Русская езда на водороде

Недавно мы рассказали о группе компаний «ИнЭнерджи», которая занимается разработками и поставками водородных топливных элементов — одной из самых перспективных разновидностей «зеленой» энергетики. Разработки этой компании во многом основаны на достижениях Центра компетенций НТИ по технологиям новых и мобильных источников энергии, который создан на базе Института проблем химической физики РАН в Черноголовке. Руководит центром доктор химических наук Юрий Добровольский, глава «ИнЭнерджи» Алексей Кашин — аспирант Юрия Анатольевича. Рассказывали мы и о совместном проекте Центра компетенций, «ИнЭнерджи» и компании «Миландр» — разработчика и производителя электрической силовой установки — по созданию электросамолета на водородном источнике питания.

Юрий Добровольский не случайно возглавляет Центр компетенций НТИ. Он занимается этой тематикой уже много лет, еще с советских времен, считается ведущим российским специалистом в этой области. В начале этой деятельности он был одним из ведущих участников проекта «Норильского никеля» по водородной энергетике, который завершился без внятных результатов. Мы начали нашу беседу с вопроса: почему так произошло?

— Я могу высказать свою точку зрения, поскольку я был одним из руководителей довольно крупной части проекта по «Норникелю». Давайте начнем с положительных результатов. Не будь программы «Норникеля», у нас бы не было нынешних топливных элементов. Хотя мы начали их разрабатывать лет за пять до того, как к нам пришел «Норникель», но вспомните начало 2000-х годов, каким было финансирование науки. Так что, не будь у нас денег «Норникеля», мы бы сегодняшнего уровня точно не достигли. И «Норникель» ставил тогда достойную задачу: «Давайте сделаем хоть что-то на мировом уровне», —благо что на мировом уровне эта тема еще только-только начинала развиваться.

Но, к сожалению, закончилось это весьма плачевно для нас: мы недополучили некие суммы денег. А разговоры о том, что у нас был недостаточный уровень науки, технологий, — неправда. Просто оказалось, что «Норникелю» проще было купить плохенький, но уже существующий на тот момент завод в Америке. И все деньги, которые должны были пойти на развитие российского производства, пошли на покупку в Америке завода PlugPower. Оказалось, что наша работа и разработки не нужны, а надо было купить завод.

— А почему потребовалось столько лет после того, как «Норильский никель» вышел из проекта, чтобы достичь сегодняшнего уровня?

— Не так много лет. Мы уже в 2010-х начали выпускать первые маленькие источники. А под «Норильским никелем» разработка так и не успела дойти до конечных изделий. Дело как раз прекратилось, когда было сформировано несколько групп, которые занимались отдельными компонентами, компоненты уже работали, но дальше должна была начаться самая сложная работа — соединить их в систему, а потом из этой системы сделать продукт. И на самом деле это гораздо сложнее. Это, может, менее интеллектуальная работа, но она очень трудоемкая и очень дорогостоящая. Само научное исследование существенно дешевле.

— А что входит в состав такой разработки?

— Катализатор, мембрана, биполярные пластины. Потом начинается их соединение: последовательное, параллельное, герметизация. Там очень много технологических вопросов. Если говорить о сегодняшнем моменте, то, скорее, речь идет об улучшении некоторых функциональных свойств, но в основном мы уже решаем экономические вопросы — уменьшение цены.

— То есть принципиальные проблемы решены?

—- Для некоторых областей — да. Для транспорта, от маленького до большого. Можем поставить свой топливный элемент на нормальную машину. А за рубежом уже это сделали: например, уже продается Toyota Mirai — водородный автомобиль. Toyota начинала чуть пораньше, чем мы с «Норникелем», и, видите, они уже машины поставили на производство.

— У вас уже есть элементы для решения таких задач?

— Да, у нас с нашим бизнес-партнером, компанией «ИнЭнерджи», есть элементы разной мощности. Самое большое, что мы умеем делать, — 30–35-киловаттные источники. Этого уже достаточно для неплохой машины. А мы пока запускаем двухместный самолет «Сигма-4», о котором я вам уже рассказывал, на водородных элементах.

