Профессор Степан Кудря: Мы работали над водородными технологиями еще 30 лет назад

Если вы считаете, что разговоры о водородной энергетике – просто новомодная тема, то ошибаетесь. В Украине разработкой этой технологии занимаются уже более 30 лет. Какие наработки создали наши ученые, несмотря на мизерное финансирование, и какие перспективы это открывает каждому украинцу – Kosatka.Media рассказал член-корреспондент НАНУ, доктор технических наук, профессор, лауреат Государственной премии Украины, директор Института возобновляемой энергетики НАН Украины, заведующий кафедрой возобновляемых источников энергии факультета электроэнерготехники и автоматики НТУУ «Киевский политехнический институт им. Игоря Сикорского» Степан Кудря.

Больше информации на эту тему  можно будет узнать во время Международного  бизнес-форума по возобновляемой энергетике в Украине REEX-2020, участие в котором примет и наш спикер.

Степан Александрович, что украинская наука знает о водородных технологиях? Что делалось и делается в этом направлении?

Развитие возобновляемой энергетики в Украине началось в 80-х годах прошлого века в Киевском политехническом институте. 35 лет назад был создан экспериментальный полигон «Десна» в Черниговской области, где была построена первая ветроэлектростанция в Украине и дома, энергоснабжение которых обеспечивалось за счет энергии возобновляемых источников. Это все была идея, которая воплощалась под руководством ректора Политехнического института Григория Ивановича Денисенко. Он тогда отмечал, что, поскольку все возобновляемые источники непостоянны в работе (ночью нет солнца, ветер есть не всегда и тому подобное), необходимо проводить поиск соответствующих решений. А комплексное использование в энергоузлах на основе различных видов возобновляемых источников энергии и надежное аккумулирование электрической и тепловой энергии позволит на 100% обеспечить стабильное энергоснабжение потребителей.

В то время я руководил сектором аккумулирования. На полигон «Десна» была закуплена электроаккумуляторная станция, созданы системы теплового аккумулирования. Для межсезонного аккумулирования энергии был подготовлен проект водородной станции, была закуплена установка для получения водорода и соответствующее вспомогательное оборудование. Это был 1994 год. Но кто-то из «доброжелателей» шепнул Григорию Ивановичу, что это – «водородная бомба». Полигон, студенты... Все пустили «на тормозах».

Чуть позже мы сотрудничали с датским центром – «Фолькецентр», которые занимались такими же работами по комплексному использованию возобновляемых источников энергии. Когда на выполнение работ они получили деньги по программе TACIS, я предложил им сделать ветро-водородную станцию. Тогда еще никто не стыковал электролизер с ветроустановкой, и это была первая в Европе ветроводородная станция. Ветроустановка была их, электролизер – наш. Они построили домик, мы выполнили монтаж установки. У них автомобиль на водороде начал ездить – вместе с Харьковским институтом машиностроения мы переделали еще двигатель Стирлинга для работы на водороде (двигатель внутреннего сгорания). Разработали схему, которую сейчас в литературе описывают – комплексное использование водорода для автотранспорта, для сжигания в котлах, в газовых плитах, а также в топливных элементах, чтобы превращать водород в электроэнергию.

Потом перестали организованно этим заниматься, потому что еще не было использования водорода в энергетике. Но не отвергли полностью это направление − продолжали научные исследования, проводили занятия для студентов.

И только вот сейчас – в мире снова начался бум водородной энергетики. Безусловно, Украина, имея значительный задел в области водородной энергетики, не могла остаться в стороне. Институт возобновляемой энергетики активно включился в этот процесс совместно с Энергетической ассоциацией «Украинский водородный Совет». Значительные шаги были сделаны благодаря ее председателю Александру Репкину – он вкладывал свои деньги, сделал пиар водорода. Четыре года назад он начал спонсировать нам конференцию по водородной энергетике, направленную, в первую очередь, на привлечение молодежи – студентов, аспирантов, учащихся Малой академии наук, школьников. И сейчас мы каждый год проводим конференцию по водородной и возобновляемой энергетике для школьников. Они уже имеют хорошую подготовку и делают доклады очень высокого уровня, которые порой даже лучше, чем у аспирантов.

