высокую манёвренность: то есть они мгновенно берут нагрузку, также мгновенно её можно снять, то есть включить-выключить батарею. Поэтому основное назначение таких топливных элементов — это транспорт, причём любой.
Наиболее распространён автомобильный: какого бы вы не назвали серьёзного производителя автомобилей, он обязательно имеет какой-нибудь водородный концепт. Все эти концепты демонстрируются каждый год на Международной Ганноверской ярмарке, проходящей в апреле. Наша батарея представлялась в Ганновере и имела достаточно заметный, устойчивый успех. Наш стенд был единственным, представлявшим Российскую Федерацию, в огромной массе европейских, американских и азиатских фирм, которые ушли достаточно далеко от нас и уже эксплуатируют подобную технику.
ИА REGNUM: Можем ли мы в будущем конкурировать с зарубежными разработками в этой области?
Мы уже сейчас подтягиваемся к ним — важно сделать такую технологию, которая позволит массово производить эти топливные элементы. Поэтому мы ограничились двумя типоразмерами — 5 кВт и 50 кВт. Наша наиболее продвинутая разработка — 5-киловаттная батарея топливных элементов БТЭ-КУВ. Сердце — батарея, имеющая открытый контур: воздух поступает без давления, за счёт работы воздуходувки. Водород, поступающий в батарею, получается из природного газа с помощью специального конвертора. Конвертор, энергоблок и блок преобразования электроэнергии и автоматики объединены в единую блочно-комплектную энергоустановку БКЭУ-ТЭ (в виде контейнера). Эту энергоустановку предполагается устанавливать на магистральные газовые трубопроводы, где она будет автономно работать, обеспечивая работу телеметрии и других систем, управляясь дистанционно. Несмотря на то, что номинальная мощность БКЭУ-ТЭ — 5 кВт, возможно использование и на мощности в 10 кВт, однако в таком случае уменьшается ресурс устройства.
ИА REGNUM: Оправдано ли экономически использование такой энергоустановки?
Экономическая выгода достаточно значительная. Сейчас Газпром для обеспечения своей телеметрии, где-нибудь в тайге, в автономном режиме, хотя бы полгода не завозя топливо, закупает израильские установки ORMAT. Стоимость 1 кВт энергии, полученной с помощью такой установки, составляет около $60 тысяч. В нашем случае цена тоже немалая, однако, она будет примерное втрое ниже — около $20 тысяч. Кроме того, мы обеспечиваем сервисное обслуживание, плюс — это российская разработка. Наши экономические расчёты подтверждают то, что при правильном использовании наша установка выгодна.
ИА REGNUM: На каком этапе сейчас находится проект БКЭУ-ТЭ?
БКЭУ-ТЭ прошёл демонстрационные испытания, приезжал начальник управления энергетики Газпрома В. Гаголюк, всё это он увидел на площадке «ЦНИИ СЭТ». Этот контейнер стоял во дворе предприятия, а с 9 этажа по телеметрии шло управление процессом, задавались различные режимы. С декабря, по планам Газпрома, на Северо-Западной ТЭЦ данное изделие будет проходить эксплуатационные испытания в течение 3−4 месяцев, после чего будет сертификация, доработки, а к 2016 году мы думаем, что уже сможем продавать эту продукцию. Вот, что касается перспективы малых установок.
ИА REGNUM: А как дела обстоят с энергоустановками большой мощности?
Наше второе направление — установки мегаваттного класса. База для такой энергетики — батарея твердополимерных топливных элементов БТЭ-50В, работающая также на водороде и воздухе. Первое назначение — это маршевый двигатель, то есть главная судовая установка. Каким же образом может 50-киловатнная установка обеспечить мегаваттную мощность? Батареи собираются как кубики в блок мощностью 250 или 450 кВт. К такому блоку подводится свой конвертор дизельного топлива. Так как топливо является штатным, то менять портовую инфраструктуру не надо, кроме того хранение жидкого топлива безопаснее, чем хранение водорода. Эффективность судна повышается в 2−3 раза: при том же количестве топлива, оно может проплыть в 2 раза дальше, либо же взять в 2 раза меньше топлива и больше груза. Движущихся частей здесь нет, только воздуходувка в конвертере: шумы и вибрация несравнимы с таковыми при работе дизеля, а тем более турбины.
