Евгений Голосов, ученый: у нас в стране есть болезнь — водородобоязнь

Евгений Голосов — заместитель директора Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии Российской академии наук (ФИЦ ПХФ и МХ РАН). ФИЦ ПХФ и МХ РАН участвует в четырех консорциумах Центров компетенций НТИ: "Новые и мобильные источники энергии", "Водород как основа низкоуглеродной экономики", "Цифровое материаловедение", "Технологии моделирования и разработки новых функциональных материалов". 

— Давайте начнем с контекста, с Парижских соглашений.

— В 2016 году были приняты Парижские соглашения, согласно которым весь развитый мир должен был постепенно отказываться от излишнего карбонового следа в экономике. Был взят курс на ее "озеленение", и те страны мира, которые подписали соглашения, начали делать ставку на возобновляемые источники энергии.

Отказ от угля, газа и нефти, который сейчас происходит из-за санкций, на самом деле должен был сам собой произойти где-то к 2030 году. Россия, как участник Парижских соглашений, делала ставки на "озеленение" производства и транспорта, на возрастающую популярность водородных технологий на Западе, в первую очередь в Германии. Экспортировать по "Северному потоку — 2" можно было не только природный газ, и мы хотели делать ставку на экспорт водорода в Европу. 

Сейчас все, как мы понимаем, кардинально поменялось. Мы могли бы развернуться на Восток: Китай, Индия и даже Япония — это, пожалуй, крупнейшие потребители водорода в мире. Однако они времени тоже зря не теряли — у них сейчас огромное количество проектов, связанных с собственным производством и использованием водорода. Китай вообще вышел на первое место по количеству водородных заправок в мире и рвется в лидеры по количеству водородных автомобилей. 

При этом когда мы говорим про водород в этих странах, то достаточно часто это так называемый зеленый водород (в данном случае цвет — это условность, любой водород физически — газ без цвета и запаха), потому что они делают ставку на возобновляемые источники энергии. С точки зрения декарбонизации "зеленый" водород, полученный электролизом с использованием энергии ВИЭ (возобновляемых источников энергии — прим. ТАСС), лучше так называемого голубого, полученного из природного газа с последующей утилизацией выделившегося СО2. Хотя и дороже.

В России же ставка делается на производство "голубого" водорода, потому что наша страна очень богата природным газом. У нас есть приблизительно на 100 лет потребления разведанных месторождений и, по оценкам геологов, почти столько же неразведанных. То есть еще примерно два века мы можем доминировать на планете как основной производитель природного газа. 

Но карбоновая чистота "зеленого" водорода на самом деле такова только на первый взгляд. Если проследить дальше, то нужно считать углеродный след от производства самих ветряков и солнечных панелей, подготовки воды для электролиза и так далее. Так что гораздо более интересный и довольно чистый способ добычи водорода — получение "голубого" водорода при помощи синтеза его паровой конверсией природного газа. 

Сейчас при производстве водорода из природного газа почти всегда получается "серый" водород, потому что при получении такого водорода CO2 уходит в атмосферу, образуя тот самый углеродный след. Однако если мы научились утилизировать углекислый газ, то мы уже говорим об экологичном, "голубом" водороде. Наш институт как раз разработал технологию получения такого "голубого" или "бирюзового" водорода. В первом случае мы получаем водород и одновременно захораниваем углекислый газ, во втором — параллельно с водородом получаем другие ценные продукты: сажу или даже графен или углеродные нанотрубки, которые необходимы в химической промышленности. 

— Как повлияли санкции на работу ФИЦ? 

— Безусловно, наша страна сейчас находится под санкциями западных стран. Так или иначе, в нашей стране уже приняты водородная стратегия и стратегия развития электротранспорта, и отказываться от них никто не собирается. Поэтому вся наша работа в области водородных технологий будет направлена на внутренний рынок.

Мы не отказываемся от производства водорода, но мы оказываемся в ситуации, когда мы уже не можем использовать западные технологии и продукты, а на Востоке не всегда есть чем их заменить. Значит, нам надо делать свои.

Про водородный транспорт в России и необходимость технологического суверенитета

— Хочу еще раз разобраться: зачем нам вообще "зеленый" водород?