Toyota Mirai — водородный гибридный автомобиль на топливных элементах. Впервые был представлен в ноябре 2013 года на Токийском автосалоне

Wikipedia

Первым делом самолеты

— Как и почему вы занялись самолетами?

— Дело в том, что после ухода «Норникеля» у нас наступило некоторое уныние, стало понятно, что российской промышленности в то время это не надо было и нам как-то придется своими силами во всем этом жить. Но помогла, опять-таки, случайность. Наши будущие коллеги в Центральном институте авиамоторостроения пытались сделать демонстратор маленького беспилотника на топливных элементах и закупили их в Сингапуре. Но, когда оказалось, что они плохо летают, они обратились к нам: что происходит? Мы внимательно прочитали инструкцию, и обнаружили, что эти элементы вообще при отрицательных температурах не работают. А то, что мы делали, вполне для этих целей годилось. То есть получалось, что мы можем просто поменять сингапурский элемент на свой, это мы с ЦИАМом и реализовали. И уже через год их беспилотники летали на наших топливных элементах, работающих в гораздо более широком интервале температур.

На тот момент это были игрушечные модельки, топливные элементы там стоят совсем маленькие. Но у ЦИАМа разыгрался аппетит, и они захотели сделать большие беспилотники и продемонстрировать их с рекордными характеристиками. И тогда началась наша работа с ними, с Объединенной авиастроительной корпорацией, над беспилотниками на наших топливных элементах.

— А для больших самолетов водородные элементы могут стать основным источником?

— Нет. Но мы знаем, что и Boeing, и Airbus изготавливают вспомогательную силовую установку самолета на основе топливных элементов, поскольку стало понятно, что литий-ионных аккумуляторов не хватает для больших самолетов. И мы обсуждаем такой вариант с ОАК.

Но, если говорить о средней авиации, той, что называется региональной, то с большой вероятностью можно будет сделать самолеты пассажировместимостью от шести до двенадцати человек. Над такими проектами работа вовсю идет за рубежом из-за повышения норм экологической безопасности. В Европе, например, очень жесткие экологические нормы, и уже сейчас на многих европейских реках запрещено использовать двигатели внутреннего сгорания на судах. А у нас пока над этим никто особо не задумывается, хотя первый электроход (на гальванических элементах) был запущен у нас, в России, на Неве, академиком Якоби в 1838 году.

— И на чем же они плавают?

— На электричестве. Я в Австрии несколько лет назад с этим столкнулся, когда был в гостях у коллеги, и оказалось, что на конкретном озере и речке нельзя использовать ничего, кроме электродвигателей.

— На сколько такого элемента хватит применительно к самолетам?

— Американцы показали такие самолеты, которые летают где-то 500 километров на водородных элементах, что значительно дальше, чем на литий-ионных аккумуляторах, и уже почти везде достаточно для региональной авиации.

Но у наших авиаторов, в отличие от американских и европейских, сильный скепсис ко всему, что происходит в мире, поэтому создание двухместного самолета — это первый шаг, чтобы продемонстрировать, что это работает и этим можно пользоваться. ЦИАМ ведет проектную работу с учетом нашего опыта: как должна выглядеть установка для большого самолета. Но, насколько я понимаю, эта работа ведется в факультативном порядке, а здесь нужны значительные финансовые вложения, потому что это действительно очень сложная система. Но мы надеемся убедить авиаторов, что надо в это вкладываться.

Электромагнитный бот Якоби на Неве

Wikipedia

Как перепрыгнуть ров

— Вы сказали, что еще до «Норникеля» занимались источниками тока…

— В советские времена существовал Институт новых химических проблем РАН, который занимался в основном техническим обеспечением космоса и некоторых военных потребностей. Там 55 лет тому назад образовалась лаборатория, которая занималась твердыми электролитами для разных источников тока, где я работал.

Это были разные прикладные задачи, но была и достаточно большая фундаментальная наука. И над топливными элементами мы начали работать еще в советское время.

Теперь мы входим в Институт проблем химической физики РАН, и у нас высокого уровня фундаментальная наука в области ионной проводимости, ионных проводников, а это один из основных вопросов в области источников энергии.

