Академический, прикладной, эффективный

Научный руководитель Института катализа СО РАН академик Валентин Пармон считает, что настоящее мерило достижений ученого в технических науках — промышленные технологии
Академический, прикладной, эффективный
Валентин Пармон, научный руководитель Института катализа им. Г. К. Борескова Сибирского отделения РАН
Фотография предоставлена пресс-службой премии «Глобальная энергия»

Валентин Пармон — один из самых авторитетных в мире ученых в области катализа и фотокатализа, химических методов преобразования энергии, нетрадиционных и возобновляемых источников энергии, термодинамики неравновесных процессов. Академик более двадцати лет возглавляет (последние два года в качестве научного руководителя) Институт катализа им. Г. К. Борескова Сибирского отделения РАН, крупнейший в мире исследовательский центр, специализирующийся на изучении катализа и создании каталитических технологий. Летом прошлого года о каталитической химии заговорили больше обычного, когда Валентин Пармон стал лауреатом премии «Глобальная энергия». та премия — своеобразный технологический аналог Нобелевки, вручаемый за заслуги, нашедшие практическое воплощение в энергетических технологиях и проектах. Российский академик был номинирован за «прорывную разработку новых катализаторов в области нефтепереработки и возобновляемых источников энергии, внесших принципиальный вклад в развитие энергетики будущего». Достижения, за которые он был удостоен премии, как раз и заключаются в прикладном применении катализа в решении различных энергетических проблем — от нефтепереработки до получения новых видов биотоплива. Мы расспросили ученого о том, как он пришел к своим открытиям и как достижения науки находят своего потребителя.


— Валентин Николаевич, как бы объяснить неспециалисту, что такое катализ?

— Катализ — это наука о способах управлять направлением и скоростью протекания химических реакций для получения нужных веществ с помощью специальных веществ-катализаторов. Для совсем несведущих я все время повторяю, что слово «катализатор» — это не метафора, как в словосочетании «катализатор прогресса», а химический термин. Он был введен еще в 1836 году шведом Йенсом Якобом Берцелиусом. Для неискушенных в химии людей катализатор — это своеобразная волшебная палочка, прикоснувшись которой к одному веществу его можно превратить в другое. Между тем катализ — одна из самых сложных областей химии, мультидисциплинарная наука, в которой сошлись химия и физика, математика и материаловедение, а также инженерия. Это настолько непросто, что государств, владеющих полным комплексом технологий производства катализаторов, таких, например, как Россия, в мире меньше, чем производителей ядерного оружия, и, повторюсь, катализаторы и каталитические технологии — это важнейший элемент технологического базиса любой развитой экономики. Без продукции, полученной с использованием каталитических процессов, просто не было бы того огромного спектра товаров, которым пользуется современный человек. В химической промышленности 90 процентов продукции получают с применением катализаторов. Всего же доля продукции, полученной с применением таких технологий в различных отраслях (в нефтепереработке, нефтехимии, химической и пищевой промышленности, фармацевтике, энергетике и металлургии), может достигать в ВВП стран 10 процентов. Это совсем не такой маленький показатель, как может показаться на первый взгляд, ведь доля материального производства, например, в ВВП России составляет всего 40 процентов, а в США и вовсе 20 процентов.

magnifier.png Катализ — это настолько непросто, что государств, владеющих полным комплексом технологий производства катализаторов, таких, например, как Россия, в мире меньше, чем производителей ядерного оружия

— Как вы пришли в науку?

— Я за свою жизнь интересовался многими научными дисциплинами. В детстве очень увлекался биологией, был юннатом. Одновременно по нескольку дней в неделю проводил в Минском дворце пионеров в судомодельном кружке. Мое школьное детство и юношество пришлись на конец пятидесятых и шестидесятые годы — это то время, когда делались научные открытия, запускались в космос ракеты, строились большие электростанции и поднималась страна, что предопределяло и мой интерес к технике. Повезло мне, школьнику, и с преподавателями точных наук, так что я всерьез подготовился к поступлению в Московский физико-технический институт.

