- Михаил Алексеевич, чем занимается ЦНИИ СЭТ и конкретно ваш отдел?
- Наше предприятие разрабатывает и серийно поставляет изделия судовой электротехники и в том числе системы электродвижения, разрабатывает технологии электромонтажа, а также занимается развитием технологий водородной энергетики.
До 2012 года ЦНИИ СЭТ было отдельным предприятием, а после - вошло в состав Крыловского государственного научного центра в качестве филиала.
Отдел главного конструктора (ОГК), который я возглавляю, сформирован из высококвалифицированных специалистов. Задачей ОГК является формирование научно-технической политики направления водородной энергетики, в том числе мы занимаемся анализом мировых тенденций развития технологий водородной энергетики, подготовкой документации для участия в конкурсах, подготовкой договоров и контрактов, организацией переговоров с партнерами и инвесторами, подготовкой рекламных акций, участвуем в выставках и конференциях. Также наши специалисты занимаются технико-экономическим обоснованием применения технологий водородной энергетики в той или иной сфере, а также выпускаемых изделий.
|
|
| Михаил Касаткин, начальник отдела главного конструктора направления водородной энергетики филиала "ЦНИИ СЭТ" / Корабел.ру |
- Насколько водородная энергетика актуальна для отечественного судостроения? Уже имеются примеры применения или все это находится на стадии ОКРов?
- Предлагаю начать с самого с главного, а именно с водорода. Вообще, сам водород не содержится в чистом виде в природе. Получать его можно из газообразных и жидких углеводородов, где есть С и Н, или из воды, где тоже есть водород. Это два наиболее распространенных и имеющих промышленное значение способов получения водорода, большинство других - скорее экзотика и практического интереса не представляют.
Почему сегодня существует такой интерес к этой проблеме? Во-первых, водород считается "зеленым" топливом. Во-вторых, он самый энергоемкий вид топлива, лучше водорода нет. И в-третьих, есть технология, которая позволяет без теплового цикла получать из него электроэнергию.
Традиционная цепочка получения электроэнергии имеет значительные потери: на сжигание (тепловые потери), нагрев рабочего тела (вода или пар), механическое вращение ротора турбины, передача момента на вал генератора и пр. В случае с водородом - в топливных элементах он непосредственно реагирует с кислородом (или кислородом воздуха), получается электроэнергия и тепло, других потерь нет. При этом получаемое количество электроэнергии из водорода может достигать 60-70%. В тепловом цикле такого никогда не достичь.
- Выходит, что сегодня существует тренд на экологичность?
- Все государства, которые достигают определенного уровня развития, начинают заботиться об экологии. Чем выше уровень развития промышленности, тем хуже экология, и наоборот, у развивающихся стран промышленность только начинает расти, производство небольшое, значит экология хорошая.
Поэтому те государства, в которых промышленность развита, задумываются над сохранением окружающей среды. Они приняли Парижское соглашение об ограничении выбросов СО
2, переходят на более экологичные виды топлива, а в густонаселенных городах используют электрический транспорт, тем самым перенося источник загрязнения подальше от жилья, и наконец солнце и ветер для получения электроэнергии. Некоторые делают выбор в сторону водорода, потому что в результате реакции, которая происходит в топливных элементах, вырабатывается только вода.
Почему появился интерес у правительства РФ к водородной энергетике? Никто не хочет отставать от прогресса. Многие мировые ученые и эксперты считают, что в мире начался новый технологический уклад, который достигнет зрелой фазы в районе 2040-х годов, когда просто-напросто сформируется глобальный запрет на использование углеводородного топлива напрямую. К примеру, самая продвинутая в этом вопросе – Норвегия. Она к 2025 году планирует полностью запретить бензиновые и дизельные двигатели в своей столице Осло. На улицах будут только электрические автомобили. Такие же ограничения добровольно накладывают на себя Финляндия, Швеция и Япония, а также другие страны - участники Парижского соглашения.
|
|
| Энергоустановка на топливных элементах / Фото: ЦНИИ СЭТ |
- Германия и Нидерланды вроде что-то похожее реализуют...
- Да, и во Франции, однако все эти страны планируют вводить ограничения по выбросам СО
2 в разные сроки. В Японии так вообще водородная энергетика настолько развита, что они готовы в промышленных объемах покупать водород, за Японией следует Китай с огромным объемом промышленного производства и огромной потребностью в водородном топливе. Наконец-то и мы осознали, что если не возьмемся за производство водорода, то останемся ни с чем. Надо производить и продавать, а продавать и при этом не использовать внутри своей страны совершенно неправильно и нелогично. Значит, надо непременно развивать собственную отечественную водородную энергетику. В настоящее время на самом высоком уровне готовится программа развития водородной энергетики, и, кстати, в прогнозах научно-технического развития России глава правительства РФ Дмитрий Анатольевич Медведев еще в 2013 году назвал водородную энергетику в числе приоритетных направлений научно-технического развития под номером один в разделе энергоэффективности и энергосбережения.
