13 ИЮЛЯ / 2020
ПЕРСОНА

"Нужно развивать технологии, а не сырьевую экономику"

Недавно на портале РИА Новости появилась информация о том, что ученые Объединенного института высоких температур (ОИВТ) РАН предложили технологию сжигания алюминия в воде без дополнительных химических добавок для получения водорода и тепловой энергии. Чтобы узнать о деталях этого исследования и о других важных научных разработках из первых уст, мы отправились в ОИВТ РАН и пообщались с заместителем директора института, доктором физико-математических наук Андреем Зиновьевичем Жуком, а также с его коллегой — заведующим Лабораторией электрохимической энергетики, доктором технических наук Евгением Иосифовичем Школьниковым.
— Андрей Зиновьевич, расскажите, пожалуйста, о нюансах проекта, связанного с использованием алюминия в качестве энергоносителя.
— Работа, о которой мы сейчас будем говорить, была инициирована примерно в 2002-ом-2003-ем годах Александром Ефимовичем Шейндлиным, академиком РАН, основателем нашего института. В то время в нашей стране был большой интерес к водородной энергетике, к использованию водорода в качестве экологически чистого энергоносителя. Александру Ефимовичу пришла в голову мысль, что весьма перспективным экологически чистым энергоносителем может стать алюминий, который так же, как водород, производится из природного сырья, в основном, методом электролиза. Поскольку электролиз требует достаточно большого количества энергии, можно сказать, что алюминий — это некоторая среда, которая эту самую электроэнергию запасает. До 50-60% стоимости алюминия — стоимость электроэнергии. То есть это аккумулятор энергии, отличающийся от обычного электрохимического аналога тем, что энергия в нем может храниться в нормальных условиях практически бесконечно. В процессе получения из алюминия полезной энергии образуются окислы алюминия. Последние являются основным сырьем для производства алюминия. Мы возвращаем окислы на глиноземно-алюминиевый комбинат и цикл замыкается. Алюминий гуляет по кругу. Добывать новые бокситы не надо.

Конечно, производство алюминия методом электролиза — технология, мягко выражаясь, «грязноватая». Но, к сожалению, идеального экологически чистого производства любого продукта, в том числе, и энергии, не существует. Однако, если у вас есть промежуточный энергоноситель, то вы можете перераспределить экологическую нагрузку между местом производства энергии и местом ее потребления. В качестве примера рассмотрим производство того же, казалось бы, весьма экологичного, водорода. Считается, что наиболее чистый метод его производства — это электролиз воды. Но для электролиза воды нужна электроэнергия. Да, конечно, ее можно получить от солнца или от ветра, но эти генераторы для преобразования энергии ветра и солнца надо где-то произвести, а сам процесс производства, фотоэлектрических преобразователей или ветрогенераторов, уже не является экологически чистым.

Если вы берете энергию для электролиза от электростанции, не важно, будут ли это тепловые электростанции с выбросами парниковых газов и окислов азота, атомные электростанции с выбросами радионуклидов, в конце концов, гидроэлектростанции, которые, с одной стороны, являются, казалось бы, совершенно экологически чистыми, а на самом деле, приводят в негодность огромные регионы, заливая их водой водохранилищ. Это всегда будет производство с издержками. Но, когда вы находитесь вдали от зон высокой экологической нагрузки, ущерб наносимый природе может быть нивелирован, «размазан» по большой площади.

Например, в городах 90% вредных выбросов дают автомобили, поэтому возникает потребность в переходе на электрическую тягу, и внедрение электромобилей (ЭМ) оказывается оправданным. В сельской местности, для междугородних перевозок, то есть там, где плотность транспортного потока низкая, электромобили вряд ли пригодятся. По крайней мере, в обозримом будущем.
— Сейчас ЭМ выпускает каждый уважающий себя автопроизводитель. Каких условий требует данный вид транспорта? Давайте поговорим о его нюансах и возможностях.

— Несмотря на активную борьбу ученых и инженеров за увеличение удельной энергоемкости тяговых источников тока и, соответственно, запаса хода, электромобиль по своей сути актуален для городов, где большой запас хода не нужен. Аккумуляторный ЭМ требует длительной зарядки (30-40 мин. минимум). А вот водородный электромобиль долго заряжать не нужно, достаточно залить или закачать водород. Точно по такому же принципу можно разработать и электромобиль, использующий энергию алюминия. Длительной зарядки ему не потребуется, будет достаточно поменять так называемые "анодные пластины" .

Сейчас "рванули" аккумуляторные электромобили. В настоящий момент в мире выпускается порядка нескольких миллионов таких машин в год. Это уже прилично. Но существует проблема быстрой зарядки. Одна из наших разработок — так называемый range extender (дословно — "расширитель пробега"), эдакая энергетическая «запаска». В сухом виде эта батарея весит очень мало. Если залить ее водой (активировать), она начинает генерировать электроэнергию. Предположим, вы едете на электромобиле, аккумулятор разряжается, а вам надо еще километров 50-100 проехать. В этом случае вы активируете генератор, он подзаряжает батарею, и вы можете доехать до ближайшей зарядной станции. Или в ситуации, когда времени заряжаться нет, — вам надо быстро куда-то доехать, а там уже подключиться к розетке.

Теперь давайте рассмотрим самые популярные вторичные энергоносители. Электроэнергия. Это почти идеальный вторичный энергоноситель. У нее есть только один существенный недостаток: произвел — сразу используй. Хранить электроэнергию, особенно в больших объемах, дорого.
Водород — это тоже вторичный энергоноситель. При его использовании мы сталкиваемся с весьма серьезными проблемами. Казалось бы, водород — наиболее энергоемкое вещество. В 1 кг водорода запасено 120-140 МДж. Это в три раза больше, чем у бензина, например. Но попробуйте сжать водород до сколько-нибудь приемлемой плотности. Его можно уплотнить примерно в 1000 раз, превратив в жидкость, но это приведет к двух-трехкратному увеличению энергетических затрат и необходимости использовать систему криогенного хранения, из которой водород со временем просто выкипает.

Еще один существенный недостаток заключается в том, что в смеси с кислородом водород образует гремучий газ, причем, диапазон концентраций, в котором этот газ может детонировать, весьма широк. Водород разрушает популярные конструкционные металлы (водородное охрупчивание). У него есть только одно, правда, довольно существенное преимущество: продукт окисления водорода — водяной пар или вода. Это хорошо. Ничего вредного не выделяется. Но электрохимическое окисление водорода осуществляется в топливных элементах, а они крайне дороги — в десятки раз дороже традиционных тепловых двигателей.

— В результате возникла идея использовать алюминий как альтернативу водороду?

— Да, все верно. Наша технология, собственно, и называлась, по крайней мере, на первых этапах, алюмоводородной. Энергию из алюминия можно извлечь двумя основными способами. Первый — электрохимическое окисление алюминия: вы берете алюминиевую пластину, вставляете ее в качестве анода в топливный элемент (в воздушно-водородном топливном элементе анодом служит водород), кислород — катодная часть, он как поступал из воздуха, так и поступает.

Коэффициент полезного действия воздушно-алюминиевых топливных элементов достаточно высокий, он даже без особых ухищрений может быть выше, чем в воздушно-водородных топливных элементах, во всяком случае, на уровне 50%. При этом обращаю ваше внимание на то, что алюминий уплотнять не нужно. Он и так в нормальных условиях имеет плотность 2,7 грамма на сантиметр кубический. Алюминий — очень активный металл, немедленно покрывающийся на воздухе оксидной пленкой. Он как бы сам себя консервирует, поэтому его можно хранить практически бесконечно долго, конечно, в не очень сыром месте и безопасно перевозить любым видом транспорта.

