Водород объединяет

«Эксперт Северо-Запад» №48(350) / 24 декабря 2007

Водород объединяет

Дмитрий Фиалковский

Петербургский Физтех предложил несколько проектов в сфере водородной энергетики, которые имеют все шансы стать коммерческими продуктами



На исходе 2007 года завершается очередной этап «водородного проекта», инициированного несколько лет назад «Норильским никелем». По крайней мере двум лабораториям Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе – полупроводниковой квантовой электроники и фотоэлектрических преобразователей – сегодня не до рождественских приготовлений. Они готовят отчеты по результатам работы, финансируемой серьезным заказчиком. Причем речь идет не о НИР – идеях, формулах, гипотезах, а о реально работающих устройствах и установках (этап ОКР). В следующем году надо представить заказчику окончательные версии, а в 2009−м уже может начаться производство.

Опередили государство
Уже больше десяти лет альтернативная энергетика рассматривается как перспективный бизнес, на котором можно заработать. Глобальное потепление, загрязнение окружающей среды и ограниченность запасов углеводородного сырья подталкивает страны, лидирующие в потреблении энергии, к поиску альтернативных источников. В числе наиболее перспективных направлений этих изысканий – водород и водородная энергетика. Водород – один из самых распространенных в природе элементов. Он содержится, в частности, в воде – это практически безграничный и бесплатный ресурс. Единственный конечный продукт реакции, в ходе которой из водорода получают электрическую энергию, – та же вода. Это делает водород заманчивым объектом для исследований и инвестиций.

За 1995−2005 годы мировые инвестиции в возобновляемые источники энергии выросли с 7 до 38 млрд долларов в год. Правда, к водородной энергетике инвесторы относятся по-разному. Например, ветеран венчурного бизнеса Винод Кошла, чей венчурный фонд Khosla Ventures специализируется на «чистой энергии», водород как объект вложений пока игнорирует. Но есть и другая позиция. На своей странице в Live Journal председатель правления ГМК «Норильский никель» Михаил Прохоров пишет: «Я абсолютно убежден в том, что здесь имеются условия для кратного роста стоимости бизнеса, вот я и планирую его создавать». Дочерняя структура холдинга – Национальная инновационная компания «Новые энергетические проекты» (НИК «НЭП»), уже инвестировала 300 млн долларов (размер крупного западного венчурного фонда), а запланированный объем инвестиций на ближайшие пять лет составляет 500 млн.

Инициировав в 2003 году программу «Водородная энергетика и топливные элементы», «Норильский никель» решил провести мобилизацию наработок во всех отраслях российской науки. К участию в проекте были приглашены институты, которые могли предложить технологии в сфере получения, хранения и использования водорода. Хотя вызвалось участвовать около 120 институтов РАН, на сегодняшний день в числе ключевых партнеров всего 12 организаций: не все оказались способны работать с серьезным инвестором.

Для подстраховки
Одним из активных исполнителей по программе «Норильского никеля» является петербургский Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе (Физтех). Сегодня при поддержке НИК «НЭП» Физтех проходит этап ОКР по двум проектам – создания источников питания на основе микротопливных элементов и гибридной солнечно-ветровой установки. Оба эти проекта имеют прямое коммерческое применение и востребованы уже сегодня.

Современная мобильная электроника поглощает все больше электроэнергии. Одни только мобильные сети третьего поколения (3G) чего стоят: скачивание и проигрывание видео на мобильных телефонах потребует гораздо большей емкости аккумуляторов. Те четыре-пять часов, которые выдерживает батарея ноутбука, все меньше удовлетворяют современные потребности в мобильности. Технология микротопливных элементов, работающих на водороде, имеет более высокий потенциал, чем обычные электрохимические аккумуляторы. Сегодня уже удалось сравнять их характеристики.