ИА REGNUM: Военные наверняка также заинтересованы в водородной энергетике?
Что касается военной продукции, то на основе этих водородо-воздушных батарей можно сделать двигатель для корабля. Особенно интересны силовые установки для подлодок, так как они бесшумны.
По подлодкам активно занимаются этим немцы. Мы до 2000-х годов шли с ними «ноздря в ноздрю», разрабатывали «Пиранью» (сверхмалая субмарина проекта 865 — ИА REGNUM). Была целая программа построения подводных энергоустановок типа «Кристалл». Некоторые варианты были очень похожи на энергоустановки немецких субмарин U212 и U214 с интерметаллидным хранением водорода на борту подлодки и жидким хранением кислорода. Что касается мощности, то немцы сейчас вышли на 300 кВт, а этого достаточно только для подзарядки аккумуляторов, у нас предполагались похожие цифры и задачи. Это очень эффективная система для небольших подводных лодок, так как автономность таких субмарин заметно ограничена запасом водорода в интерметаллидах: увеличение запаса водорода приведёт к слишком значительному утяжелению подлодки. Поэтому вот этот класс малых подводных лодок должен стоится именно таким образом: водородная энергоустановка должна служить для подзарядка аккумуляторов, или применения на марше, на экономичном ходе.
Разработанный ОАО «СПМБМ «Малахит» проект малой подводной лодки П-650Э с воздухонезависимой энергетической установкой водородного типа серии "Кристалл" (с) ОАО «СПМБМ «Малахит»
Второе — использовать эти батареи для главной судовой установки, то есть создать так называемую воздухонезависимую энергетическую установку, об этом сейчас идёт речь. Главком ВМФ был у нас, он посмотрел производство, очень внимательно выслушал то же, что я говорю Вам сейчас, он увидел, как батарея работает на стенде, что она действительно даёт электроэнергию, что действительно из неё ничего не выделяется. Мы ему представили акты государственных приёмочных испытаний, где её переворачивали так и сяк. Сейчас вопрос начала строительства воздухонезависимой энергоустановки на основе батарей с твердополимерным топливным элементом прорабатывается на уровне Министерства обороны и Главкомата Военно-морского флота.
ИА REGNUM: На Международном военно-морском салоне МВМС-2015 главком ВМФ Виктор Чирков заявил, что создание субмарин с воздухнезависимой силовой установкой начнётся в 2018 году. Реальные ли это планы?
Вполне реальные. У нас по всем вопросам есть наработки лабораторного плана, у нас есть опытно-промышленное производство: на данный момент в течение года мы можем производить батареи суммарной мощностью 2,5-мегаватт.
ИА REGNUM: Имеется ли зарубежный спрос на вашу продукцию?
Думаю, что спрос будет колоссальным. Все делегации, которые имеют какое-либо понятие о водородной энергетике, а это в первую очередь китайцы и индусы, всё осмотрели, сфотографировали и зафиксировали у себя. Они ждут, что это будет готовое изделие. Сейчас идёт подготовка экспортного паспорта. Хотя продажа отдельных батарей — тоже хороший бизнес. Но всё-таки хотелось бы закончить в виде готового изделия, и именно в «ЦНИИ СЭТ» есть все основания, чтобы мы это сделать. Сейчас есть некоторая бюрократическая составляющая: каждое конструкторское бюро хочет получить деньги, поэтому берётся за всё, что умеет и не умеет. Некоторые говорят, что сделают что-то через год, не имея при этом ничего. Это нереально — в этом инновационном продукте заложено порядка 40 технологий, которые имеются только в развитых странах.
ИА REGNUM: О каких технологиях идёт речь?
Это, к примеру, протонно-обменная мембрана, которую выпускает только американская компания DuPont. Аналоги, которые на порядок хуже, выпускаются в Китае, в ограниченном объёме — в Японии и Германии, но они их никому не продают. Мы отлично понимаем, что вот эта мембрана нам нужна своя, этим у нас занимается ГИПХ (Российский научный центр «Прикладная химия» — ИА REGNUM).
Второе — катализаторы. Это специальные катализаторы — никель на носителе. 7 молекул нанесены на частицу углерода размером 2 нанометра. На лабораторном уровне эта технология у нас есть.
Третье — газодиффузионная подложка. Это бумага, толщиной в полмиллиметра, которая обладает гидрофильно-гидрофобными свойствами (50% воды проводится, 50% нет), проводит газ и электричество, и при этом должна работать при 80 градусах, не теряя характеристики со временем (то же самое относится и катализаторам с мембраной).
ИА REGNUM: Не мешают ли западные санкции против России закупать необходимые компоненты?
Нет. Эти материалы не входят в списки, а кроме того мы всегда сможем их закупить в третьих странах. Китайскую продукцию брать не хотим, это всё равно, что менять шило на мыло — тогда уж лучше производить самим. Но проблема в том, что самим выгодно делать только тогда, когда имеется спрос. Для создания такого производства нужны достаточные вложения, а их никто не хочет делать пока нет предметного спроса. Поэтому, как только появится спрос, от той же военки, сразу же надо будет разворачивать производство. Но всё это у нас есть на уровне лабораторных технологий.
ИА REGNUM: Имеются ли какие-то перспективы у водородной автомобильной техники? Есть ли у вас какие-либо разработки в этой области?
У нас были некоторые контакты с бронетанковым управлением, также мы сделали автобус с силовой установкой в 20 кВт. Коммерческого же интереса нет ни у нас, ни за рубежом, так как отсутствует инфраструктура — элементарно негде заправиться. Пока в мире существует всего 2 шоссе для водородных автомобилей — одно в Калифорнии, другое в Норвегии.
ИА REGNUM: Есть ли какие-то менее «распиаренные» направления водородной энергетики?
Евросоюз запустил новый проект. В Европе установили большое количество ветряных электростанций, но поняли, что не могут обеспечить соответствие нагрузки и генерации, и чтобы сгладить этот момент, они решили сделать так: когда генерация нужна, электроэнергия идёт потребителям, а когда она не нужна, а ветер есть, электричество идёт на электролиз воды и получение водорода. Он же в свою очередь закачивается в газовую магистраль. В итоге получается смесь природного газа с водородом. Это даёт возможность в нужный момент и в нужном месте «вытащить» этот водород и использовать его в топливных элементах, снизив заодно свою зависимость от природного газа. Мы также разрабатывали такую концепцию вместе с Трансгазом, но нам, конечно, такой проект совершенно не нужен. Во-первых, у нас нет ветряков, во-вторых, у нас нет необходимости «разбавлять» газ. Хотя, как предложение для зарубежных покупателей — это может быть интересно.
http://regnum.ru/news/innovatio/1941837.html
Комментарии
"Лиха беда - начало". Пусть медленно, но делают.
Отменно!
Интересно, если бы не т.н. перестройка, как далеко бы мы развились по технике?
думал вчера это интервью запостить, тоже понравилось...
Меня комментарий на Оке планеты удержал ( с комментарием я согласен):
"Терминология кривая: "Водородная энергетика"
Подразумевает использование ископаемого водорода, чего как раз и нет (как нет "бензиновой энергетики", но есть нефтяная). Водород получается переработкой чего-то ещё"
Оч.похоже на то, что на Рубине по ВНЭУ делают.. Думаю, что и проблемы там те же: мембраны, катализаторы, подложки и т.д., только здесь подход значительно шире, в плане внедрения в различные области хозяйства, а не только на ПЛ. //Эффективность судна повышается в 2−3 раза: при том же количестве топлива // Интрересно, какова будет цена 2-3-х кратного повышения КПД углеводородного топлива тн/км? И каков ресурс таких девайсов?? Дорогу осилит идущий!