— В чем заключается суть второго способа получения полезной энергии из алюминия?

— Речь о химической реакции окисления алюминия в воде. Продуктами этой реакции являются водород, тепловая энергия и гидроокись алюминия. Водород и тепло можно преобразовать электроэнергию. В ОИВТ РАН изготовлено и эксплуатируется в опытном режиме несколько образцов энергоустановок, использующих реакцию окисления алюминия в воде.

Чтобы еще раз подчеркнуть различие двух методов получения полезной энергии с помощью алюминия, отмечу, что электрохимическое преобразование мы считаем наиболее целесообразным использовать для создания источников электропитания относительно небольшой мощности — до десятков киловатт. Воздушно-алюминиевые генераторы можно, например, использовать в качестве источника энергии для электромобилей. Дело в том, что он обладает весьма высокой удельной энергией (300 - 400 Втч/кг). Это значительно выше, чем удельная энергоемкость современных литий -ионных аккумуляторов 80 - 250 Втч/кг. При этом воздушно-алюминиевый генератор в разы дешевле, чем литий-ионный аккумулятор или воздушно-водородный генератор.

Второе направление использования Al – это химическое (а не электрохимическое) окисление в воде. В ходе химической реакции окисления алюминия в воде выделяется водород и тепло. Технологию, построенную на основе такой реакции, можно использовать там, где есть доступ к дешевой воде. Например, в стационарной энергетике или для водного транспорта. В подобных установках можно использовать и водород и тепло. При этом коэффициент использования энергии топлива может приближаться к 80%.

Есть у нас еще одно субнаправление — разработка компактных источников питания (портативные источники для зарядки аккумуляторов различных гаджетов, радиостанций и т. д.). Этой проблемой занимается Евгений Иосифович Школьников. Используется принцип химического окисления алюминия в воде. Но реакции разложения воды в этом случае организованы немного по-другому и протекают при более удобных для жизни невысоких температурах. Реакции этого типа начинаются от температуры замерзания воды.

Наконец, одна из последних работ, которой мы сейчас занимаемся, — разработка относительно небольших источников электроэнергии с верхним порогом мощности до 50-ти киловатт. Это комбинированное устройство, построенное на базе алюмоводного генератора водорода. Дальше идет воздушно-водородный электрохимический генератор и литий-ионный аккумулятор. Автономный генератор водорода производит водород, причем никакой внешней энергетики для этого не нужно. Дальше идет воздушно-водородный электрохимический генератор, производит электроэнергию, и на конце литий-ионный аккумулятор, который позволяет сглаживать колебания нагрузки. Такое устройство может применяться и для стационарных нужд - для энергоснабжения относительно малых объектов — станций сотовой связи, коттеджей, и т. д. А кроме того, оно может быть весьма полезно в качестве источника энергии для надводного транспорта и для необитаемых подводных аппаратов. Ну и прелесть всего этого состоит в том, что все это бесшумно и экологически чисто, как слеза младенца.

— Очевидно, что потенциал разработок, связанных с алюминием огромен. О чем ещё стоило бы упомянуть в разрезе добычи полезной энергии методом окисления алюминия?

— В результате этого процесса получается довольно чистая гидроокись алюминия. Если прокалить ее в обычной вакуумной печке, получится ультрачистый корунд — три девятки после запятой. А это высококачественное сырье для производства лейкосапфиров: светодиоды, экраны гаджетов и т. д. Вот такая технология нами тоже разработана.
Если мы дополняем технологию получения полезной энергии из дешевого алюминия надстройкой для получения лейкосапфира с высокой рыночной стоимостью, то полезная энергия оказывается уже просто бесплатной. То есть топливная составляющая стоимости производства энергии обнуляется.

— С какими "подводными камнями" вам приходится сталкиваться в ходе обсуждаемой нами работы?