Во многих странах мира с высокой долей солнечных дней в году приняты программы развития солнечной энергетики. В Калифорнии, например, проект каждого нового дома предполагает солнечную батарею на крыше. Удивительно, но даже не такие уж жаркие страны, как Германия, всерьез воспринимают солнце как источник энергии. Солнечные и ветровые генераторы могут быть использованы и в качестве резервного источника электроэнергии в частном загородном доме, и для питания, например, автономных базовых станций сотовых операторов.

Гибридные солнечно-ветровые установки днем преобразуют энергию солнца, ночью – энергию ветра и позволяют аккумулировать электричество. Есть еще одно перспективное применение для такой установки – накопление впрок. Избыточный ток может быть направлен на получение водорода. В рамках других проектов НИК «НЭП» разрабатываются специальные установки для выделения водорода из воды путем электролиза. Одно из важнейших преимуществ водорода состоит в том, что он идеально подходит для сохранения энергии на долгий срок. Закачанный в баллоны, он может выступать резервным источником электроэнергии для дома, больницы, научного института.

Совместно обе технологии могут служить в качестве средства децентрализации энергоснабжения. Современные энергосети плохо справляются с пиковыми нагрузками – достаточно вспомнить веерные отключения в Москве и Нью-Йорке. Но эффективного способа сохранения электроэнергии в больших объемах пока не найдено. «Водородная энергетика должна решить эти проблемы», – пишет Михаил Прохоров. По мнению бизнесмена, водородные технологии в перспективе займут до 20% мирового энергобаланса – именно эта часть мощности и будет служить для регулирования пиков потребления. А также будут использоваться для обеспечения некоторых территорий, которые сегодня не охвачены электросетями, – горных районов, глухих деревень.

Не выбрасывайте батарейки. Забудьте о них
Заведующий лабораторией полупроводниковой квантовой электроники Александр Гуревич показывает красивую сверкающую металлом установку. Сферическая камера с дверцей-иллюминатором, снизу – система зеркал, которые направляют на нее луч лазера, расположенного чуть поодаль. Рядом установка-двойник. Обе предназначены для получения нанокатализаторов – микроскопических частичек платины, создающих эффект рычага в реакциях по получению электричества из водорода. Это гордость лаборатории и предмет интереса коммерческого инвестора.

Лаборатория Гуревича проходит уже третий этап в сотрудничестве с НИК «НЭП». Согласно договору, она должна представить заказчику образцы компактных источников питания на микротопливных элементах (МТЭ). Эти устройства размером чуть больше спичечного коробка предназначены для питания или зарядки портативных электронных устройств – сотовых телефонов, ноутбуков и т.д. В отличие от традиционных литий-ионных аккумуляторов, в МТЭ электричество не накапливается, а производится. В устройство вставляется специальный картридж, заполненный водородом, газ поступает в мини-реактор, где происходят химические процессы окисления водорода и восстановления кислорода, в результате которых выделяются электричество и вода. В силу естественного разогрева МТЭ вода испаряется – это несколько миллиграмм в минуту.

Полная экологичность этих процессов – важное преимущество: как известно, аккумуляторы надо особым образом утилизировать из-за содержащихся в них активных веществ. Другое преимущество состоит в том, что аккумуляторы имеют вполне ощутимые ограничения по энергоемкости, в то время как МТЭ позволяют увеличить этот показатель на первых порах в два раза, а в перспективе – гораздо больше. У массовых аккумуляторов энергоемкость сегодня на уровне 150−200 Вт·ч на литр объема. Сегодня ученые работают над тем, чтобы выйти на плановый показатель удельной энергоемкости 120 Вт·ч на литр.

Изюминка разработки – нанокатализаторы. Без них реакции протекали бы гораздо медленнее, а энергоемкость МТЭ напрямую зависит от эффективности катализатора. «Технология действительно оригинальная, а процесс очень сложный», – говорит Гуревич. Путем лазерного элекродиспергирования ученые получают порошок, состоящий из шариков сажи размером 100 нм, покрытых частичками платины размером 2 нм. Эти катализаторы не уступают единственному мировому аналогу – американскому ETЕК. А их потенциал гораздо выше. Для этого ученые пытаются манипулировать двумя сотнями параметров.