— Начну издалека. Россия — большая страна, и у нас есть проблемы с расстояниями и температурами. Среднестатистический автомобиль на литий-ионных аккумуляторах имеет запас хода по трассе (в реальных условиях, а не на треке) не более 300 км. В городских условиях — 120, а зимой еще поменьше, потому что зимы у нас разные. Даже здесь, в Подмосковье, температура может опуститься до –30 градусов, при которых электроавтомобили могут даже не запуститься. Плюс у нас почти полностью отсутствует зарядная инфраструктура для них. По факту у нас сейчас больше всего электротранспорта на Дальнем Востоке. А что делать Москве, европейской части России — до Урала, например? 

Те же электрогрузовики, которые сейчас по всему миру собирают: в Европе 100 км для этого транспорта — максимум, который он может проехать, но ему больше и не надо. У нас условный перегон Москва — Казань — 800 км. То есть даже с технологией замены электробатарей получается картинка не очень. Что нам с этим делать? Мы же хотим чистый экологический транспорт?

Автомобиль на водородном топливном элементе обладает всеми свойствами электромобиля: динамикой, экологической чистотой, удобством, тишиной. Он и есть электромобиль, только электричество для электромотора берется не из аккумулятора, а получается в топливном элементе из водорода. Плюс водородный автомобиль не надо отапливать, потому что мы помним, что топливные элементы работают при температуре не менее 60 градусов, то есть выделяемое тепло можно пустить на обогрев. 

Это, кстати, для водоробуса классно. В Москве электробусы после одного круга по маршруту уходят на зарядку, а зимой отапливаются дизельными печками. Экологично — слов нету! Если мы делаем те же самые электробусы на водородном топливном элементе, то мы производимое тепло летом отводим наружу, а зимой направляем его в замкнутый контур на отопление. Температура 60 градусов — как батарея зимой. 

Сейчас два российских производителя представили свои водородные автобусы. Их первые опытные образцы были созданы на импортных топливных элементах. Вся проблема в этом — подобные топливные элементы нам больше не доступны. Увы! Нам нужен технологический суверенитет. Сейчас мы заняты разработками энергосистем на водородных топливных элементах для общественного транспорта. У нас пока опытное производство, которое все еще нужно масштабировать до промышленного производства. 

У нас пока нет своих мембран для топливных элементов. Точнее, технология их производства есть, а самого производства нет. То есть в лаборатории мы что-то можем, но без перехода из лаборатории в производство мы не добьемся успеха. К счастью, уже принимаются государственные программы, чтобы решить эту проблему. Это не только мембран касается. Существует еще проблема с катализаторами, газодиффузными слоями…

— Как же так получилось?

— Мы (я говорю в целом про отечественных производителей) много чего покупали потому, что это было удобнее, чем производить, а не потому, что у нас нет технологий. 

Приведу аналогию с самолетами — их всегда проще было взять в лизинг, чем производить самим. То же самое и с мембранами. Грубо говоря, для того, чтобы построить маленький мембранный заводик, требовались гораздо большие деньги, чем для закупки большой партии мембран у иностранного производителя.

Фактически сделать в России бизнес на производстве мембран невозможно было. Конкуренция очень большая. 

Весь объем производства мембран будет востребован на получение водорода в промышленности и на промышленное освоение этого же водорода, связанное с "озеленением" экономики. Потому что водород и топливные элементы много где нужны. 

— Например?

— Водород помогает хранить энергию. Сейчас у нас по всему миру распространяются возобновляемые источники энергии: ветряки, солнечные панели и так далее. Но это — источники энергии с неравномерной выработкой энергии. Есть ветер, светит солнце — у нас избыток электричества. Штиль или ночь — электричества нет.  

Что с этим можно сделать? Можно за счет энергии от солнечных батарей или того же ветряка провести электролиз воды и дальше накапливать электроэнергию в водороде. Мы можем хранить водород в металлогидридах и потом, когда у нас дефицит электроэнергии, снова получить электричество при помощи топливного элемента и подать его в сеть. Например, в ночное время, когда нет солнца и мы не можем производить электроэнергию. 

Мы в институте как раз делаем сейчас отличный проект, связанный с получением электричества с помощью солнечных батарей и непрерывного функционирования конкретного помещения с определенной электронагрузкой именно за счет производства водорода электролизом и хранения его в металлгидридных накопителях.