Также в Украине сейчас есть академическая программа, по разработке водородных технологий: электролиза воды, использование топливных ячеек, в которой принимают участие около 20 институтов НАН Украины. Финансирование там смешное. Но у нас ученые видят перспективу и умеют работать на энтузиазме. Основной институт по выполнению этой программы – Институт материаловедения им. Францевича, академик Солонин – руководитель этой программы.

Какие перспективы открываются для Украины с переходом на водородные технологии?

Вместе с Украинским Водородным Советом мы разработали Атлас энергетического потенциала всех ВИЭ, перспективных для использования на территории Украины, и определили потенциал водорода для Украины. Он получился очень большой. По данным IRENA – там порядка 300 млрд кубических метров водорода. По нашим расчетным данным – а мы и оффшорные ветростанции учли – получается около 500 млрд кубов водорода. Для сравнения – Украина потребляет около 40 млрд кубов газа.

Идея в том, чтобы перевести всю энергетику Украины на водород − универсальный и экологически чистый энергоноситель. Таким образом, решится целый ряд проблем. Во-первых – политических, мы не будем зависеть от России, когда заменим природный газ. Также – перевод автотранспорта и железнодорожного транспорта на водород. Сейчас в мире уже речь и про самолеты на водороде. Потому автобусы, грузовики уже есть.

Большие программы, дорожные карты в этих направлениях разработаны во всех передовых странах – Европейского Союза, США, Канаде, Японии, Южной Кореи и ряда других. В данном случае речь о так называемом «зеленом» водороде, который получают с использованием в качестве первичного энергоресурса возобновляемых источников энергии, а не о том, который получают из газа или из угля. Таким образом, полностью решается вторая проблема – экологическая. Безуглеродная энергетика, безопасный транспорт – вот к чему сейчас идет весь мир.

И мы стараемся. Тем более, что опыт есть. У нас была также создана ветро-водородная станция 3 года назад под Киевом, в Кийлове, на базе Института материаловедения – для опытов с ветроустановкой, там также наша система аккумулирования и электролизер Харьковского института машиностроения. Проверили все возможности работы электролизера с ветроустановкой. Сейчас мы будем исследовать работу электролизера с фотостанцией. Электролизер есть, фотобатареи трекерные нам господин Репкин производит. Причем, это ценная вещь – порядка $15 тыс. Идея в том, чтобы сделать зарядную станцию для электромобилей на водороде. Авто такие уже продаются – Toyota Mirai японская, есть BMW. И почти все крупные автомобильные концерны занимаются сейчас электромобилями именно на водороде, кроме электромобилей на литий-ионных аккумуляторах.

Также есть идея, что такие установки можно использовать для индивидуальных домов. Если у вас есть автомобиль на водороде, фотобатарея 15 кВт, электролизер и газгольдер, куда сбрасывается водород – вы можете заряжать авто, можете сжигать водород вместо газа, отапливать дом водородом. И сама водородная система – как аккумулятор служит. Если нужна электроэнергия – она может давать ее для дома. Словом, водород может позволить решить все энергетические вопросы частного хозяйства, что особенно важно для удаленных от линий электроснабжения районов.

Действительно ли Украина сможет продавать энергию и водород Европе?

Для Украины нужно порядка 150 млрд кВт•ч – сейчас сколько потребляем. Только ветер и солнце дают в 10 раз больше. Дальше девать «ненужную» электроэнергию – некуда. Энергетическая система Украины на сегодняшний день может принять, по расчетам, только 3 ГВт возобновляемых источников. По нашим подсчетам – 7 ГВт. Но уже сейчас есть отключения, потому что многовато возобновляемых энергосистем, нечем их поддерживать. А когда будет водород – он эти резервные мощности обеспечит. И наша больная энергосистема, благодаря таким накопителям, будет работать стабильно до тех пор, пока не выработают свой ресурс тепловые станции, угольные, в первую очередь. Потому что мир идет к тому, что угольных станций не станет через 20-30 лет. Будут возобновляемые источники. В частности, Германия к этому идет, да и весь Евросоюз. И наш министр Оржель недавно заявил, что в Украине к 2050 году угольной генерации не будет. Я думаю, что не будет и газовой. Будет 70% возобновляемой, и 25-30% – атомной.