Через год ученые должны будут сдать проект. От них ожидают экспериментальные установки малого, среднего и крупного размера. Пока что работа идет над базовой комплектацией – источником средней мощности 2 Вт, пригодным, например, для зарядки мобильного телефона. Большой МТЭ будет предназначен для питания устройств типа ноутбука, а малый – для встраивания в печатную плату для питания микросхем. Также в проект входят базовые исследования по созданию топливных элементов, работающих не на водороде, а на этиловом спирте.

Гетероструктуры на крыше
На крыше Физтеха уже несколько лет находится экспериментальная солнечная фотоэлектрическая установка. Под зимним пасмурным небом она бесполезна, только в весенние и летние месяцы ее используют для исследований. Установка – закрепленные на наклонных металлических фермах прямоугольники из множества так называемых концентраторных солнечных батарей. Единичная батарея – это линза и крошечный полупроводниковый солнечный элемент. Конструкция, материалы и способ изготовления солнечных батарей – ноу-хау лаборатории фотоэлектрических преобразователей – также получили финансовую поддержку НИК «НЭП».

В советское время Физтех стал признанным лидером в области полупроводниковых технологий, в частности – гетероструктур. В 1960−х под руководством нынешнего лауреата Нобелевской премии Жореса Алферова в Физтехе велись исследования по созданию полупроводников с управляемыми свойствами. Так, объединив галлий и мышьяк, ученые получили материал арсенид галлия, обладающий новыми свойствами. Использованный, например, в солнечном элементе, он оптимальным образом поглощает нужный участок светового спектра, при этом пропуская все остальные фотоны сквозь себя. Впервые данные технологии были реализованы в солнечных элементах на советских зондах «Венера 2» и «Венера 3». Однако главный успех был достигнут в 1967 году, когда в Физтехе создали первые в мире гетероструктуры на основе алюминий-галлий-арсенида, в дальнейшем позволившие повысить эффективность солнечных элементов. Однако на тот момент кпд солнечных элементов был всего 11%.

Сейчас по заказу НИК «НЭП» лаборатория фотоэлектрических преобразователей работает над созданием солнечных элементов с кпд 37%. Модули, использованные в космических установках советского периода, оказались слишком дорогостоящими. Чтобы снизить стоимость материалов, использовали идею концентрирования солнечного излучения с помощью линз на очень маленькие ячейки фотопринимающих полупроводников. «Мы разрабатывали эту идею с нуля», – вспоминает главный научный сотрудник лаборатории Валерий Румянцев, пионер этой технологии.

В кабинете Румянцева – коллекция первых попыток: большие и маленькие солнечные элементы, включающие обычные параболические зеркала, обычные линзы и линзы Френеля. С экономической точки зрения единственно приемлемой оказалась линза Френеля, в которой функции фокусировки выполняют множество микропризм, расположенных на обычном оконном стекле. Благодаря концентрации света расход полупроводниковых материалов на единицу мощности фотоэлемента снижается в 200 и более раз.

Происходила также эволюция размеров. Изначально линзы делали размером в 10 кв. дм, однако они создавали такой мощный поток солнечного света, что полупроводниковый элемент мог просто сгореть. Сегодня для линзы оптимальным признан размер 4 на 4 см, а полупроводника – 1,5 на 1,5 мм. Конечный вариант установки выглядит так: 144 пары линз и фотоэлементов образуют модуль 0,5 на 0,5 м.

В следующем году Физтех должен сдать заказчику экспериментальную гибридную установку, включающую помимо солнечной энергоустановки ветрогенератор. Ветровой частью проекта занимается лаборатория экологии и энергетики петербургского Института химии силикатов РАН. Установка будет оснащена аккумулятором для накопления электричества. «Сейчас мы находимся ровно в середине проекта, готовность установки можно оценить в 50%», – говорит менеджер проекта Сергей Когновицкий.