Опять энергию измеряем мощностными единицами! Если это "приведённая стоимость киловаттной установки, то ещё так сяк, а если это цена 1кВт*ч вырабатываемой ей электроэнергии, то дешевле наковырять из системных блоков компьютеров батареек с материнских плат
Опять 25! как без движущихся частей воду от кормы судна отталкивать?
Если в электричество превращается только водород (пусть все 100%) окисляющийся кислородом, то углерод на выброс?
А его в дизтопливе 80% (в молях) И энергетика окисления С в СО2 в 1,4 раза больше чем Н2 в Н2О, итого от всей энергетики солярки остаётся 13%, а у дизеля КПД около 30...40%.
Задолбали электроколдуны!
Мне очевидно, что он имеет в виду систему энергопитания двигателя, а не движитель.
А движетель чем двигать?
То есть двигатель то нужен, а он нихрена не бесшумный и не миниатюрный.
металлгидрат - это немного не солярка. а воду отталкивать можно бегущим магнитным полем, хотя речь конечно шла о силовой установке.
Цитирую ещё раз
там указан временной интервал: "хотя бы полгода не завозя топливо" - возможно на него рассчитана цена.
тогда получается: 6мес*30дней/мес*24ч/день*1кВт = 4.32МВтч
20к$/4320кВтч= 4.63$/кВтч
все равно очень дорого
Думаю, это не цена энергии за полгода указана (20 или 60 тыс. долларов), а стоимость установленной мощности.
т.е. иx агрегат тянет на $100тыс?
недешевые побрякушки... где они собрались конкурировать с ДВС?
Основной вопрос совсем не в этом, а в том где они собираются брать чистый водород?
Электролиз - бред. Только если выделение водорода происходит в качестве сопутствующего побочного продукта. Но это не решает проблему массового производства.
С этого и надо начинать - показать себестоимость добычи исходного энергоносителя. По местному "EROI на срезе скважины".
я так понимаю, нет технологии конвертации этой энергии напрямую в электрическую, в отличии от Н2->Н2О
КПД конвертации тепловой энергии сгорания дизтоплива в электроэнергию примерно 30%, как автор предлагает забрать 60...90% потеряв 85% (да пусть хоть 50%) энергоносителя я не понимаю
сдачу он будет углеродом в таблетках выдавать, наверное.
Когда мешанина с цифрами и ничего вообще не ясно - имхо, ищи подвох.
Про тачки, например, он говорит, что нет водородных заправок, хотя параграфом выше, как Вы верно критикуете, можно было и обычным топливом пользоваться.
Обычным топливом пользуются не тачки, а корабли. В кораблях есть место для размещения оборудования по извлечению водорода из жидкого топлива.
Так на корабле есть место и для дизеля, а вес и габариты дизеля и электромотора одинаковых параметров по мощности и частоте вращения предлагаю сравнить самостоятельно, удивление гарантирую.
И после этого спрашивается: нафейхуа городить огород с дорогущим новомодным оборудованием, экономичность которого сомнительна, надёжность ничем не подтверждена, потребность замены не обоснована, а первоначальная стоимость выше в разы?
Я просто хотел уточнить, что в тексте статьи говорится про извлечение водорода из жидкого топлива на кораблях, но раз уж зашёл разговор, то:
- габариты электродвигателя в разы меньше (занимался этим вопросом по работе);
- моментная характеристика в разы лучше;
- и если брать подводную лодку (где собственно это и планируется ставить), то кислорода на работу нужно настолько меньше, что его можно запасти в баллонах и работать под водой.
Есть. В расплавкарбонатных и твердооксидных топливных элементах. Но они высокотемпературные.
Во-во, опять колдунцы от науки.
Финансирование ему на поводную лодку давай. Дайте этому фанатику "окисления водорода" наработки по ё-мобилю и пока он из него приус новый не соорудит на природном газе к большим деньгам не подпускать.
А то "спецбумажки" у него нет, мембраны нет, катализатора нет, водородной инфраструктуры для автомобилей нет (хотя абзацем выше подписался что ему пофиг откуда водород возьмется, хоть из газа, хоть из ТСМ-ки), зато есть желание пиарить свои недоделки и сидеть на финансировании. Причем, опять же, не с новыми идеями, а "догонять запад".
Я с примерно десяток лет назад в руках вертел ноут (промышленный) с топливным элементом на метаноле. Что тут революционного? Сейчас весь е-бей завален этим хламом. Уже и наборы "сделай сам" продают.
Хотя, может, как обычно, журналюшка все наврал. Ну, не может же человек на такой должности на полном серьезе рассуждать об окислении водорода, получаемом разложением воды, как об источнике энергии.
По массе 80%. А в молях порядка 50%.
Вы правы.
Да, по молярной массе.
В молях 40%,
Один хрен меньше 25% энергетики от совокупной.
Это колдовство работает примерно так:
http://www.findpatent.ru/patent/251/2515326.html
Насколько эффективно это работает, я не знаю.
Суть я так понимаю примерно вот такая. http://www.gazeta.ru/science/2011/04/22_a_3591505.shtml
Молярную массу как раз не совсем корректно сравнивать. Углерод при окислении кислородом должен потерять 4 электрона СО2, в отличии от водорода, которой может отдать только один электрон. Но при этом углерод в 12 раз тяжелее. Как вы и сами говорите, энергетика окисления всего в 1,4 раза больше, а не в 12... Поэтому надо брать количественное соотношение атомов водорода и углерода, с учетом большей энергоемкости углерода. В дизельном топливе точный подсчет вряд ли можно сделать, состав у него бывает разный. Но в 1,5 раза водорода количественно больше скорее всего будет.
КПД дизеля 30-40% - это КПД использования тепловой энергии. Сколько топлива уйдет в виде той же сажи в дизеле...
Что касается батарейки, то тут самый интересный вопрос в том, как отделяется водород от углерода и куда углерод утилизируется, если в виде мелкого угля, то можно потом и сжечь его отдельно... или еще более эффективные способы использования придумать.
Исправный дизель не дымит (сажу почти не выбрасывает), а тут на выхлопе либо "сажа газовая" либо углекислый газ, либо СО.
КПД дизеля 30-40% - это КПД использования тепловой энергии от расчётной теплоты горения солярки, а не от состояния вещества в камересгорания, т.е. все потери учтены кучей.
Как щас представил себе заход в порт тепловодородохода, и разгрузку с него тышшы тонн забитых сажевых фильтров.
тоимость 1 кВт энергии, полученной с помощью такой установки, составляет около $60 тысяч. В нашем случае цена тоже немалая, однако, она будет примерное втрое ниже — около $20 тысяч.
ой вей нах нах такое Щастье
Вообще есть четкое ощущение, что топливные элементы на водороде, бывшие фаворитами аккумуляторной перспективы в 90х уступили лет 10 назад пальму первенства литий-ионникам, и водородная энергетика уже не состоится. Ну а исследователи продолжают эту тему мучать, куда деваться-то.
Топливные элементы вполне себе работоспособны и наклепали их немало разновидностей, и все они детально описаны. Основная фишка это реформинг углеводородов, на это вся надежда, но в статье об этом толком ничего не сказано.
Впрочем, даже если реформинг допилят, топливные элементы станут в лучшем случае крайне нишевым дорогим прибамбасом, на тех же подлодках или на прочих военных объектах, где шуметь не стоит.
Я может не очень ясно выразился, но речь идет именно о магистральной технологии хранения энергии в постуглеводородном мире. Что заменит бензин и солярку в баках машин? Вот где-то в начале 2000х водорот и ТЭ проиграли литий-ионникам.