— Вы вообще в институте водородом давно занимаетесь…

— Да. В чем-то это наше направление основывается еще на советских научных работах, однако полноценно наш институт сделал свою ставку на водородную энергетику пять лет назад. С конца 2017 года в ФИЦ ПХФ и МХ РАН создан Центр компетенций НТИ "Новые и мобильные источники энергии", который в числе прочего занимается развитием водородных технологий. С прошлого года институт участвует в работе другого Центра компетенций, "Водород как основа низкоуглеродной экономики" — этот центр, созданный при Институте катализа Сибирского отделения РАН, занимается чисто водородными технологиями, в первую очередь — в области "голубого" и "зеленого" водорода. 

Но, конечно же, наш институт занимается не только водородом. Например, в корпусе, мимо которого мы идем, разрабатываются лекарственные препараты, а сейчас мы зайдем в одну из лабораторий и увидим гранулы, которые позволяют быстро удалять нефтяные загрязнения!

Про экологичные гранулы аэрогеля, удаляющие нефтяные загрязнения, и суперконденсаторы

— Куда мы пришли?

— Мы находимся в лаборатории, где занимаются прикладными разработками в области новых материалов. Наш институт участвует в консорциуме Центра компетенций Национальной технологической инициативы по цифровому материаловедению, новым материалам и веществам при Бауманском институте, и вместе с коллегами мы занимаемся графеновыми материалами и их практическим использованием.

Очень важный прикладной результат, который нам удалось получить в этой лаборатории, — аэрогель из оксида графена и тефлона. Такие аэрогели могут быть использованы для решения важнейшей практической задачи — удаления загрязнения водоемов нефтепродуктами. Используя ограждение на основе аэрогеля, мы сможем не дать распространиться нефтяному пятну и буквально за считаные минуты устранить разлив нефтепродуктов.

— Губку создали?

— Да, с обывательской точки зрения, это губка. Точнее, вещество, которое за счет своей внутренней микропористой структуры активно впитывает нефтепродукты и удаляет их с поверхности воды. Причем водой аэрогель не смачивается и ее не впитывает.  

Если вы насыплете несколько гранул аэрогеля на руку, вы ощутите, что они очень легкие. Литр аэрогеля весит всего лишь 8 г, то есть он практически ничего не весит. Зато эти гранулы могут впитать в себя нефти в 30 раз больше собственного веса. Это больше, чем любое другое коммерчески доступное вещество такого типа.

Причем обычные промышленные сорбенты — это такие мелкие порошки, которые разносятся ветром и на водных объектах, — у нас, насколько я знаю, их практически не используют, потому что они сами являются загрязнителями. 

Наш же сорбент можно изготовить в разных формах: можно и рассыпать гранулы, а можно сделать из него боновое ограждение. Оно позволяет нам сначала локализовать в определенном месте разлитые нефтепродукты, а затем собрать их. И если мы делаем боновое ограждение из нашего сорбента, оно будет не только локализовывать загрязнение, но и впитывать. Сорбент не тонет, так что мы его легко можем потом выловить. Даже если вынесет на берег волной — он крупный, с ним ничего не будет.

После того как гранула сорбента впитала в себя нефтепродукты, мы ее можем повторно использовать. Надо только удалить оттуда нефтепродукты. Конечно, она будет не так эффективна, как в первый раз, но тем не менее.

В связи со спецоперацией на Украине огромное количество нефтепродуктов разлилось в Черном и Азовском морях. Времени на то, чтобы привести экологическую ситуацию в порядок, немного, и такие аэрогели нам бы очень пригодились. Да и при обычных разливах — тоже. Если на борту нефтяного танкера будет необходимый объем аэрогеля для локального устранения разлива мазута или солярки, то он фактически может без объявления чрезвычайной ситуации самостоятельно предотвратить экологическую катастрофу: тут же с борта сбросил сорбент и все собрал.

Надо сказать, что компании, которые работают в области нефтянки, нашим сорбентом уже заинтересовались. Мы для одной компании уже сделали образцы и отправили на испытания. Будем надеяться, что все получится. 

Мы пока научились производить сорбент в довольно небольших количествах. Когда же речь идет о более масштабном производстве, нужен или инвестор, или воля государства, ведь надо с нуля строить производство. 

— Какие внутренние ощущения от того, что вы такую классную штуку сделали?

— Не знаю, никаких особых крутых вещей мы не сделали. Мне не кажется, что это сильно крутая штука. Это же не случайный прорыв. Это наша обычная работа, изо дня в день. То, чем мы занимались очень-очень много лет.

Любой ученый, когда он занимается определенным научным направлением, видит, каким его научный продукт сможет стать в будущем. Я считаю, что наш сорбент может существенно изменить экологические подходы для нефтегазовых компаний. 

Вообще, материал сорбента имеет несколько функций. Мы делали из него пленки и использовали их в качестве сепаратора для суперконденсаторов и токоотвод для суперконденсаторов. Вот, например, тот же водородный автомобиль не может ехать исключительно на водороде. Ему нужен дополнительный источник энергии для запуска — суперконденсатор, который дает высокую пиковую мощность. 

Допустим, когда вы заводите автомобиль в холодное время суток, или в холодное время года, или в районах Крайнего Севера, аккумуляторы не выдерживают больших нагрузок при старте. Чтобы их сберечь, аккумуляторы комбинируют с суперконденсатором. Суперконденсаторы сглаживают пиковую нагрузку на аккумулятор. Завели двигатель, и дальше уже начинает работать аккумулятор, заряжая суперконденсатор. 

Про заправочную водородную станцию, водородобоязнь и уникальный исторический момент

— Слышал, у вас еще уникальная заправка есть…

— Да, водородная заправочная станция высокого давления. Она сделана по нашему техническому заданию в Германии. У нас в России пока больше нет таких заправок, к сожалению. В нашей — система хранения из шести баллонов, где хранится до 14 кг водорода.

— Такие заправки можно по всей стране поставить?

— Чисто технически — да. Была бы необходимость. Если у нас будет много водородных автомобилей, это будет целесообразно.

— Так, может быть, сначала инфраструктура, а потом автомобили? 

— Так, скорее всего, правильнее. Человеку не понадобится автомобиль без инфраструктуры. А с другой стороны, наверное, начинать надо с тех мест, где это можно сделать одновременно.  

У нас в Черноголовке уже появился водородный автомобиль — у частного владельца. Владимир Седов, энтузиаст, который увлечен водородным транспортом. Он купил водородный автомобиль Toyota Mirai, долго мучился с его заправкой водородом из баллонов, потом узнал о нас. Специально привез сюда Toyota Mirai из Красноярска, и теперь мы ее используем, чтобы испытывать водородную заправочную станцию. 

На самом деле мы уже прошли большой путь, чтобы ввести нашу заправку в эксплуатацию. У нас же в России нет никакой нормативной базы по водородному транспорту. Ничего сложного с точки зрения перекачивания газа такая инфраструктура не представляет, но должна быть нормативная база. Без нее мы пока на дорогах общего пользования не можем ставить такие заправки. Фактически это — экспериментальный образец, который мы ввели в эксплуатацию. Специалисты нашего ФИЦ участвуют в работе над созданием такой нормативной базы. 

— Я пока сюда ехал, таксисту сказал, что будет разговор про водородные автомобили. Его первая реакция была, что он не будет на таком ездить, потому что взорвется же.

— Вообще у нас в стране есть болезнь — водородобоязнь. Вот, например, легенда о немецком дирижабле "Гинденбург", который взорвался в 1930-х годах. Но на самом деле он не взорвался, а загорелся, и не потому, что в нем был водород, а из-за разряда статического электричества. Загорелся он не потому, что в нем был водород, а потому что у него была очень горючая оболочка, как и у емкостей с водородом. И большее количество пассажиров погибло не потому, что дирижабль сгорел, а потому что они упали с большой высоты. При этом выжило больше половины.

Это все-таки вещество второго класса опасности. Взрывоопасность у него ничуть не меньше, чем у природного газа или паров бензина. Но здесь есть один существенный плюс: водород очень легко покидает место утечки.

Видите, у нас на крыше заправки трубы? Это та самая система безопасности, которая позволяет при малейшей утечке водорода от него избавиться. История о том, что, как только он соединяется с кислородом, наступает взрыв, — это просто миф. Чтобы такая смесь загорелась, нужна определенная концентрация и эту смесь нужно поджечь.