Возобновляемые источники энергии и водород – это стабильные системы всего энергообеспечения государства. И мы еще и можем продавать водород в Европу. Идея Евросоюза была такая, чтобы строить в Африке (в Сахаре), энергосистемы для получения водорода – солнечные + электролизные станции, – и трубопроводом переправлять водород в Европу. Господин Репкин им предложил – у нас рядом граница Евросоюза, в Польше. Давайте, будем строить в Украине ветро – и солнечные станции, получать водород и трубопроводом передавать в Европу.

На сегодняшний день в Европе готовы покупать по 18 евроцентов за кВт•ч электроэнергии у нас. Но пока что по технологиям у нас получается где-то 23 евроцентов – дорого. Но по всем расчетам, экономическими и технологическими, уже в 2023 году кВт•ч, полученный от системы ветер-электролизер-транспортировка-топливный элемент, будет 8 евроцентов. Это уже бизнес-проект, который имеет право на жизнь. И это хорошая идея, потому что мы, ориентируясь на ВИЭ и водород, не только свое государство сможем обеспечить, а еще и зарабатывать очень большие деньги для Украины.

Сколько сейчас стоят водородные и другие системы?

На сегодняшний день 1 кВт установленной мощности ветроагрегата стоит порядка $1500, солнечной станции – уже порядка $600 за 1 квт установленной мощности. А если строить тепловую станцию с очистными сооружениями, – это $3000. Если атомную – то это от $6 до $10 тыс. за 1кВт мощности. И система аккумулирования: электролизер – 1000, топливный элемент и транспорт – по 1000. Всего – $3000 в комплексе. И мы решаем проблему энергетики и экологии, на 100%.

Я уверен, что лет через 50 у нас будет 100% возобновляемой энергии, все будет поставлено на водород. Литий-ионные аккумуляторы тоже будут. И будем ездить, летать, плавать – и будет чистая энергетика.

Можно ли для хранения водорода использовать газопроводы, которые есть?

Сейчас вся Европа идет к тому, чтобы добавлять примеси водорода в газовую систему. Норвежцы добавляют водород в газ до 18%, немцы − до 5%. По нашим расчетам можно добавлять до 25%. И этим мы уменьшаем зависимость от России. И так же – экологию поправляем, поскольку при сгорании водорода СО2 не будет выделяться.

При использовании трубопроводов есть аспект наводораживания металла. На кафедре электрохимии проводили такие опыты. Да, идет проникновение водорода. Но не во все материалы. Есть слабенькие металлы, как сталь, они могут поглощать водород, становятся хрупкие. Но на выставке в Ганновере были системы или из нержавеющей стали, или покрыты пластиком. И даже если не достаточно качественная сталь, которая будет наводораживаться  – это будет происходить 25-30 лет. Поэтому – это все решается.

Что должно делать государство, чтобы Украине перейти на водородные технологии?

Часть законов у нас есть: об энергетике, о «зеленом» тарифе. Разрабатывается закон о накоплении энергии. Правда, он не предполагает никаких доплат, стимулирования. Это должен делать тот, кто строит ветро- и солнечные станции, он должен еще включать в строительство электролизеры, топливные элементы, или транспортировать водород в газовую систему.

Поэтому основная помощь от государства – не мешать. Второе – помочь в создании отечественной нормативной базы. Сейчас почти все законы нужно не разрабатывать по-новому, а быть в нормативной базе Евросоюза, чтобы адаптировать все их законы для Украины. Если будут нормативные документы – уже можно будет строить и электролизные станции и прокладывать трубопроводы для чистого водорода, не смешивая его с газом, строить заправочные станции для автомобилей.

Также есть проблемы научные. Государство может и должно стимулировать науку. Потому что программа водородной энергетики, которая у нас есть, – заканчивается через год. А представьте, что там порядка 100 тыс. грн в год – для решения какой-то проблемы. Например, разработка электролизера. Но его нельзя за эти 100 тыс. разработать, а изготовить – тем более. И для таких научно-исследовательских работ необходима поддержка государства.