— Вы рассказывали, что одним из стимулов для поступления в МФТИ стало то, что там собралась сильная команда КВН.

— В те годы в обиход входил телевизор, и все видели, как блистала кавээновская команда МФТИ. Но главным аргументом был, конечно, другой: я хотел стать биофизиком. Я много чем занимался, но больше всего мне нравилась биология. В то время очень привлекательно звучало слово «бионика». А на Физтехе была кафедра биофизики, базировавшаяся на Курчатовском институте. Поступал на Физтех, а хотел попасть именно туда. На втором курсе я вообще даже захотел было уйти в «чистую» биологию, в Московский университет, но я был круглым отличником, и в деканате мне просто не отдали документы. Старшекурсники посоветовали мне не торопиться, а грамотно выбрать научного руководителя и уже по ходу дела разбираться со своими еще незрелыми научными интересами. В 1969 году моим дипломным руководителем стал молодой тогда Кирилл Ильич Замараев (впоследствии академик РАН, выдающийся советский и российский ученый физико-химик, талантливый педагог, подготовивший десятки крупных исследователей, в 1984–1995 годах возглавлял Институт катализа. — «Стимул»). С тех пор и до самой его смерти в 1996 году мы шли по жизни вместе.

— Как вы потом оказались в Институте физической химии?

— Я учился на факультете молекулярной и химической физики, нам давали диплом инженера-физика. Аспирантура у меня формально была при Физтехе. Де-факто же и дипломная практика, и аспирантура проходили в стенах Института химической физики АН СССР. Моим руководителем все это время был Замараев, который работал в ИХФ заведующим лабораторией, а в МФТИ он преподавал параллельно, занимая должность доцента. Наша лаборатория занималась делами, связанными с изучением кинетики химических превращений, новыми физическими методами, там я защищался по открытой тематике, связанной с радиоспектроскопией.

Институт катализа в цифрах

  • Катализаторы и каталитические технологии, созданные при участии академика Валентина Пармона в Институте катализа, используются на сотнях заводах в России и СНГ, на десятках предприятий США, европейских и азиатских стран.

  • Десятки миллионов долларов ежегодно составляет совокупный экономический эффект от их применения.

  • 500 млн рублей вложений в R&D и более 8 млрд рублей продукции: в результате каждый рубль, вложенный государством в разработку новых катализаторов нефтепереработки, дал на 17 рублей продукции — высококачественных бензинов — всего за три года их применения.

  • 200 кг платины — ежегодная экономия за счет применений катализаторов Института катализа для получения азотной кислоты.

  • 500 млн рублей — экономический эффект от использования катализаторов для гидрирования технических и пищевых жиров.

  • 15 тыс. тонн рисовой шелухи в России и 7–8 млн тонн в странах Юго-Восточной Азии — столько отходов ежегодно можно использовать в энергетических целях с помощью катализаторов, разработанных под руководством академика Пармона.

  • 30 млн тонн попутного нефтяного газа за счет каталитической переработки по методу Института катализа можно превратить в жидкие продукты или стандартизированное газовое топливо вместо сжигания или обратной закачки в скважины.

  • В 2–4 раза уменьшается потребление угля на котельных с технологией беспламенного каталитического горения низкосортных топлив, разработанной в Институте катализа.

— А как вы занялись фотокатализом, солнечной энергетикой?

— Я даже и не представлял себе, что буду этим заниматься. Уже на пятом курсе Физтеха я выполнил те работы, за которые мне присвоили в 1975 году кандидатскую степень, и думал, что буду строить научную карьеру в области химической радиоспектроскопии. Сложилось же по-другому. Как вы знаете, в начале семидесятых разразился очень болезненный энергетический кризис, и в Европе начали даже пересаживаться с машин на велосипеды. Любой энергетический кризис всегда стимулирует интерес к возобновляемым источникам энергии. Начали всерьез прикидывать, как жить без нефти. Нобелевский лауреат Николай Николаевич Семенов, директор Института химической физики, в 1972 году опубликовал в журнале «Наука и жизнь» подробную статью «Энергетика будущего». Анализируя общую ситуацию с энергетикой, он пришел к двум мощным заключениям. Отдаленное будущее человечества — это управляемый термоядерный синтез. Тогда его обещали через пятьдесят лет, правда, и сейчас обещают через полвека. Но быстрее, по мысли Семенова, можно научиться использовать энергию Солнца — уже действующего и практически неистощимого природного термоядерного источника энергии.

Сам Семенов — химик, и ему было интересно разработать системы преобразования солнечной энергии, по-своему воспроизводящие функции природного фотосинтеза. Когда мы начинали, было понятно, что задача разрешима: раз в природе фотосинтез работает, значит, его можно воспроизвести. А вот как — не знал никто. Семенов задействовал Замараева еще на этапе подготовки доклада, а потом сделал его своим заместителем по химии (вторым — по физике — был Жорес Алферов) в Совете по изысканию новых путей использования солнечной энергии при Академии наук. Кирилл Ильич был увлечен идеей создания искусственных аналогов фотосинтеза растений и, в свою очередь, привлек к этому делу меня, своего ученика. Так мы приступили к изучению возможности фотокаталитического преобразования солнечной энергии.

— Примерно тогда же другой нобелевский лауреат, Петр Капица, утверждал, что плотность поступающей энергии ограничена физическими свойствами среды, через которую она течет, и что поэтому у альтернативной энергетики нет серьезного будущего.

— Я могу сказать прямо: Капица сильно ошибался. Он не был химиком и поэтому не знал свойств некоторых материалов. У него была статья (публикация 1976 года в «Вестнике АН СССР», основанная на докладе, сделанном на сессии Академии наук годом ранее. — «Стимул») относительно возможности и перспектив разных способов преобразования энергии, где он для обоснования максимального количество энергии, которое можно пропустить через определенную поверхность, использовал так называемый вектор Умова—Пойнтинга применительно к электромагнитной энергии. У Капицы рассуждения правильные, за исключением того, что он не знал, что химики работают с объектами, где на один грамм веса материала могут приходиться сотни квадратных метров площади поверхности. И, вероятно, упустил из виду, что у химиков есть искусство катализа. Если бы он обо всем этом знал, у него были совсем иные выводы.

Моя докторская работа была в стране первой на тему искусственного фотосинтеза. Уже в ходе завершения работ над диссертацией мы с коллегами обнаружили, что для достижения поставленной цели можно идти и не таким сложным путем, как это происходит в природе. Здесь в преобразовании энергии света участвует очень сложная в химическом плане система, которая создавалась и совершенствовалась природой миллиарды лет. Вместо этого было решено использовать сконцентрированный солнечный свет для зажигания реакции с последующим накоплением энергии с применением катализаторов. Первую такую установку мы собрали в середине восьмидесятых годов и испытали ее в Крыму. Даже опытный образец, собранный, что называется, на коленке, показал почти 45-процентную эффективность преобразования солнечной энергии в химическую. Честно говоря, тогда мы и сами такого КПД не ожидали. У наших коллег из более солнечных стран — Израиля, Испании, Австралии и других — догнать нас так и не получилось. После наших работ к нам обратились военные, которые интересовались лазерным оружием и умели делать превосходные концентраторы солнечного света. При взаимодействии с ними мы в моей лаборатории каталитических методов преобразования солнечной энергии разработали и даже изготовили солнечный каталитический реактор очень приличной мощности. Дальше ожидались испытания. Первые — наземные, но и для космоса тоже обсуждали. Хорошая система, которая позволяет аккумулировать небольшие потоки исходной энергии, а потом использовать когда нужно и сколько нужно. Но случился 1991 год, эта работа, как и многие другие, оказалась замороженной.

В прошлом году Валентин Пармон стал лауреатом премии «Глобальная энергия».
В прошлом году Валентин Пармон стал лауреатом премии «Глобальная энергия»     
Фотография предоставлена пресс-службой премии «Глобальная энергия»

— Вы говорите о лаборатории, работающей уже в стенах Института катализа, где исследования по фотокатализу продолжились уже после вашего переезда в Новосибирск?

— Туда я попал в 1977 году в составе достаточно многочисленной команды молодых выпускников Физтеха — специалистов по химической физике, поехав вслед за Замараевым, которого, в свою очередь, пригласил тогдашний директор Института катализа Георгий Константинович Боресков. Академик Боресков — выдающийся химик и, что важно отметить, инженер. Он был одним из пионеров советской каталитической науки и создавал катализаторы и каталитические технологии еще в начале тридцатых годов, а после создания Сибирского научного центра стал инициатором создания в Новосибирске Института катализа. Кстати, наш институт — результат партийного решения. В 1958 году, после расширенного майского пленума ЦК КПСС, главным лейтмотивом которого стало развитие индустрии полимеров, в Советском Союзе началось бурное развитие химической промышленности. Было создано 17 отраслевых и три академических института, построено много заводов. Наш институт стал первым в мире научным центром катализа, основной задачей которого помимо научной составляющей было налаживание взаимодействия с промышленностью. Из-за этого наш институт не хотели даже брать в Академию наук.

— Слишком прикладной?

— Считали, что слишком. Да, Институту катализа всегда был свойственен определенный дуализм: это и академический институт, где проводились фундаментальные исследования, и одновременно место, в котором сразу же занялись разработкой самих катализаторов и каталитическими технологиями, внедряемыми в промышленность. При создании института сразу был организован опытно-химический цех, где можно было получать и испытывать в работе небольшие партии наших катализаторов. Это внушало нашим заказчикам из промышленности намного больше доверия, чем какая-то чисто лабораторная разработка, выполненная «в пробирке». Так что у нас в институте никогда не было жесткого разделения на научные исследования и производство. Все это шло рука об руку, в симбиозе: генерируя новые знания, мы их сразу могли применить для отработки модельных катализаторов, тут же вникая в запросы производственников. Естественно, это значительно сокращало путь от идеи до внедрения. То есть с точки зрения академической фундаментальной составляющей мы занимаемся изучением каталитических явлений, в том числе фотокатализа и катализа в природе, работаем над созданием единой теории катализа, предвидением каталитического действия. А со стороны прикладных исследований — разрабатываем сами катализаторы и каталитические процессы для различных отраслевых технологий. Если говорить об энергетике, то такие катализаторы и технологии нужны в нефтепереработке, нефтехимии, а также для преобразования и аккумулирования различных видов энергии. А сейчас и для эффективного использования возобновляемых и нетрадиционных энергоресурсов.

— Ваш институт в девяностые годы на зависть многим другим академическим организациям смог неплохо встроиться в новые коммерческие условия существования.

— В Новосибирске не бедствовали и Институт ядерной физики, и целый ряд других прочных академических институтов. Что касается нас, повторюсь: катализ как научная дисциплина всегда находится на стыке фундаментальной науки и прикладных задач, и промышленность напрямую заинтересована в результатах нашей деятельности. Поэтому в новосибирском Институте катализа с советских времен много занимались именно прикладными исследованиями, выполнялось много работ для отечественной промышленности и энергетики. Так что к моменту распада Советского Союза коллектив института был уже вполне подготовлен к работе в рыночных условиях. К тому же мы были обладателями накопленного в предыдущие годы сильного фундаментального и междисциплинарного научно-технологического задела.

magnifier.png У Капицы рассуждения правильные, за исключением того, что он не знал, что химики работают с объектами, где на один грамм веса материала могут приходиться сотни квадратных метров площади поверхности