- Допускаю, что достаточно наивно смотрю на водород, но еще со школы знаю, что он опасен.
- Конечно. Правда, сам по себе он не опасен, водород опасен в смеси, при наличии окислителя. И уж точно он не опаснее привычных нам бензина, дизельного топлива и природного газа.
Как известно, водород – самый легкий газ, он первым стоит в таблице Менделеева. Поэтому даже если он загорится, то пламя будет распространяться исключительно вверх. Автомобили уже ездят на водороде; правда, в России пока такого нет. Я сам водил такую машину в Германии во время ежегодной водородной выставки в Ганновере. На таком автомобиле установлен бак с водородом, сжатым до 700 атмосфер. Для предотвращения при аварии взрыва на машине предусмотрены определенные механизмы защиты. Если происходит ЧП, открывается предохранительный клапан, который сбрасывает давление в баке. Если же произошло возгорание, то пламя, как уже было сказано, будет распространяться строго вертикально. Бензин бы уже просто уничтожил машину вместе со всем существующим оборудованием и, что печальнее всего, с людьми, в ней находящимися. Таким образом, водород не опаснее других видов топлива, если соблюдать правила и нормы безопасности. В своих разработках для энергоустановок на топливных элементах (ЭУ с ТЭ) мы обязательно предусматриваем мероприятия по обеспечению пожаровзрывобезопасности.
Естественно, водород опасен в замкнутых пространствах. Допустим, на атомных подводных лодках существует система по выработке кислорода для дыхания — обычный процесс электролиза. В воду опускаются два электрода, и вырабатываются раздельно кислород и водород. При этом водород, который не используется, утилизируется в специальных устройствах, а кислород используется для дыхания при длительных подводных плаваниях.
- А что происходит с водородной энергетикой в судостроительной отрасли? Вроде голландцы какие-то суда строят. Что вообще происходит в мире и на каком этапе находится Россия?
- Нидерланды и другие страны уже давно строят суда-прототипы на водороде с использованием топливных элементов, у нас таких нет.
Однако мы серьезно работаем над созданием транспортных ЭУ с ТЭ, которые могут успешно применены как на наземном, так и на морском и речном транспорте. В июне в Санкт-Петербурге проходила выставка SmartTransport. Там мы представляли вместе с "Горэлектротрансом" проект водородного трамвая.
|
|
| Макетный образец водородного трамвая / Фото: ЦНИИ СЭТ |
Сейчас макетный образец водородного трамвая с энергоустановкой на топливных элементах находится в трамвайном парке №1. Он был испытан в движении. Испытания продолжаются. Если этот макетный образец хорошо покажет себя, то нашему коллективу предстоит его демонстрация инвесторам для того, чтобы обеспечить финансирование будущего проекта по промышленному производству водородных трамваев для городской среды.
Помимо этого, коллектив направления водородной энергетики (НВЭ) ЦНИИ СЭТ разработал и продолжает совершенствовать топливные элементы, батареи топливных элементов, энергоустановки на топливных элементах транспортного и стационарного назначения. Интерес к таким установкам со стороны производителей транспорта и эксплуатирующих организаций возрастает с каждым годом. Все ждут хороших промышленных решений в этой области для внедрения.
Теперь о наших разработках в области судостроения. В 2011 году в рамках госконтракта с Минпромторгом России мы завершили проект "Разработка технологии гибридной установки мощностью от 250 до 2500 кВт на основе высокоманевренного низкотемпературного электрохимического генератора с твердополимерными топливными элементами", в результате которого создали демонстрационный образец энергоустановки "МГЭУ-60" мощностью 60 кВт с конвертором дизельного топлива. К сожалению, дальнейшего продолжения проект не получил, так как для создания полноценного опытного образца большой мощности требовались уже значительные финансовые средства, которых не было.
Коллективом НВЭ разработана технология батарей топливных элементов с протонообменной мембраной и энергоустановок на их основе, работающих на природном газе и воздухе. На сегодня создан опытный образец батареи с протонообменной мембраной единичной мощностью 5 кВт и опытный образец энергоустановки на ее основе мощностью 10 кВт. Такие энергоустановки планируется применять в составе блочно-комплектных устройств электроснабжения береговых участков газопроводов морских газодобывающих сооружений, на судах в качестве вспомогательной энергоустановки, для энергообеспечения автономных объектов и в составе электросетей малой рассредоточенной энергетики. Подобные устройства работают с меньшими уровнями шума и вибрации, выделяют меньше вредных выбросов в окружающую среду, имеют высокую энергоэффективность, работают автономно и обслуживаются один раз в год. Но, подчеркну, промышленных образцов нет, все остается на стадии ОКР.
- ЦНИИ СЭТ сегодня единственный, кто занимается развитием водородной энергетики?
- Нет, водородной энергетикой занимается достаточно много российских компаний и научно-исследовательских институтов. Они, как правило, формируют научно-технический потенциал по материалам, комплектующим, агрегатам для энергоустановок на топливных элементах. С большинством компаний и НИИ мы плотно контактируем, обмениваемся информацией и взаимодействуем при выполнении ОКР. Но мы единственные, кто работает над созданием энергоустановок на топливных элементах постоянно более 40 лет. Мы начинали с корабельных установок для подводных лодок и продолжаем эту работу. А для гражданского применения на предприятии были созданы опытные образцы энергоустановок для транспортных и стационарных объектов.
Нами созданы водородно-кислородные батареи БТЭ-50К и водородно-воздушные батареи БТЭ-50В мощностью 50 кВт. На базе таких батарей можно сделать энергоустановку большой мощности, но говорить, что ЦНИИ СЭТ может оснащать крупнотоннажные суда, наверное, рановато. Сейчас хотя бы необходимо выйти на промышленное производство мощных батарей топливных элементов, энергоустановок на их основе для судов, работающих в условиях, требующих экологической чистоты, например, в городских акваториях, портах, в Арктике и Антарктиде. У нас уже прорабатывались проекты по использованию водорода на портовом буксире мощностью около 400 кВт и прогулочном судне для городских рек и каналов. Сейчас мы хотим предложить Минпромторгу сделать автономный функциональный модуль, который можно устанавливать на любом транспортном средстве - и на судне, и на трамвае, и на автобусе. То есть такая универсальная единица для формирования энергоустановок кратной мощности.
|
|
| Технологии хранения либо получения водорода на борту объекта / Фото: ЦНИИ СЭТ |
- А чем еще, помимо экологичности, водород лучше традиционного топлива? Можете ли привести какие-то сравнительные характеристики?
- Водородная энергетика экономична. Приведу в пример тот же трамвай, о котором я рассказывал. Мы выполнили сравнительный расчет эксплуатации трамвая и грузового автомобиля в городских условиях. При заправке трамвая от водородной заправочной станции, в которой водород производится из природного газа стоимостью шесть рублей за кубометр, стоимость одного кВт*ч электроэнергии в энергоустановке выходит порядка 1,5 рубля, в то время как себестоимость кВт*ч от контактной сети у "Горэлектротранса" составляет 6,95 рублей. Понимаете, какая выгода? А если говорить о грузовом транспорте, с бензином по 40-50 рублей за литр. Выходит, что грузовик тратит с учетом его КПД в среднем 16 рублей на 1 кВт*ч электроэнергии. А у нас полтора рубля. Если включать в эту сумму окупаемость самой заправочной станции, это будет дороже, но окупаемо.
В судостроении такая же стоимость. На судах будет большая экономия, если использовать водородную энергоустановку на топливных элементах. По моим расчетам, для установки мощностью 4 МВт при месячном плавании судно сэкономит 200 тонн горючего.
- А ЦНИИ СЭТ занимается только разработкой подобного оборудования или можете проектировать суда, работающие на водороде?
- Нет, мы специализируемся только на энергоустановках. Конечно, сейчас существует требование выполнять разработку под конкретное судно. Но в том-то и состоит "изюминка" нашей технологии, что она, в отличие от дизелей и турбин, универсальна. ЭУ с ТЭ можно оснащать суда любой мощности. Если на теплоходе есть система электродвижения, вместо дизель-генератора можно поставить электрохимический генератор. Вместо запаса бункеровочного дизельного топлива можно поставить бак со сжиженным природным газом и вырабатывать водород в нужном количестве во время плавания, когда это нужно.
- Но ведь на старое судно, которое требует модернизации, не поставишь такие установки?