Мы с Водородным Советом самостоятельно разработали концепцию развития водородной энергетики Украины. Разработали проект дорожной карты водородной энергетики до 2035 года, который был презентован и одобрен 3 апреля 2019 года во время заседаний международного круглого стола главной промышленной выставки Европы «Hydrogen +FuelCells» в Ганновере.

Но здесь нужна помощь не только отечественных, но и иностранных экспертов, которые такие дорожные карты уже разработали – Штаты, Канада, Австралия. Поэтому здесь государство также должно помочь.

А все остальное – строительство, должен делать инвестор. Эта технология, возобновляемо-водородная, уже выходит на инвестиционно привлекательные технологии. Хочешь зарабатывать деньги – вкладывай. Например, можно создавать заправочные станции по Украине.

Хватает ли Украине кадров, которые бы разбирались в водородных технологиях?

Это одна из задач государства – готовить кадры. Можете представить себе, какой это объем рабочих мест, если переходить на водородную экономику, энергетику, транспорт.

Это очень важно.

У нас в НТУУ «Киевский политехнический институт им. Игоря Сикорского» есть кафедра возобновляемых источников энергии, которая работает уже 18 лет. Там есть курс, который включает изучение методов и средств аккумулирования энергии ВИЭ, в том числе электрохимических, тепловых и на основе водорода. Но сейчас мы думаем программу по водороду расширить и выделить как отдельный курс, чтобы выходили специалисты как раз из водородной энергетики. Молодежь – они как разведчики. К нам ежегодно желающих поступить в 2-2,5 раза больше, чем мы можем взять. Остальных мы отдаем на другие специальности. Хочу отметить, что проблем с трудоустройством у наших студентов нет. Уже с 3-го курса они работают, подрабатывают, в том числе принимают участие в научных разработках.

Перейдем к практическим вопросам. Как водород может обеспечить энергией отдельное домохозяйство?

Мы сейчас делаем эксперимент в институте – полностью энергетический блок, который бы обеспечивал частный дом. Это блок на 15 кВт от солнечных панелей, 8-10 кВт – топливные элементы, электролизер на 10 кВт и система хранения. Такая система, если это будет серия, будет стоить около $6-10 тыс. Но вы будете обеспечены автономно и электроэнергией, и теплом.

Уже сейчас это делается на аккумуляторах. У меня в доме система на 2 кВт и аккумуляторы. Она меня обеспечивает в аварийных случаях – электроэнергия всегда есть дома. И если аккумуляторы накопились на 100%, они отключают сеть от дома и идет питание от аккумулятора. Когда разряжаются на 50% – автоматика включает сеть. Вторая станция солнечная, на 15 кВт, крышная, подключена к сети. И я лишнюю электроэнергию продаю по «зеленому» тарифу. У меня дом полностью на электроэнергии. Зимой много энергии тратится на отопление, а солнца – нет. Поэтому за декабрь доплатил 1300 грн за электроэнергию. Но за год в том году вышло 32 тыс. грн прибыли по «зеленому» тарифу.

Поэтому люди сейчас активно строят у себя такие энергосистемы. В прошлом году было 154 МВт мощности крышных солнечных станций, сейчас – 400 МВт, за один год мощность выросла. Таких домохозяйств по количеству около 14 тысяч. Да, это благодаря «зеленому» тарифу. Но так упали цены на фотоэлементы, инверторы, что люди будут строить, например, фотостанции, для обеспечения своих потребностей от солнца.

Для многоквартирных домов тоже такое делают. 100% энергоснабжения в данном случае обеспечить нельзя, но можно уменьшить потребление от сети. Однако пока что выгоднее, наверное, брать электроэнергию из сети. Но так, как растет у нас тариф, то скоро выгоднее будет тоже устанавливать автономные системы. С каждым днем дешевеет фотоэнергетика. По сравнению с 10 лет назад цена фотоэлементов упала в 10 раз – кремний подешевел, появились новые технологии. Уже в Киеве есть фирмы, которые покрывают солнечными панелями фасады, крыши и тому подобное.