Нам удалось переналадить работу института в новых условиях, превратив его в исследовательский центр, скажем так, еще более нацеленный на запросы промышленных потребителей. Умение работать в конкурентной среде оказалось не менее интересным, чем занятия исключительно фундаментальной наукой. Конечно, в наших разработках продолжали нуждаться (и нуждаются) такие небедные отечественные отрасли, как нефтепереработка и нефтехимия. Наш институт одним из первых среди академических начал заключать международные контракты и лицензионные соглашения, и в эти в целом тяжелые для российской промышленности времена основными потребителями инновационных разработок института катализа были зарубежные компании. В девяностые годы более половины нашего бюджета составляли деньги, приходившие из-за границы. Благодаря валютным поступлениям мы неплохо развивались. Мы везде приводим такие цифры: по финансовым итогам 1999 года за счет роялти и контактов с зарубежными фирмами мы получили (в твердой валюте) 70 процентов общего бюджета института, а от государства — только 17 процентов, причем отдали государству в виде налогов 22 процента от нашего бюджета, то есть больше, чем получили.

— Чем вы объясняете коммерческий успех института за рубежом?

— Академик Кирилл Ильич Замараев, директор нашего института в те годы, имел самые широкие научные связи за рубежом, и во многом мы сумели их капитализировать. К тому же надо понимать, что научные организации нашего профиля в мире были созданы позже новосибирской, и к девяностым годам в некоторых областях они нас не догнали — ни по кадровому потенциалу, ни по некоторым продуктам и технологиям. Надо понимать, что исследования в области катализа очень дороги, и даже крупным химическим корпорациям чрезвычайно накладно финансировать весь цикл работ от фундаментального исследования до инженерной разработки. Поэтому в своей инновационной практике они зачастую выуживают в профильных лабораториях университетов во всем мире промежуточные результаты, а потом уже сами «доводят» их до промышленного применения. А в Новосибирске полный исследовательский цикл в одном институте уже существовал, причем с широким спектром продуктов в высокой для реализации степени готовности, в разработку которых в свое время уже были вложены огромные деньги. В результате взаимодействия с нами химические компании в ряде европейских стран, в частности, освоили выпуск и широкое использование для производства полиэтилена и специальных марок полипропилена более эффективных, чем у них были до того, катализаторов по разработкам нашего института. Одну из технологий мы передали голландской компании DSM, производили ее и использовали и в Америке, и в Европе. Поэтому практически весь полипропилен еще в первом десятилетии двадцать первого века в Западной Европе производили на наших катализаторах. Затем, правда, наши голландские партнеры перешли на новую технологию, и надо было менять катализатор. А производство полимеров компания DSM продала компании Sabic из Саудовской Аравии. Арабам стали принадлежать заводы в Европе, и уже Sabic недавно поставила на производство новую версию разработанного нами катализатора. Американская компания Monsanto Enviro-Chem до сих пор производит установки для очистки промышленных газовых выбросов от органических загрязнений с помощью нашей технологии реверс-процесс. В Польше успешно функционирует завод по производству высокооктанового бензина по разработанной нами технологии цеоформинг. Есть и другие примеры.

magnifier.png Миллиардные доходы получают предприятия, где внедрены наши катализаторы и каталитические технологии для производства бензина стандартов «Евро-4» и «Евро-5»

— Валентин Николаевич, какие разработки, сделанные в вашем институте, вы бы назвали самыми интересными?