Кстати, в самих топливных элементах водород от воздуха разделен протонообменной мембраной. Даже если она будет механически повреждена разрывом, то максимум, что будет, — это открытое горение. Взрыва не будет.

Если же мы говорим об автотранспорте, то в водородном автомобиле водород хранится в композитных баллонах. В чем их прелесть? Когда взрывается такой баллон, он не разлетается на осколки, как металлический, а разрывается, раскрывается как цветок и позволяет всему объему водорода мгновенно улетучиться. 

Если в баллоне появляется небольшое отверстие, водород оттуда вырывается струей. Даже если он загорится, то он так и будет гореть, как плазменная горелка, пока не выгорит. Ничего не взорвется. Это подтверждается и реальными экспериментами, которые уже неоднократно проводились. 

Допустим, у нас разрушается бензиновый бак в автомобиле при аварии. Бензин у нас куда девается? Вниз. Пары бензина при этом поднимаются вверх. При возгорании получается взрыв паров и большая, огромная площадь возгорания, которое охватывает всю машину. В водородном автомобиле, в отличие от двигателя внутреннего сгорания, горения не происходит нигде. 

Если мы с вами разрушаем баллон, даже стреляя в него, из него вырывается узкая струя водорода, которая сама по себе сбивает пламя и не создает условий для объемного горения. Вдобавок во всех водородных автомобилях, в тех же Toyota Mirai или Hyundai Nexo, очень классная система безопасности из клапанов и датчиков. 

Между прочим, с точки зрения пожарной опасности литий-ионный аккумулятор — это штука гораздо более страшная, потому что потушить его невозможно. Можно только отойти в сторону и ждать, пока он догорит. Разве что экран огнеупорный поставить, чтобы не загорелись другие машины.

— Следующий страх: водородное охрупчивание.

— Оно существует, но у нас в топливных элементах нет деталей из тех металлов, на которые может повлиять водород. А все стальные части, которые используются для подачи водорода, специально обработаны. Но на самом деле и не всякая сталь охрупчивается под действием водорода. 

Существуют виды стали, которые не поддаются водородному охрупчиванию и предназначены для трубопроводов. Тот же самый "Северный поток — 2" сделан из труб с соответствующими покрытиями, которые позволяют прокачивать аммиак, водород или природный газ. 

Проблема в том, что остальные наши трубопроводы сделаны из разных типов сталей. Они же строились все в разное время. Не дай бог, в них есть сварное соединение где-то — это самое опасное для водорода... Получается, чтобы гнать сейчас гипотетически водород в Индию, нам надо очень сильно модернизировать трубопроводы. 

— Давайте про деньги поговорим. Дешевле на электричестве или на водороде ездить?

— Если говорить про заграницу, то сейчас использование водородного транспорта обходится дешевле, чем использование электрического. Сейчас же электричество подорожало здорово, а водород не так подорожал. По-хорошему, мы наблюдаем совершенно фантастический момент. Европа активно толкает пользователей к приобретению электротранспорта. Чем дороже газ, нефть и прочее, тем дороже электричество в Европе. Соответственно, заряжать машинку в какой-то момент станет очень невыгодно. Тогда у нас появляется дешевый водород. Плюс "зеленый" водород выйдет на повестку дня... Сейчас водородный транспорт может не то что ренессанс в Европе пережить, а выйти на свой пик!

— А у нас?

— Все зависит от воли государства. Купить машину и заправлять ее в Красноярске — это одна история. Без инфраструктуры… Вот показали Aurus на водороде. Это идея Ростеха и воплощение Ростеха. Использовался корейский топливный элемент и корейская энергоустановка. То есть пока мы вынуждены использовать чужие разработки для того, чтобы создать свой серийный образец, — это же фактически эмпирическое формирование возможной отрасли и рынка. 

Вместо того чтобы идти разрабатывать автомобили и разрабатывать водородную заправочную станцию, мы можем попробовать и просчитать в экономике, как это будет работать. Потом уже создавать инфраструктуру в крупных городах. У нас не будет водородного транспорта без инфраструктуры, но у нас не будет инфраструктуры без заказа на водородный транспорт. Кто-то должен начать. 

— Вы начали.

— Мы начали, по большому счету. Вот у нас стоит опытная беспилотная грузовая платформа, которая абсолютно безопасна для шахт, которую можно использовать в заповедниках. Она модифицируется под пассажиров. Она беспилотная, не требует участия человека. Водородная, экономичная, безопасная и умная. 

Про сопричастность и веру, что наука изменит мир

— Последний Центр компетенций, [где мы сейчас находимся], как понимаю.

— Да, мы сейчас находимся в лаборатории, в которой ведутся исследования магнитных свойств материалов на уровне отдельных молекул. Задача состоит в том, чтобы спроектировать новое вещество, каждая молекула которого будет представлять собой магнит. Это могут быть очень сложные комплексы, состоящие из нескольких молекул с перспективными свойствами для новых материалов.

Наша задача состоит в том, чтобы эти молекулы потом исследовать на проявление магнитных свойств и выявить соединения-лидеры. Потом создать кристаллы, обладающие определенными магнитными свойствами, а после — сделать пленки, которые уже могут иметь функциональное применение. Здесь мы говорим фактически о работе на перспективу. Результаты, которые мы получаем, мы "потрогать" еще не можем — до практики пока не дошли. 

— Дочке ты что про работу рассказываешь?

— У меня три дочки: два года, шесть лет и десять лет. Я их, буду честным, привозил к себе на работу, они были в лабораториях, видели оборудование. Но пока им очень сложно объяснить, что нового это дает. Пока они понимают: "Ага, папа за компьютер сел! Значит, папа опять работает". 

— Не жалеешь, что перешел в кабинетный формат?

— Нет, не жалею, поскольку у меня есть возможность в рамках своей лаборатории немного заниматься наукой, плюс кабинетный формат позволяет участвовать в трансформации научного ландшафта в стране. 

Если посмотреть на ландшафт российской науки, то он у нас сформировался в советское время. За эти 30 лет я не знаю ни одного примера, когда бы был создан новый институт. А когда мы говорим о Центрах Национальной технологической инициативы — это уже некий новый элемент воздействия на ландшафт науки и образования. 

Мы используем те компетенции, которые исторически в тех или иных научных организациях привились и сложились. Дальше мы фокусируем их под определенную сквозную технологию и срабатывает синергия. Нет необходимости создавать новые наукограды, мы можем использовать те, которые создавались в советское время, и увеличивать их потенциал.

— Ты бы хотел, чтобы твои дети пошли по твоим стопам?

— Я считаю, что у ребенка должен быть выбор. Если этот выбор будет связан с наукой, то я, безусловно, покажу и расскажу, каким образом можно добиться тех или иных результатов. Но если их выбор не будет связан с наукой, это будет их осознанный и правильный выбор.

— Если помечтать — как сильнее всего вот то, чем вы занимаетесь, может изменить мир? 

— Я считаю, что мы, безусловно, способны развить водородный транспорт. Мы будем ездить на водородных автомобилях, мы уже к этому технологическому переходу подошли очень и очень близко. У нас появятся новые устройства, которые будут колоссальный объем данных в себе содержать. Возможно, появятся совершенно новые солнечные батареи с колоссальным КПД...

— Прерву: что ты чувствуешь, когда ты говоришь мне про это?

— Что я чувствую? Я чувствую, что я в это верю. Это не просто слова, которые шаблонно говорят, что наука изменит мир. Нет, я действительно в это верю. 

Я вижу, как те или иные научные изыскания, которые были 10–15–20 лет назад, уже используются сейчас. Никогда не было бы телефонов с сенсорным экраном, если бы не научные разработки. 

— Я думаю, что твой ответ — не совсем про чувства.

— А это не значит, что я ничего не чувствую. Не знаю. Вопрос меня сейчас поставил в тупик, на самом деле. Что можно чувствовать... Какую-то сопричастность, правильно? 

Знаешь, я вспомнил пример один. У нас в институте проводятся работы с лекарственными препаратами, и одну из разработок удалось довести до коммерческого продукта в виде ранозаживляющей мази. Мазь появилась в "Озоне", ее можно купить, ей можно пользоваться. 

Я принимал активное участие в том, чтобы мазь появилась и ею могли пользоваться все. У меня родители и родственники говорят: привези, пожалуйста, еще. Она действительно работает и заживляет раны. Я испытываю огромное ощущение удовлетворения от этого.