Сможет ли Украина самостоятельно изготавливать необходимое оборудование для возобновляемо-водородных энергетических систем?

70% оборудования для ветроустановок мы можем делать в Украине. У нас выполнялась комплексная программа строительства промышленных ветроэлектрических станций, научное сопровождение которой делал наш институт. Тогда дошло до того, что на 100% энергооборудование производилось в Украине. На «Южмаше» и еще на 22 военных заводах изготавливались детали.

Есть достаточно тонкие вещи, для которых нужно закупать точное оборудование.

Ранее в Украине были заводы, в частности, в Светловодске выращивали кремний, но все шло, в основном, на военные цели. Со временем все развалилось, но и технологии были достаточно старые. Сейчас построили завод в Виннице с изготовления своих фотоэлементов. И «Квазар» киевский этим занимается. Да, возможно, у них немного дороже. Но это выгодно для государства – рабочие места, налоги. Украина со своим потенциалом вполне может это освоить. Так же – и по ветру. Не говоря о биоэнергетике. Поэтому – нет проблем для наших машиностроительных заводов.

Возможно ли добывать чистый водород из земли в Украине, как заявили ученые Отделения наук о Земле НАНУ?

Это неплохо. В Мали есть такие скважины. Нужно бурить, но это будет не дешево. Хотя километр скважины стоит порядка $1 млн, этим тоже надо заниматься. Если там есть водород, можно подключить сразу в магистрали. Даже если он не будет такой чистый, как нужно для топливных элементов, то его можно будет сжигать в котлах, или доочистить и заправлять автомобили.

И нам нужно в этом направлении работать.

К слову о транспорте. Возможно ли общественный транспорт в Украине перевести на водородные технологии? Что для этого надо?

Да, это реально. Автобусы на водороде уже есть в Европе. Технология такая же, как у нас транспорт на сжатом газе метане  – балоны на крыше. Но это не совсем эффективно с точки зрения коэффициента преобразования энергии. Лучше это делать в топливных элементах – их КПД 60-80%. А КПД двигателя внутреннего сгорания – максимум 40%. В этом направлении уже работают.

Например, в Южной Корее «дорожная карта» предусматривает, что для производства «зеленого» водорода от солнечных и ветровых станций будет построено 23 завода. Будет проложено 700 километров трубопроводов. И будут выпускать 6,1 млн авто на водороде. Часть для своих нужд, а часть на продажу. Сейчас за их машинами Hyundai на водороде – очередь. Они дешевле, но качественно не хуже.

В Германии ходят электрички на водороде. И это дешевле, чем прокладывать линии электропередач. Сейчас у них 2, и хотят купить еще 10. В Канаде, в основном, большие грузовые автомобили работают на водороде, на топливных элементах. Электротранспорт у нас уже развивается.  И будет дальше развиваться.  Отличаться будут тем, что вместо аккумулятора будет устанавливаться топливный элемент и баллоны.

 Насколько на самом деле опасен водород?

 Водород – такой же взрывоопасный, как и природный газ.  Кислород и водород в определенных пропорциях могут взрываться.  Так же и газ – если кислород и газ.  Верхняя и нижняя граница у водорода на 1% больше, чем у природного газа.  И порядка 60 млрд тонн водорода сейчас в мире используются в различных направлениях – для производства удобрений, в нефтепереработке, при изготовлении пластмасс и др.  Технологии отработаны.  Кроме того, когда изготавливают тот же баллон с водородом для авто – проводят испытания.  Все остальное – страшилки.

Читайте также: Четвертая индустриальная революция: Как водородные технологии изменят Украину

Тэги: солнечная энергетика, ветровая энергетика, законодательство, электроэнергия, энергорынок, ВИЭ, аккумуляция электроэнергии, водород

Читайте также

Как установить газовый счетчик: Ответы на главные вопросы
Переход на учет газа в энергетических единицах: как это будет
Юридические аспекты просмотра «зеленого» тарифа: кто кому делает одолжение?