В 1990-е, когда совсем стало плохо с финансированием и с выживанием академии, к тому же исчезли прикладные институты, и от фундаментальной науки до практики был ров, который перепрыгнуть было нельзя, мы решили часть своей работы посвятить тому, чтобы доводить наши разработки до опытных образцов, — раньше это делали прикладные институты. То есть мы всё, от материала до изделия, причем комплексного изделия, делаем в одном цикле внутри одного отдела.

— Комплексного..?

— Например, мы выпускаем беспилотные летательные аппараты, внутри которых стоит наш источник питания, то есть решаем всю проблему комплексно, потому что это современный подход. Нельзя конструировать отдельные детали, нужно конструировать всё вместе.

— У вас работают и разработчики самих беспилотников?

— Наш конструктор работает напрямую с конструктором беспилотника. Мы делаем общее изделие, поставляем туда часть устройств и вместе поставляем уже готовое изделие.

Невозможно сейчас работать в таких быстроразвивающихся областях, как наша, если нет непосредственной связи с конечным потребителем. И это нам хорошо удается.

А полтора года тому назад в рамках НТИ возникла идея создать центры сквозных технологий. Что значит сквозных? НТИ представляет собой набор рыночных программ, про которые, наверное, многие слышали: «Автонет», «Аэронет» и так далее. Оказалось, что у всех них есть общие проблемы, которые надо как-то решать. Решением таких проблем и занимаются центры сквозных технологий. Например, наш центр посвящен мобильным источникам энергии для любой техники, будь то самолеты, автомобили или вообще роботы. Таких центров создано четырнадцать, по одному на каждую тему. И на базе нашего отдела создан и развивается Центр компетенций НТИ «Технологии новых и мобильных источников энергии».

— А как вы в НТИ попали?

— Меня пригласили в качестве эксперта участвовать в «Форсайт-флоте». Это был 2015 год. Я мог пойти в «Энерджинет», мог пойти в «Аэронет», «Автонет». Мы многими проблемами занимались. Но я пошел в «Аэронет» и сейчас состою в его рабочей группе. И занимаюсь там всем, что касается источников энергии для беспилотной авиации. И, кстати, если говорить о водородном самолете, то затраты на его приобретение, на то, чтобы сделать этот самолет и продемонстрировать, — всё делается за счет Центра компетенций.

— В своем центре вы занимаетесь только топливными элементами?

— Центр занимается созданием вообще новых электрохимических источников энергии. Это аккумуляторы. Это первичные батареи. Это топливные элементы. И водородные, и метанольные, и биотопливные. Но водородные ближе всего к практической реализации. Их уже можно ставить в изделия, с ними уже можно работать. Остальные — это чуть-чуть подальше. Но если мы не будем их разрабатывать, то отстанем. Поэтому мы себе поставили задачу внутри центра компетенций не терять эти технологии, а за собственные деньги продолжать их разрабатывать, пока они не дорастут хотя бы до того, что можно продемонстрировать, то есть до образцов, которые хоть какой-то практический смысл имеют.

Третье направление нашей работы — это редокс-батареи для накопления энергии, не для транспорта, а для электростанций, для домов.

Немного мы занимаемся и суперконденсаторами, но там нет уже науки как таковой. Там все отработано, нужно проводить ОКРы и запускать в производство. Этим должен заниматься бизнес, а не центр компетенций.

И еще мы осуществляем экспертную оценку проводимых в стране работ по нашей тематике. Если вы прочтете информацию о том, что некая фирма создает автомобиль, который послезавтра поедет на графен-магниевых аккумуляторах, то мы вам скажем, что никогда графен-магниевых аккумуляторов не будет. Их не может быть по определению. А интернет этим пестрит.

Причем легкие топливные элементы для техники мы делаем лучше всех в мире. В этом мы конкурируем с двумя-тремя ведущими мировыми фирмами. В России мы ни с кем не конкурируем — не с кем. Хотя надо понимать, что этот рынок вообще небольшой, фирм там не очень много.

А раз мы находимся в конкурентной позиции, значит, у нас есть шанс, когда этот рынок дозреет, стать одним из ведущих игроков на нем. И спасибо военным, они это понимают и поддерживают нас денежно.

Кроме того, мы активно работаем с космосом. Мы делаем зарядки для раций на топливных элементах, электролиты для предприятия «Сатурн», которое выпускает аккумуляторы для космоса.

— Вы сказали, что топливные элементы для техники вы делаете лучше всех в мире…

— Для самолетов самая важная величина не с каким КПД вы производите энергию, а сколько энергии на единицу носимой массы вы можете генерировать. По этой характеристике — мощность, деленная на массу, — у нас сейчас самый лучший в мире топливный элемент. Они не годятся для больших применений, сразу скажу, это именно для беспилотников, для робототехники.

Кроме того, наши конкуренты из Сингапура, из Америки не понимают, что в России минус 40 градусов — это нормальная температура. Поэтому их устройства уже при плюс пяти не могут работать. Нам пришлось из-за российских условий обеспечивать топливные элементы и аккумуляторы возможностью запускаться при очень низких температурах. Мы при минус 34 запускали: поставили на сутки наш элемент на мороз, а потом запустили.

Создать инфраструктуру

— А как быть с инфраструктурой снабжения водородом?

— Это самое сложное, но, собственно говоря, когда любая техника появляется, это и есть самое сложное. Но в России сейчас начинается распространение газотранспортных средств и, соответственно, газовых заправок. Они замечательно комплексируются с водородом, потому что природный газ можно прямо на месте, никуда не переходя, превращать в водород. Одна колонка будет для заправки природным газом, а другая — водородом. Причем это не очень дорогой процесс.

На Западе, кстати, уже есть целая система водородных заправок. В Калифорнии вообще есть целые водородные дороги — тысячи километров, на которых у каждой обычной заправки есть водородная.

Там довольно много водородных автомобилей, автобусов. Почти во всех крупных городах с начала 2000-х есть водородные автобусы. Например, в прошлом году они появились в Риге.

Можно идти и другим путем. Поскольку мы много занимаемся беспилотниками, у нас встает необходимость заправлять их в полевых условиях, для этого мы создаем сейчас несколько установок, которые позволяют получать водород прямо «в поле».

— То есть вы не везете туда баки с водородом?

— Для некоторых задач, когда водорода нужно много и регулярно, проще сделать баки и оттуда перекачивать в маленький бак, который на транспорте. Но это не всегда возможно: далеко везти, а легче везти, условно говоря, химические реагенты, которые не очень много весят, и прямо «в поле» водород генерировать и накапливать. Это разные решения, и какое из них более правильное, мы пока не знаем. Более простое, конечно, из бака перекачивать в бак. Более интересное, но пока более дорогое, — вырабатывать на месте.

Понятно, что две технологии: запасание энергии в аккумуляторах и наработка энергии в топливных элементах — будут конкурировать, но, скорее всего, ни одна не победит, поскольку у них просто цели разные и задачи разные. В городах легче заряжаться от аккумулятора, когда вы проезжаете сто километров, то можно на каждом углу сделать розетку, понятное дело, что это проще. Пока вы ходите в магазин, у вас аккумулятор заправится. Для водорода это не получится, вы должны на заправку поехать и заправиться, но за счет большей энергоемкости можно ехать существенно дольше. А для общественного транспорта, когда возить надо много, это уже совсем по-другому смотрится, потому что электробус на аккумуляторах везет только аккумуляторы и чуть-чуть пассажиров.

«Мы не хотим регистрироваться у них»

— Мы познакомились с вами благодаря вашему сотрудничеству с компанией «Миландр». А как возникла ваша кооперация с «Миландром»?

— О «Миландре» мы узнали, поскольку мои коллеги очень интересуются мотоспортом, а в «Миландре» делают свои электромотоциклы, участвуют в гонках. Поехали к ним и обнаружили вполне приличный электродвигатель и, более того, рекомендовали его нашим коллегам из «Аэронета», которые занимались электродвигателем. И они сделали работу для наших коллег. А дальше увидели, что они научились хорошо укомплектовывать аккумуляторные батареи, иногда лучше нас, то есть у них инженерная смекалка ничуть не хуже, а иногда лучше нашей. И поняли, что с ними можно заниматься комплексными задачами. А сейчас мы сотрудничаем при подготовке нашего самолета.