Конечно, жидкий водород в автомобиле можно представить только в кокаиновом бреду.
Один из основных тормозов развития применения водорода - безопасность.
Водород имеет одну премерзкую особенность самовозгоратся при микроскопических утечках. При этом горит он, сцуко, совершенно невидимо невооруженному глазу.
И это при том, что дешево хранить его так и не научились, он же настолько мелкий, что в собраный приличных количествах убегает прямо через кристаллическую решетку бака :) и в зверских количествах через уплотнения и фитинги. Да еще и обладает похабной привычкой металлы портить до гидридов.
Одна из основных проблем с энергией это её запасение, и в этом плане водород, как мне кажется, имеет большой потенциал, так как его можно достаточно легко получить, достаточно компактно хранить, и достаточно легко преобразовать в тепловую и в электрическую энергию, с минимальным ущербом для экологии.
Если помечтать в мировом масштабе, то можно было бы заставить пустыни солнечными станциями, там же добывать водород и уже его возить как энергоноситель.
Помечтай, чо уж. Мож заодно намечтаешь как именно его хранить, и сильно ли просто его получать. А то столько лет тему мусолят, а решений как не было так и нет. Хранить не получается, а добывается он беспроблемно только электролизом углеводородов.
Уж "зеленые" мысли про панели в пустыне даже комментировать лень. Гугли и просвещайся.
П.Л. Капица ЭНЕРГИЯ И ФИЗИКА Доклад на научной сессии, посвященной 250-летию Академии наук СССР, Москва, 8 октября 1975 г. См.: Вестник АН СССР. 1976. № 1. С. 34-43.
Воу, воу, полегче! Сдаётся мне, что именно с такими настроениями сжигали тех, кто мечтал о полётах к звёздам. Может в своих мечтах ВЫ сразу же видите готовую конструкторскую и рабочую документацию? Или может на этом сайте запрещено высказывать свои мысли, пусть даже и неосуществимые?
То что запасы углеводородов и урана исчерпаемы не вызывает сомнений, замкнутый ядерный цикл тоже пока не отработан, термоядерная реакция пока не вырисовывается, то есть вероятность того, что остатки человечества придут к единственно доступным источникам энергии достаточно велика. И с этих позиций, почему бы не спрогнозировать дальнейший вектор развития?
Поскольку я работал по топливным элементам в 2007-2008 годах могу прояснить часть неясных моментов в данном интервью:
1. "израильские установки ORMAT. Стоимость 1 кВт энергии, полученной с помощью такой установки, составляет около $60 тысяч. В нашем случае цена тоже немалая, однако, она будет примерное втрое ниже — около $20 тысяч. " - речь о стоимости установленной мощности энергоустановки.
2. "Эффективность судна повышается в 2−3 раза: при том же количестве топлива, оно может проплыть в 2 раза дальше, либо же взять в 2 раза меньше топлива и больше груза" - сравнивается не КПД установки и КПД дизель-электрического генератора, а эффективность хранения водорода (сжатого в баллонах или растворенного в интерметаллидах) и водорода полученного из дизтоплива на борту. И, да, по КПД любая воздухонезависимая установка будет проигрывать ДЭГ, который получает окислитель из атмосферы и сжигает дизтопливо напрямую, а не в виде водорода.
3. Да, синтез-газ (конверт-газ и т.д. - смесь СО/СО2 и Н2/Н2О + примеси) полученный из дизтоплива нужно очищать от СО/СО2 и примесей и подавать в батарею чистый водород. Обычно такая очистка производится на палладиевых мембранах.
4. Суть интервью - в «ЦНИИ СЭТ» разработана, изготовлена и готова к (пред-) серийному производству энергоустановка на базе собственной батареи твердополимерных топливных элементов. Это много, реально много решенных технических и технологических проблем. И если ресурс батареи составит хотя бы 2500-5000, а энергоустановки - 10000 ходовых часов - это будет значительное достижение.
ЗЫ Извините за позднее появление в теме - только что ее прочитал.