- Почему бы и нет? Мы же "вписались" в ретротрамвай. Хотя конечно, желательно новое судно, которое спроектировано с учетом применения подобного оборудования. Мы предлагаем проекты с использованием автономных функциональных модулей, а "Балтсудопроект" (тоже подразделение Крыловского центра) в 2012 году разработал проект экологически чистого прогулочного судна для рек и каналов. Согласно проекту, судно должно было оснащаться литий-ионными аккумуляторными батареями, но это вышло безумно дорого и тяжело. Вес батарей на 150 кВт, которых нужно аж 210 штук стоимостью по 1700 долларов каждая, составляет 4,5 тонны. Сами понимаете, как это дорого.
|
|
| Батарея БТЭ-50К / Фото: ЦНИИ СЭТ |
- Михаил Алексеевич, стало понятно, что водородная энергетика это уже не фантазия, а нечто реальное. Какие-то еще проекты были реализованы?
- Мы выполнили ряд работ по гражданскому судостроению. Например, проект "Гибрид с ТПТЭ", о котором я говорил ранее, был завершен в 2011 году. Опытный образец судовой энергетической установки на твердополимерных топливных элементах мощностью 60 кВт с утилизацией тепла в процессе конверсии дизельного топлива на борту. Тогда у нас не было батареи топливных элементов мощностью 50 кВт, мы из маленьких батарей по пять киловатт набрали 60 киловатт. Получился достаточно большой модуль. И на основе него и конвертора дизельного топлива сделали судовую установку. Причем при выработке водорода в процессе конверсии горячие выхлопные газы использовались для получения дополнительной электроэнергии в небольшой турбине мощностью 10 кВт. Почему эта ЭУ и называется "Гибрид".
В период с 2011 по 2015 год мы выполнили три работы, в результате которых была разработаны опытные образцы водородно-воздушных батарей мощностью 5 и 50 кВт, создан опытный образец автономной энергоустановки малой мощности, который впоследствии был трансформирован в контейнерный вариант. Он востребован "Газпромом", но нуждается в модернизации после стендовых испытаний.
- Может быть востребован? То есть она еще не применена?
- Нет, образец сейчас проходит глубокую модернизацию. Установка уже прошла эксплуатационные испытания, но не в составе объекта. Мы поняли, что она требует существенной доработки. Часть работ мы выполнили за счет собственных средств предприятия, но нужны серьезные инвестиции для разработки промышленного образца и организации производства.
Тем не менее, эта энергоустановка включена в технологическую дорожную карту "Газпрома", и там очень ждут наше оборудование. Известно, что они готовы покупать по 50 единиц ЭУ в год для катодной защиты трубопроводов.
- Михаил Алексеевич, на какой стадии развития сейчас находятся ваши установки, чтобы войти на рынок судостроения? Уже готовы или чего-то не хватает?
- Пока еще перед нами стоит очень много проблем. Я скажу точно, что мы очень сильно отстаем от Запада. Необходимы финансовые вложения, чтобы раскрутить всю водородную энергетику.
- А федеральные целевые программы не могут помочь? Кто вообще может стать драйвером развития этого рынка?
- Государство может помочь и не только за счет федеральных целевых программ, но и, например, на законодательном уровне, создавая макроусловия для развития водородной энергетики.
- Может, тогда нужна помощь инвесторов?
- Уже были инвесторы. Тот же Михаил Прохоров, он купил 35% акций североамериканской компании Plug Power по производству энергоустановок на топливных элементах, часть энергоустановок были поставлены в Россию. Стоило оборудование безумно дорого, а обслуживать могли только специалисты компании. В общем, не задалось, бизнес не пошел. А средства, которые бизнесмен выделял на научно-технические исследования, использовались неэффективно, были бумажные отчеты, а хорошего отечественного образца энергоустановки так и не появилось. В результате он отказался от этой идеи. Сейчас совершенно другая ситуация, заставлять покупать никого не надо, лишь бы был качественный товар и сервисное обслуживание не заоблачное по стоимости.
В развитии водородной энергетики должно участвовать государство, определять приоритеты, стимулировать развитие. Такая практика распространена во всем мире, даже в Китае, где инвесторов хватает. Государство всегда имеет контрольный пакет, оно стимулирует налоговыми льготами, дотациями. Причем стимулировать можно не только производителя, но и потребителя, как, к примеру, в Японии. В Японии есть программа NEDO, в соответствии с которой правительство Японии приняло программу развития водородной энергетики, выделив только в 2015 году 81 миллиард иен, то есть около 700 миллионов долларов. В Стране восходящего солнца уже установлено более 100 тысяч водородных энергоустановок, так называемых топливных ячеек, обеспечивающих жилые дома электроэнергией. Как это работает: жителям домов продают энергоустановки на топливных элементах за треть цены. Государство же дотирует покупку ЭУ на 70% и снижает стоимость газа на 50% для покупателей устройств. Точно такая же схема работает и по автомобилям. К примеру, "Тойота" имеет дотации и помощь государства, несмотря на то, что это далеко не самая бедная компания.
|
|
| Судовая гибридная ЭУ на основе батарей БТЭ-84 мощностью 60 кВт / Фото: ЦНИИ СЭТ |
- Соглашусь, что без государства вряд ли можно развивать такую сложную отрасль, как водородная энергетика. Михаил Алексеевич, несколько фантазийный вопрос. Допустим, государство посмотрело на перспективу развития такого направления и решило финансировать ваши разработки. В таком случае, когда в России появятся первые суда, автомобили, станции, вся инфраструктура для них, функционирующие на водороде?
- Наш водородный трамвай уже поехал, посмотрите в интернете. А если серьезно, необходимо разработать и финансировать отечественную программу развития водородной энергетики от производства водорода в качестве топлива (сейчас водород – это технический газ), его транспортировки, хранения и применения в виде энергоустановок на топливных элементах для различных транспортных и стационарных объектов. Именно это сейчас и происходит, разработку такой программы поручили Минэнерго, а драйвером выступает "Росатом", где есть свободные мощности по производству водорода. В этой программе должны участвовать все заинтересованные стороны - и производители водорода, и создатели систем транспортировки и хранения, и создатели энергоустановок на топливных элементах, специального оборудования и материалов. К сожалению, быстрого прорыва ждать не приходится, так как время упущено. Надо догонять зарубежных партнеров с тем, чтобы выйти вперед с новейшими технологиями, превосходящими зарубежные.
Можно пойти и другим путем, внедрять готовые решения, как был 10 лет назад внедрен скоростной поезд "Сапсан". Мы уже привыкли к нему, хотя был отечественный прототип – "Сокол". Подобное происходит сейчас на Сахалине. Администрация Сахалина, "Росатом", АО "РЖД" и "Трансмашхолдинг" заключили договор по оснащению местных железных дорог французскими поездами Alstom, которые работают на водороде. В перспективе мы очень надеемся, что им на смену придут отечественные поезда, оснащенные отечественными энергоустановками на топливных элементах. К этому надо стремиться. Хочется надеяться, что администрация Сахалина обеспечит приоритет этому проекту и создаст все условия для внедрения этой техники, а "Росатом" обеспечит проект водородом по ценам, позволяющим сделать его окупаемым.
Ранее в СССР было несколько успешных проектов с использованием водорода. К примеру, летающая лаборатория-самолет ТУ-154, двигатели которого работали на жидком водородном топливе. Подводная лодка "Катран" с энергоустановкой на топливных элементах. К слову, ракеты летают на водороде. На Байконуре есть завод по производству водорода.
|
|
| Подлодка "Катран" / Иллюстрация: Wikipedia |
- Тогда вернемся к водной среде. У нас есть передовые судовладельцы, которые выступают за "зеленое" топливо: "Совкомфлот", "Газпром Флот", "Роснефтефлот". Они не обращаются к вам с запросами по водородному оборудованию?
- Конечно, они заинтересованы в этих разработках. Однако говорят — дайте нам готовую энергоустановку, мы ее будем использовать. А у нас же ее нет. Надо сначала провести ОКР, сделать опытный образец ЭУ, испытать, поставить в эксплуатацию, доработать по результатам эксплуатации и освоить промышленное производство. Для этого требуются деньги. Государство может финансировать ОКР, если мы докажем, что она нужна, но далее мы должны привлекать инвесторов, чтобы пройти всю цепочку до полного промышленного внедрения. У инвесторов же нет желания платить за всю цепочку внедрения. Они согласны только использовать уже готовые энергоустановки. Видимо, со стороны государства, как это принято за рубежом, должны быть преференции инвесторам и производителям оборудования водородной энергетики.
В заключение скажу - водородная энергетика в России будет развиваться, потому что без прорывных технологий уровень научно-технического развития страны не будет отвечать требованиям нового технологического уклада. Главное не опоздать!
Материалы по теме:
Санкт-Петербург посетил уникальный катамаран, работающий на водороде (репортаж о визите судна Energy Observer в Санкт-Петербург)
Выгодно ли в России ходить по рекам на солнечных батареях? (статья о речной экспедиции "Эковолна")
Попутного солнца! (о тримаране на солнечных батареях)
В России стремительно дорожает топливо, в Европе стремительно растет флот (о росте цен на топливо)