— А ваш бизнес-партнер «ИнЭнерджи»? Как возникло это сотрудничество?

— Это целая череда случайностей. Они приехали из Оренбурга уже готовой фирмой, которая пыталась специализироваться на поставке топливных элементов в Россию. Они ничего сами не разрабатывали на тот момент, но во время семинара в Объединенном институте высоких температур, где я делал доклад, коллеги просто подошли в перерыве и сказали: «Мы такие-то. У нас есть несколько привезенных из-за рубежа установок. Не можем ли мы у вас установить их и протестировать?» Ответ, конечно, был «можете».

Это были накопители энергии нескольких типов. Но меня больше всего интересовали на тот момент резервные источники питания на водороде для телекоммуникаций. Замечательные были штуки. Для меня это тоже был хороший опыт. В конце концов эта фирма переехала из Оренбурга и оказалась в Черноголовке. Они поставили первые установки и начали собирать коллектив. Понятно было, что западные установки надо все равно как минимум модифицировать технически под российский рынок, так как западные и наши условия не совсем совпадают. И они, поработав с нами, поняли, что вообще-то лучше начинать делать самим, а не только завозить. Им пришлось переехать в Москву, компания стала расти, и в соучредители были приглашены несколько интересных бизнесменов, работающих в наукоемких областях, а у нас возникло сотрудничество уже на договорной основе. Мы создали совместную лабораторию, они ее частично финансировали. Проводим R&D по их заказу на вполне обычных финансовых условиях: они платили деньги, мы с ними вместе дорабатывали и делали их изделия. А руководитель компании даже стал моим аспирантом.

Такая вот случайная встреча, которая позволила этот рынок немножко сдвинуть. Ведь раньше по этой тематике не было ни одной организации, которая работала бы на гражданский рынок.

— Думаете ли вы выходить рано или поздно на взаимодействие с иностранными фирмами по части поставок ваших элементов для каких-то их целей?

— И да и нет. Сначала «да». Много иностранных фирм просят с нами поработать. Только вчера мы начали подписание договора с китайским технопарком, который хочет совместно с нами выпускать продукцию, продавать ее в Китае. Не мы их искали, они нас нашли. С китайцами мы будем делать, это точно, и аккумуляторы, и топливные элементы, и, скорее всего, квадрокоптеры.

А европейцы и особенно американцы советуют нам: зарегистрируйтесь у нас, и всё будет замечательно. Наша принципиальная позиция: мы не хотим регистрироваться у них, мы хотим выпускать здесь, и пусть покупают. Пока мы их опережаем, у нас такой шанс сохраняется: мы реально находимся на уровне конкуренции с основными западными производителями такой же продукции.

Готовится к запуску двухместный самолет «Сигма-4» на водородных элементах

Авиару.рф

— А на Западе каков масштаб этих исследований?

— На порядки больше, не на один порядок, а на десяток порядков, чем у нас. По финансам нас не видно на уровне всех остальных. Зато у нас очень неплохо с публикациями: например, две статьи за прошлый год в Nature Communications. И у нас в центре работают ученые, у которых индекса Хирша от 30 до 50, это штучные люди вообще в мире, поэтому мы можем уверено говорить, что наш научный уровень действительно высокий.

— Вы патентуете свои достижения?

— Немного, потому что это опасная вещь. Мы не раз сталкивались, особенно при работе с иностранными фирмами, что в результате патентования у вас уводят ваши достижения… Если мне самому попадает чей-то патент в руки, я легко его перепатентую, найду пути обойти его. Так что идея стоит гораздо дороже, чем любой патент. Да, от нас требуют их писать, мы пишем, но стараемся писать очень аккуратно, чтобы не открывать сути, и на темы, которые на самом деле не очень будут востребованы, потому что то, что востребовано, мы продаем вместе с технологией как ноу-хау.

Для крупных фирм патентование, наверное, интересно, поскольку они могут защитить свой патент. А для маленькой фирмы или Академии наук это вообще бессмысленно. Когда кому-то это нужно, мы их пишем конкретно под продажу. Мы продаем лицензии, это не очень большие суммы и нам кажется, что это неправильный подход, но все равно продаем.