Доктор технических наук Б. А. СОКОЛОВ, директор Программы по энергоустановкам, кандидат технических наук С. А. ХУДЯКОВ, заместитель директора этой Программы(Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С. П. Королева)

Концепция экологически чистой водородной энергетики зародилась в середине 70-х годов XX в. как естественная реакция на надвигающийся энергетический кризис. Мировые запасы нефти и газа, согласно прогнозам, окажутся в основном исчерпанными в первой половине XXI, а угля - в XXII в. Однако даже если будут найдены месторождения других углеводородов (скажем, газогидратов - газа в твердой форме) и разработаны методы их эксплуатации, продолжение ориентации на их сжигание грозит значительным увеличением содержания в атмосфере углекислого газа. А это может способствовать глобальному потеплению, чреватому таянием ледников Арктики и Антарктики, затоплением многих островов и побережий материков, нарушением условий сельскохозяйственной деятельности и т.д.

Переход на водородное топливо позволит избежать подобных коллизий, ибо необходимое сырье - вода - неисчерпаема. Получать же водород предполагают с применением чистых источников первичной энергии: невозобновляемых, но практически неограниченных по ресурсам (атомная, термоядерная энергия), и возобновляемых (солнце, ветер, морские приливы, биомасса и т.д.). Согласно отечественной концепции атомно-водородной энергетики среди способов производства Н₂ наибольший интерес представляют электролиз, термохимические и комбинированные термоэлектрохимические циклы. Созданная в нашей стране база позволяет приступить к их освоению уже в ближайшее время.

В последнюю четверть XX в. началась коммерциализация водородной энергетики, соответствующих технологий и аппаратуры. Крупнейшие компании США, Японии, Германии активно участвуют в гонке за "водородный" автомобиль. А немецкие специалисты накапливают опыт создания и эксплуатации заправочных станций для такого транспорта. И в 2005 г. весь городской автобусный парк Гамбурга предполагают перевести на данный вид топлива. По относительно невысокой цене его планируют производить на гидроэлект-

стр. 4

стр. 5

Энергоустановка автомобиля "Антэл-1":

1, 6 - баллоны с кислородом и водородом соответственно;

2 - система управления;

3 - форсированный щелочной электрохимический генератор;

4, 5 - блоки подачи водорода и кислорода соответственно.

стр. 6

Компоновочная схема автомобиля "Антэл-2":

1 - водородно-воздушный электрохимический генератор; 2 - система управления электроприводом; 3 - заправочное устройство; 4 - блок питания; 5 - водородные баллоны; 6 - система управления источниками питания; 7 - буферная аккумуляторная батарея; 8 - система очистки воздуха; 9 - воздушный компрессор-эспандер; 10- электродвигатель.

ростанциях Канады и затем морским путем перевозить в сжиженном состоянии в Европу.

Россия имеет большой научный и технический задел в данной области и по теоретическим, концептуальным разработкам находится на современном мировом уровне. Много для этого сделала Ракетно-космическая корпорация (РКК) "Энергия" им. СП. Королева - единственная в нашей стране организация, создавшая вместе с Уральским электрохимическим комбинатом (УЭХК) и другими смежниками энергоустановки на основе водородных топливных элементов и обеспечившая их серийное производство. Первое детище этого сотрудничества было использовано для орбитального корабля советской лунной экспедиции (1967 - 1972 гг.), затем последовала аналогичная система для многоразового космического корабля "Буран" (1976 - 1991 гг.). В ходе указанных работ удалось решить ряд сложных научно-технических задач. В частности, подготовили конструкторскую, технологическую и эксплуатационную документацию, освоили производство и практическое использование энергетических установок с электрохимическими генераторами и криогенными блоками для водорода и кислорода. Кроме того, предложили технологию получения этих компонентов особой чистоты, разработали оборудование и инфраструктуру их транспортировки, хранения и заправки, составили нормативную документацию по безопасности процессов.

Сделан крупный шаг вперед и в отношении щелочных топливных элементов, а также электрохимичес-

стр. 7

ких генераторов на их основе: выбран оптимальный тип данных источников питания, изготовлены для них высокоэффективные катализаторы, специальные металлокерамические электроды и т.д. Все это позволило начать серийное производство названных элементов. А главное - была выстроена комплексная система проектирования, изготовления, сборки, испытаний соответствующих энергетических установок сначала на газообразных, затем на криогенных компонентах и далее в составе космического корабля на техническом и стартовом комплексах космодрома "Байконур" с параллельным контролем из Центра управления полетами.

Таким образом, к началу 90-х годов в нашей стране имелись фундаментальные научно-технические, проектно-конструкторские, производственно-технологические и экспериментальные основы и сформирована кооперация предприятий для развития новейшего вида энергетики. Столь высокий уровень решения аналогичных проблем в то время был только в США.