— В рамках этой работы мы развиваем идею о возможности хранения водорода в условно латентной форме — в виде алюминия и некоторых других металлов. Самый дешёвый водород получают сейчас из природного газа, несколько нарушая экологическую идеологию. Его стоимость на месте производства — от одного до трех долларов за килограмм. Но как только возникает необходимость его куда-то перевезти, скажем, на водородную заправку для электромобилей, стоимость такого водорода сразу же увеличивается на 8-10 долларов. Кроме того, возить его неудобно, опасно и т. д.
Можно водород не возить, а производить на месте методом электролиза воды. Обеспечить подачу электроэнергии на такие полевые электролизеры от автономных возобновляемых источников энергии (ВИЭ) довольно дорого. Хотя бы потому, что коэффициент использования установленной мощности ВИЭ порядка 20%, в отличие, скажем, от тепловой электростанции, у которой он 60-70, а то и 80%. Если не пользоваться автономными источниками электроэнергии, то надо иметь электроэнергию от внешней сети. Здесь мы сталкиваемся с проблемой, сходной с проблемой зарядки батареи электромобиля. Надо менять энергетическую инфраструктуру, то есть тратить заметные деньги.

Если же мы делаем такую же водородную заправку на основе процесса окисления алюминия в воде, нам ничего кроме алюминия не нужно, потому что здесь производится и водород и тепло. Часть тепла и водорода мы можем использовать для производства электроэнергии для собственных нужд, причем не только с помощью топливных элементов, которые достаточно дороги, но и с помощью обычных паровых или газовых турбин. Это существенно дешевле, чем электролизеры или новая электросетевая инфраструктура. Водородная заправка на 20 электромобилей в сутки стоит порядка трех миллионов долларов, из них электролизер — миллион долларов. Допустим, мы оставляем всю инфраструктуру этой конструкции, но вместо электролизера ставим генератор на основе окисления алюминия в воде. Он гораздо дешевле, проще и долговечней электролизера. Таким образом, стоимость сразу снижается процентов на 20. Вместо миллиона долларов (за электролизер) вы платите порядка двухсот тысяч долларов за алюмоводный генератор. Это существенная разница, и не нужно тратиться на поведение электросети. Такого рода заправочная станция также автономна, как обычная бензиновая АЗС.


— Как вы считаете, готов ли рынок к подобной замене?

— Нужно чтобы в стране был востребован электромобильный транспорт, в том числе водородный, — раз, и второе — надо, чтобы она обладала ресурсами алюминия. С последним у нас все нормально, ко всему остальному наша «углеводородная экономика» абсолютно не восприимчива.

— Андрей Зиновьевич, как, на ваш взгляд, соблюсти грамотный баланс между тем, что давно прижилось и тем, что относится к категории технологических инноваций?

А не надо никакого баланса. Фундаментальная наука и связанные с ней новые, передовые технологии должны быть для руководства страны приоритетом номер один. В науке должны работать самые талантливые и самые активные люди страны. Фундаментальная наука должны быть самой престижной и самой высокооплачиваемой сферой деятельности. Иначе Россия не выживет. В очень многих областях мы отстали от технологически развитых стран почти навсегда. Со всеми вытекающими отсюда, крайне неприятными для нашей страны последствиями. Сегодня положение о неотчуждаемости российских территорий следовало бы внести не в нашу, а в китайскую конституцию.

— Евгений Иосифович, вы заведуете Лабораторией электрохимической энергетики ОИВТ РАН. Андрей Зиновьевич упомянул о некоторых разработках, которыми вы занимаетесь. Расскажите, пожалуйста, детальнее о своей научной "вотчине".

— Раньше это была Лаборатория алюмоводородной энергетики, а сейчас ее переименовали в Лабораторию электрохимической энергетики. К работе, о которой упомянул Андрей Зиновьевич, я подключился примерно в 2005-ом году. Мы создали за это время несколько макетов действующих портативных источников тока. Тогда это были устройства для зарядки мобильных телефонов на уровне нескольких ватт. Потом мы создали более мощную систему на уровне 10-ти ватт. Но опять-таки это были макеты, которые не пошли в производство, правда, не по нашей вине.

Мы изучали всю узкоспециализированную литературу, патенты, даже выкладывали свои конструктивные разработки в Интернет. Потом они воплощались в жизнь, только уже не нами.

— Что помешало реализовать эти проекты?

— В первую очередь, недостаточное финансирование. Мы доводили свои разработки до стадии опытных образцов, демонстрировали их на выставках, ну и все. Дальше кто-то должен был продолжать финансирование…

В конце "нулевых" годов - начале десятых мы сделали несколько систем гидротермального окисления алюминия. Существует три типа, как я для себя это делю: система портативная, которая работает по существу даже почти от нуля градусов, там используется активированный алюминий, он может сразу реагировать с водой. Дальше на топливный водородовоздушный элемент подаётся водород, и он тут же реагирует и т. д. Я для себя оцениваю такую систему в пределах десяти ватт. Этого достаточно, чтобы заряжать смартфоны. Подзаряжать, скажем так. Чтобы зарядить гаджет, величина картриджа не должна быть намного больше, чем величина всей этой системы (смартфона, например).

Другая система, с которой мы работали, это как раз наоборот система на десятки киловатт, даже, наверное, до десятков мегаватт. Это гидротермальное окисление. Подобная тема очень интересна для стран, у которых есть водные ресурсы и большие претензии к экологии. У них есть задачи накопления энергии и ее длительного хранения. Это можно делать, накапливая алюминий, а потом расходовать его, развозя по «тропическим-туристическим» островам с повышенными экологическими требованиями. Им такая стратегия интересна.

— А для России что интересно?

— То, чем мы сейчас занимаемся. Это система на уровне нескольких киловатт, которая была бы очень полезна для водного транспорта, для водных и подводных беспилотников.

Алюминий имеет высокую энергоемкость и ему нужна вода. Когда вода есть, тогда и проблем никаких нет. Если говорить о тех же водородных заправках, о которых рассказывал Андрей Зиновьевич, можно на месте все быстро преобразовывать, тут же получать водород под давлением. Производить и потреблять «на месте по требованию». Мы создаем сейчас систему такого уровня, делаем макет на киловатт. В комплекте с водородовоздушным топливным элементом и литий-ионными батареями эта система была бы удобна на водном и подводном транспорте, для применения в шахтах и т. д. Она была бы интересна для резидентного применения, то есть там, где нужна иметь экологически чистую энергию.

— Это отлично! А запросы на нее уже есть?

— Да, но пока, к сожалению, они ничем не заканчиваются. Мы сейчас реализовываем такую программу вместе с одной производственной компанией — являемся соисполнителями. Создаем основное — генератор водорода. Они делают все остальное.

Вот такие вещи, на мой взгляд, имеют перспективу, и мы уже четко понимаем, что и как делать. За период чуть больше года сделали хорошую, и притом дешевую алюминиевую композицию. Проблема сейчас заключается даже не столько в том, чтобы получить водород, сколько в том, чтобы удержать реакцию, поскольку она идет очень активно. Когда мы начинали, налили как-то воду в обычную мензурку, и она у нас из-за чрезмерно активной реакции расплавилась. Важно задержать процесс, но при этом не потерять выход водорода. Сейчас мы успешно, на мой взгляд, справляемся с этой задачей. Вот, собственно говоря, то, чем мы занимаемся.

— Евгений Иосифович, расскажите о талантливых соратниках, учениках, которые занимаются вместе с вами важными научными изысканиями.