Водородная статья бюджета

Андрей Забродский: «Новая отрасль техники тянет за собой науку. И наоборот»

Физтех работает по водородной программе «Норильского никеля» с 2004 года. По словам директора Физтеха Андрея Забродского, это стратегическое партнерство. Для института, во-первых, это возможность развиваться, реализовывать имеющиеся заделы во многих областях науки – микро— и оптоэлектронике, изучении новых материалов, нанотехнологиях. А кроме того, в науке – как в спорте: по-настоящему ценится только первое место. «Надо все время быть лучше, чем остальные», – говорит Забродский. Понятно, что без современного оборудования и минимального благосостояния ученых поддерживать первенство непросто.

За прошедшие годы Физтех получал по двум водородным проектам в среднем 40−50 млн рублей в год. Даже с учетом того, что почти половина этих денег отходила соисполнителям (в проекте Гуревича, например, их 12), это все равно значительные для института суммы. На 2007−2008 годы суммарное финансирование по обоим проектам составит почти 250 млн рублей, из которых 70 млн – грант Роснауки. Это около 15% бюджета Физтеха, который в этом году приближается к 1 млрд рублей.

Оставшиеся 85% – также преимущественно деньги со стороны. «Примерно две трети бюджета этого года мы получаем от проектов и программ благодаря инициативе наших ученых», – говорит Забродский. Работая по внебюджетным проектам, удалось значительно поднять уровень зарплаты в Физтехе. По каким-то направлениям финансирование РАН очень слабое, это касается расходных материалов, нового оборудования. Сторонние контракты – одна из немногих возможностей для института держать на уровне свою материально-техническую базу.

Понятно, что в Физтехе были бы рады продолжить сотрудничество с НИК «НЭП». После завершения двух проектов уже наметились новые кандидаты. В предварительный план финансирования НИК «НЭП» на следующие годы попало несколько предложений других лабораторий Физтеха. Среди проектов – получение водорода из воды под действием света, накопители водорода в промышленных объемах, полимерная оптоэлектроника, которая сейчас активно развивается в мире.

Непривычный стиль работы
«Работа с НИК „НЭП“ нас многому научила, – говорит Забродский. – Это оказался довольно жесткий партнер». На начальном этапе с НИК «НЭП» вызвались сотрудничать многие институты. Однако у некоторых ученых возникла иллюзия, что можно отчитаться результатами прежних лет. Такой стереотип поведения сложился за последние 15 лет, когда институты не получали крупных заказов и не имели серьезных обязательств. Однако компания ждала адекватных отчетов и наказала «халявщиков» – не все участники первого этапа продолжили работу.

Физтех, который добросовестно подошел к взятым на себя обязательствам, увидел собственные слабые стороны. Продолжительность финансирования работ довольно невелика, а сделать нужно очень много. «Приходится работать если не в авральном, то в сильно напряженном режиме», – говорит директор института. Потребовалось более жестко контролировать результаты работы и взаимодействие между группами. В целом в работу по водородным проектам вовлечено 60−70 сотрудников Физтеха из разных лабораторий.

«Впервые в истории института мы столкнулись с тем, что необходимо организовать менеджмент», – рассказывает Забродский. Сейчас работу по двум проектам координируют три менеджера, в обязанности которых входит поддерживать связь с инвестором, следить за выполнением планов, сроков, качеством работ, своевременно готовить отчетность и т.д.

Для многих ученых работа с НИК «НЭП» оказалась первым подобным опытом. «По интенсивности в моей практике такой работы, пожалуй, не было никогда», – говорит Гуревич. Инвестор хочет иметь результат сегодня, поэтому ставит временные рамки, близкие, по мнению ученых, к предельным. Чтобы уложиться в срок, приходится работать по 12 часов в день без выходных. Но даже не это главное: работа ученого требует последовательного, методичного подхода, что трудно совместить со сжатыми сроками. «С природой не так-то просто договориться», – рассуждает Гуревич.

Воплотить в железе
По условиям договора права на интеллектуальную собственность, созданную на деньги заказчика, целиком принадлежат ему, то есть НИК «НЭП». Это мировая практика заказных НИОКР. Сегодня в портфеле интеллектуальной собственности НИК «НЭП» больше 50 изобретений и около 150 ноу−хау, созданных более чем в 50 российских институтах.