— Вы знаете, после довольно долгого перерыва многие наши наработки все чаще востребуются в самой России, а некоторые из них уже сейчас приносят значительный экономический эффект. Например, миллиардные доходы получают предприятия, где внедрены наши катализаторы и каталитические технологии для производства бензина стандартов «Евро-4» и «Евро-5». В начале десятых годов государство вложило в исследования и разработки нашего института полмиллиарда рублей, но только за три года применения их результатов было выпущено высококачественного и высоколиквидного топлива более чем на восемь миллиардов. Сейчас мы на стадии запуска каталитических технологий переработки попутных нефтяных газов в жидкие продукты или в газовое топливо, пригодное для местной энергетики. Это чрезвычайно важно, ведь сейчас до 30 миллионов тонн такого газа сжигается или закачивается обратно в скважину исключительно потому, что без такой переработки его сложно транспортировать. Построено несколько котельных, работающих по созданной нами технологии беспламенного каталитического горения с использованием низкосортного угля. Режим работы таких котельных позволяет, в отличие от стандартных, чрезвычайно гибко в десятикратном диапазоне менять мощности и выработки тепла, подстраиваясь, например, под погодные условия и снабжая дома комфортным теплом без перетопов. Одновременно ликвидированы выбросы токсичных веществ в дымовых газах; котельные не дымят вообще. При этом расходы самого топлива сокращаются по меньшей мере в два раза. После несущественной регулировки в них можно использовать различные типы биотоплива — опилки, шелуху, отходы пищевой промышленности или водоочистных сооружений. Что касается непосредственно самих биотоплив, они в области возобновляемых источников энергии. Мы сейчас много работаем в этой области. В частности, создаем перспективные каталитические технологии для производства высококачественных моторных топлив, включая авиационные, с использованием биомассы растений или тех же отходов, миллионы и миллионы тонн которых образуются и накапливается в результате деятельности человека.

Катализ на рассеянной полупроводимости

Мировая известность к академику Валентину Пармону пришла в 80-х годах прошлого века, когда им были разработаны научные основы фотокаталитических и термокаталитических методов с преобразованием высокоэнергетического синтез-газа. Он впервые продемонстрировал возможность создания высокоэффективных каталитических систем для получения водорода из водных растворов сероводорода на основе полупроводников, образующих микрогетеропереходы для получения водорода из водных растворов сероводорода. Тогда же под руководством Валентина Пармона были сконструированы и испытаны не имеющие мировых аналогов солнечные каталитические реакторы. На опытных образцах полезной мощностью 2 кВт была достигнута эффективность преобразования солнечной энергии в химическую (синтез-газ) на уровне 43%. Этот результат остается в мире непревзойденным.

Академик Пармон разработал принципиально новый подход к прямому преобразованию ионизирующего излучения в энергию химического топлива. В результате предложен и испытан в лабораторных условиях принципиально новый энергозапасающий и энергопреобразующий процесс ИКАР, который может быть использован для решения многих проблем ядерной и термоядерной энергетики будущего. Им же созданы и испытаны не имеющие аналогов катализаторы на основе оксидов урана, комбинирующие функции ядерного топлива и катализаторов для резервирования химической энергии.

Помимо разработки перспективных направлений каталитических технологий для ядерной энергетики и увеличения эффективности сжигания топлива Институт катализа, в котором академик Пармон занимает должность научного руководителя, обладает сейчас существенным потенциалом для увеличения количества современных катализаторов и каталитических технологий в нефтепереработке, востребованных рынком, например, для процессов гидроочистки и гидрокрекинга.

Кроме того, институт как авторитетный исследовательский центр встроен в мировое прикладное научное разделение труда: существенную (до 40%) долю его внебюджетных поступлений составляют гранты, заказы и подрядные исследования. Например, в начале 2012 года в Сколково был создан Центр прикладных исследований интенсификации теплообмена и катализа. Десять миллионов долларов инвестиций в него были выделены фондом «Сколково» (65%) и нефтяной компанией «ВР Россия» (35%). Проект был реализован в течение трех лет Институтом катализа, Новосибирским госуниверситетом и Имперским колледжем Лондона. Проект был нацелен на 15-процентное снижение потерь тепловой энергии при переработке нефти за счет борьбы с образованием отложений внутри технологических установок и других методов активного воздействия на нефтяное сырье. Британский колледж работал над улучшением дизайна теплообменного оборудования, Институт катализа по коммерческому договору занимался разработкой более совершенных катализаторов.

Еще по теме