— Например, мой бывший аспирант — Михаил Власкин. Он занимался гидротермальными установками, активно участвовал в этой работе, расчеты вел, защитил диссертацию, получил за наши работы несколько весьма престижных премий РФ и Москвы, присуждаемых молодым ученым. Сейчас Михаил увлекся получением биотоплива из водорослей. Он оканчивал Московский физико-технический институт (МФТИ). Мы с Андреем Зиновьевичем помогли ему организовать собственную лабораторию. Сейчас Михаил работает самостоятельно, очень толковый человек.
Есть у нас молодые, талантливые инженеры. Долженко Александр, например, он как раз занимается созданием установки, о которой я говорил выше. Васин Андрей – талантливый парень. Занимается электроникой, системами управления и т.д.

— Андрей Зиновьевич, кого бы вы хотели отметить среди выдающихся людей, которые также вносят ценный вклад в науку?

— Мне всю жизнь везло на хорошую компанию, потому что я всю жизнь работаю в ОИВТ РАН, а это место, где хорошая компания была всегда. Кстати, в этом году у ОИВТ РАН шестидесятилетний юбилей. Так вот талантливых и интеллигентных людей у нас всегда было много (хотя этой "субстанции" много не бывает). Создавался институт выдающимся человеком и, горжусь, моим учителем — академиком А.Е. Шейндлиным.

В нулевых годах институтом руководил другой весьма талантливый и авторитетный исследователь и организатор — соратник и ученик А.Е. Шейндлина — В.Е.Фортов. Академик, Президент РАН в 2014 -2017 гг. Нынешний директор — ученик В.Е. Фортова — академик О.Ф. Петров, специалист мирового уровня в области физики плазмы.
Я перечислил только прошлое и текущее начальство ОИВТ РАН. Как видите, преемственность соблюдается. Еще хочу подчеркнуть, что, если сотрудникам нашего института везет с начальниками, но и начальникам везет с сотрудниками. Процесс обоюдный. Мне кажется, что это понимают и те и другие. Атмосфера института, его уникальный микроклимат — одно из важнейших наследий, оставленных нам нашим основателем — А.Е. Шейндлиным.

Если же перечислять всех талантливых и уважаемых людей нашей профессии, с которыми мне пришлось работать и общаться, места здесь не хватит. Да еще и, не дай бог, забудешь кого-нибудь упомянуть.

— Вашей довольно экзотической алюмоводородной тематике почти двадцать лет. Может быть, сейчас у вас появилось еще что-нибудь, не менее впечатляющее?

— Кое-что есть. Хотим начать широкое освоение планет земного типа.

— Значит, вы и до космоса уже добрались. Расскажите об этом.


— Мы сейчас занимаемся такой весьма интересной вещью, как разработка технологии получения кислорода из песка. Если говорить серьезно, — из оксидов различных металлов. Лунный реголит состоит из таких оксидов.

Как вам известно, в России, США и ряде других стран имеются программы освоения Луны. А на Луне надо иметь много кислорода, даже не столько для дыхания, сколько для обеспечения транспортных нужд. Дело в том, что когда мы запускаем ракету, то примерно около 70% ее массы составляет окислитель, то есть кислород. Если мы научимся получать кислород на Луне, то эффективность как межпланетного, так и внутрилунного транспорта резко повысится. Плюс ко всему, мы еще и людей обеспечиваем кислородом. Соответственно, стоимость килограмма полезного груза ракеты резко падает. Реголит, которым покрыта поверхность Луны, содержит около 40% кислорода.

Этот кислород находится в виде окислов кремния, железа, титана и т. д. Так вот можно разными методами, в том числе, методами электрохимического или пиролитического разложения получить из окислов соответствующие металлы и кислород. Кислород понятно для каких целей пойдет, а дополнительно у нас появляется еще и конструкционные материалы, которые тоже в этой ситуации не придется доставлять с Земли. Тем более удобно, что методом электрохимического разложения окислов получаются металлы в виде порошка. Материалы, которые весьма востребованы в аддитивных технологиях.

Автор: Наталия Астахова
Фотографии предоставлены ОИВТ РАН

Энциклопедия промышленности России