Хотя оба физтеховских проекта не являются подрывными и уже имеют коммерческие аналоги, рыночные перспективы у них вполне оптимистические. Обе технологии созданы на основе многолетних наработок Физтеха и по потребительским свойствам практически не уступают аналогам. «Мы планируем выходить на рынок с портативными топливными элементами и солнечно-ветровыми энергоустановками поэтапно в 2009−2011 годах», – говорит генеральный директор НИК «НЭП» Борис Кузык.

Сейчас Физтех совместно с НИК «НЭП» разрабатывают бизнес-план по организации производства солнечных фотопреобразователей на основе трехкаскадных гетероструктур. Речь идет о строительстве завода мощностью 30 МВт в год. Требуемая сумма вложений – около 3 млрд рублей. Если маркетинговые исследования покажут высокую отдачу от проекта, то «Норильский никель» может выступить инвестором. Интерес объясняется тем, что, по словам Бориса Кузыка, себестоимость таких фотоэлементов вдвое меньше традиционных кремниевых.

Уже есть общее видение того, где расположить производство. Один из вариантов – московское предприятие «Квант», где изготавливались солнечные батареи для космических программ СССР. Однако в самом Физтехе считают, что правильнее было бы расположить завод в создаваемой в Санкт-Петербурге технико-внедренческой зоне. «У нас есть опыт участия в создании и становлении предприятий, – „Светлана“, „Позитрон“ – и мы считаем, что они должны находиться недалеко от института-разработчика, – говорит Забродский. – Такая близость упрощает работу с кадрами, техническое сопровождение, модернизацию производства».

От сотрудничества институтов РАН и «Норильского никеля» выигрывают все: сами институты, частный инвестор, потребители, в перспективе – вся страна. Даже несмотря на «узкие» места, например необходимость заниматься несвойственной институтам конструкторской деятельностью, проект был воспринят учеными с большим энтузиазмом. Похоже, что давно утерянная цепочка передачи научных знаний в производство начинает постепенно восстанавливаться.

Санкт-Петербург

Уловить тенденцию

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе, созданный по инициативе великого российского физика Абрама Федоровича Иоффе в 1918 году, в советские времена был одним из ведущих научных учреждений страны. Именно ученые из Физтеха – И.В. Курчатов, Ю.Б. Харитон, А.П. Александров, Б.П. Константинов – входили в рабочую группу по разработке ядерной бомбы. Курчатовский институт в Москве (в ближайшем будущем – национальная лаборатория) был создан как вторая лаборатория И.В. Курчатова: первую он возглавлял в ФТИ им. А.Ф. Иоффе. Именно здесь будущий лауреат Нобелевской премии Жорес Алферов занимался исследованиями в сфере полупроводниковых гетероструктур, которые произвели революцию в целом ряде отраслей (лазеры, оптоэлектроника, фотовольтаика). Солнечные батареи на основе гетероструктур, впервые созданные в Физтехе, на протяжении 25 лет бесперебойно обеспечивали работу космической станции «Мир». В советские времена Физтех стал центром микро— и оптоэлектроники.

В 1990−е годы Физтех переживал сложные времена, как и многие другие институты. «Какое-то время мы восполняли пробел заказами из-за границы», – рассказывает директор ФТИ им. А.Ф. Иоффе Андрей Забродский. Спасло то, что Физтех уловил мировую научную тенденцию обращения к нанотехнологиям и сумел совместить собственные наработки с новыми научными направлениями. Кроме того, удалось сохранить костяк ученых – около 1 тыс. человек. Сегодня Физтех вызвался применить свои научные компетенции в сфере водорода. «Наши разработки в первую очередь базируются на наноматериалах и нанотехнологиях», – говорит генеральный директор НИК «НЭП» Борис Кузык. Физтех как нельзя лучше вписывается в «водородный проект».

http://www.expert.ru/printissues/northwest/2007/48/vodorod/