В 1991 - 1993 гг. коллектив РКК трудился над подобными энергоустановками для подводных аппаратов (транспортно-спасательных, водолазных и глубоководных) и электромобилей*. И в августе 2001 г. на 5-м Московском международном автосалоне появился наш первенец "Антэл-1" (автомобиль на топливных элементах) - пятидверная "Нива", совместная работа с ОАО "АвтоВАЗ" и УЭХК. А через два года участники следующего, 6-го Автосалона увидели легковой автомобиль "Антэл-2" - 11-ю модель "Жигулей", изготовленную в той же кооперации.

Затем в соответствии с постановлением правительства Москвы по "Городской целевой программе использования альтернативных видов моторного топлива на автомобильном транспорте города на 2002 - 2004 годы" совместно с УЭХК, Центральным научно-исследовательским автомобильным и автомоторным институтом (НАМИ) и ОАО "ЗИЛ" наша корпорация разработала технический проект энергоустановки на основе топливных элементов для малоразмерного автобуса "Бычок".

Не забыли мы и о децентрализованном электро- и теплоснабжении различных стационарных потребителей. Вместе с российской компанией "Индепендент Пауэр Технолоджис" создали промышленный прототип системы "Каскад-1" на топливных элементах с щелочным циркулирующим электролитом, работающей на водороде и атмосферном воздухе. В сентябре 2003 г. начаты и по сей день продолжаются ее демонстрационные испытания для ознакомления заинтересованных сторон. В настоящее время специалисты РКК "Энергия" дорабатывают это изделие с учетом высказанных замечаний. Выпустив же полный комплект чертежно-технической и эксплуатационной документации, предполагаем изготавливать сначала по 10, а затем по 100 таких установок в год.

Есть у нас задел и по энергосистемам, функционирующим на природном газе (метаноле) и воздухе. Предложения об их создании (в кооперации с УЭХК и рядом других предприятий) корпорация "Энергия" в январе 2004 г. направила в Российскую академию наук и Горно-металлургический комбинат "Норильский никель" для включения в "Комплексную программу поисковых, научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по водородной энергетике и топливным элементам", принятую данными организациями**. В настоящее время заключен соответствующий договор с РАН.

Мы считаем, что в России назрела необходимость в указанных источниках питания для электро- и теплоснабжения населенных пунктов и промышленных объектов; резервного (аварийного) энергоснабжения потребителей, не терпящих в нем даже кратковременного перерыва (государственные узлы связи, крупные финансовые структуры, ретрансляторы телевизионных и телефонных каналов, операционные в боль-

* См.: А. Л. Эйдельман. "Мир диагностики" автомобилей. - Наука в России, 2002, N 3 (прим. ред. ).

** См.: Я. В. Ренькас. По пути инноваций и инвестиций. - Наука в России, 2004, N 3 (прим. ред. ).

стр. 8

Внешний вид энергоустановки "Каскад-1" со снятым кожухом:

1 - блок охлаждения (радиатор с вентиляторами);

2 - блок клапанов;

3 - батарея топливных элементов;

4 - блок силовой коммутации;

5 - блоки управления;

6 - конвертер напряжения;

7 - блок очистки воздуха от углекислого газа.

ницах и т.д.); накопителей для солнечных и ветряных энергоустановок; электромобилей, космических и подводных аппаратов (прежде всего транспортно-спасательных и водолазных, работающих на шельфе при добыче нефти и газа). Однако такая работа сопряжена с решением ряда научно-технических задач. В их числе, например, создание электрохимических генераторов на твердополимерных и щелочных топливных элементах (для работы на водороде и воздухе), продуктах риформинга* легких углеводородов и воздухе. Немало нерешенных вопросов связано с криогенными, газобаллонными системами хранения водорода высокого давления (400 - 800 атм) для автомобильного транспорта и подводных аппаратов. Многое предстоит сделать и для получения водорода из природного, попутного нефтяного, биологического газа, газового конденсата, метанола, диметилэфира, бензина и др. для стационарных и транспортных энергоустановок. Кроме того, требуются суперкондесаторы и сильноточные батареи для систем аккумулирования и рекуперации энергии в электромобилях.

Справиться с этим кругом задач можно, объединив усилия всех заинтересованных организаций. Это УЭХК, НАМИ, "Индепендент Пауэр Технолоджис", ОАО "АвтоВАЗ", а также Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики (город Саров), Российский научный центр "Курчатовский институт", Федеральное государственное унитарное предприятие "Красная звезда", московские научно-производственные объединения "Луч", "Эконд", открытые акционерные общества "АВЭКС", "ЗИЛ" (Москва), "Пластполимер" (Санкт-Петербург).

В ближайшие годы можно ожидать вхождения водородной энергетики в жизнь человечества, что не только решит мировые экологические проблемы, но и изменит условия его существования. Мы уверены: научный, проектно-конструкторский и технологический уровень нашей страны в данной области позволяет ей занять достойное место среди передовых энергетических держав.

Иллюстрации предоставлены авторами

* Риформинг - процесс переработки нефтепродуктов с целью получения высокооктановых автомобильных бензинов, ароматических углеводородов и технического водорода (прим. ред. ).

Permanent link to this publication: