Юрий Добровольский: мы хотим получить эффективный двигатель без проблем ДВС

Конкурсы Up Great "Первый элемент", которые проводятся в рамках Национальной технологической инициативы РВК, Фондом "Сколково" и АСИ, нацелены на преодоление технологических барьеров в создании компактных и эффективных водородных топливных элементов для транспорта. Водородные источники энергии имеют потенциал, вполне сравнимый, а иногда и превосходящий литиевые аккумуляторы. Но у этой технологии есть серьезные технологические преграды, которые и планирует преодолеть Up Great. О сегодняшнем дне и будущем одной из самых перспективных топливных технологий корреспонденту РИА Новости Олегу Никишенкову рассказал лидер конкурсов Up Great "Первый элемент", заведующий лабораторией Института проблем химической физики РАН (ИПХФ) Юрий Добровольский:

- Юрий Анатольевич, участникам конкурсов Up Great "Первый элемент" требуется преодолеть барьеры удельной массовой энергоемкости и удельной энергоплотности. Почему именно по этим показателям важно достичь прорыва?

- Сегодня мы живем в мире, где почти повсеместно используются двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Сейчас для человечества они являются эталоном энергоэффективности и энергоемкости в транспортной отрасли. При этом все уже на себе ощутили основные недостатки ДВС, особенно в городах: это шум и сильное загрязнение окружающей среды. Поэтому сейчас городской транспорт повсеместно стал развиваться в сторону создания машин на электрической тяге – они решают большинство проблем ДВС. Теперь давайте подумаем, какие характеристики мы должны взять в основу для электротранспорта? Понятно, что они должны быть хотя бы не хуже показателей ДВС. Теперь сравним два самых актуальных решения в области электрохимических источников энергии: водородные топливные элементы и литиевые аккумуляторы. Автомобиль Tesla работает на литиевых источниках питания, его отличает мягкое комфортное движение без шума. Но и минусы такого автомобиля очевидны: ограниченность пробега на одной зарядке, в то время как заправка полного бака бензина позволит проехать не менее 500 километров.

- Говорят, Tesla Model S на одной зарядке все же может проехать такое расстояние.

- Допустим, вы даже сумели его пройти. Все равно у литиевых аккумуляторов есть существенные недостатки: полный заряд автомобиля занимает не менее 8-9 часов. А бензином вы заливаетесь всего за 1-2 минуты. К тому же, если часто использовать быструю зарядку, аккумулятор скоро "состарится" и вам придется его часто заменять. А это, кстати, самая дорогая часть электромобиля. В идеале потребитель, конечно, хочет иметь аккумулятор, который служит столько же, сколько и сам автомобиль. Чтобы не использовать часто полную зарядку аккумулятора, некоторые владельцы электрокаров стараются каждый раз заряжать электромобили лишь наполовину. Конечно, при такой зарядке автомобиль и проходит только половину пути, который мог бы пройти при полной зарядке.

- Водородные топливные элементы решат эти проблемы?

- Мы хотели бы получить двигатель без недостатков ДВС, но с похожими характеристиками динамики и скорости "заправки". Очевидно, что этого невозможно достичь с сегодняшними аккумуляторами: есть технологические пределы, которых нам в ближайшие несколько лет не преодолеть. И самая основная характеристика, а это и есть барьер, который мы стремимся преодолеть – энергоемкость. Среди аккумуляторов, которые относительно недороги и сегодня реально выпускаются в промышленных объемах, при этом имея относительно небольшие габариты, этот показатель составляет приблизительно 250 Вт*час/кг.

- И что это означает? О чем это число говорит потребителям?

– Оно показывает, сколько "весит" единица энергии, которая движет ваш автомобиль. Энергоемкость – синоним энерговооруженности. И в бензине в разы больше энергоемкости, чем в упомянутых 250 Вт*час/кг. К тому же, есть еще одна важная характеристика – мощность: проще говоря, сколько сил мы затрачиваем на движение. Например, компактному малолитражному автомобилю требуется примерно 20 кВт. Электрическому автомобилю класса Tesla – более 60 кВт, и 120 кВт при пиковой нагрузке – числа совсем другого порядка, согласитесь. При этом самый оптимистический прогноз по энергоемкости аккумуляторов на несколько лет вперед составляет не более 350 Вт*час/кг. И все равно он не приближает нас к ДВС по энергоемкости. Необходимо добиться максимально приближенного показателя. В 2015 году с этим технологическим пределом столкнулись все ведущие автопроизводители. Все уже понимают, что нужен другой источник энергии. Одной из первых компаний, сделавших пассажирский автомобиль на водородных топливных элементах, стала Toyota c моделью Mirai. Компании удалось достигнуть сравнимой с ДВС энергоемкости. Японцы доказали, что технология водородных топливных элементов (ВТЭ) сравнима с ДВС по эффективности.

- Как вызовы в технологии водородных топливных элементов проецируются на квадрокоптеры и другие изделия, где можно использовать ВТЭ?

- Для конкурса мы взяли ключевые показатели: в одном случае - объемная энергия, в другом – массовая, это основные барьеры. В автомобиле главное ограничение носит геометрический характер. По идее, можно просто поставить много литиевых аккумуляторов, но тогда нужна машина размером не менее, чем с тягач, а производитель требует эргономичности. А в воздухе решающую роль играет именно масса. Представьте: если устройство будет тяжелым – ведь его тоже придется в воздух поднимать, вместе с остальными деталями летательного аппарата.

И еще один фактор, который подталкивает активные поиски перехода с ДВС на топливные элементы: возникновение новых, уже вполне ощутимых реальных рынков. Речь идет, прежде всего, о роботах и квадрокоптерах. Можете представить робота с выхлопной трубой – смешно, не так ли? Робототехника активно развивается, и энергоемкость источников питания для этой отрасли будет крайне важна. Что касается квадрокоптеров, то чем больше будет его энергоемкость и меньше масса, тем дольше он будет летать. Сейчас эти летательные аппараты могут продержаться в воздухе примерно полчаса, выполняя какие-то незначительные задания типа развлекательной съемки. Для выполнения более сложных поручений, скажем, для решения задачи так называемой "последней мили" в логистике (доставка товара от склада до конечного потребителя – прим. ред.) или для картографической съемки, нужно летать несколько часов, перевозя максимальное количество полезной нагрузки. И, когда мы показатели энергоемкости пересчитываем на время, получается, что коптер должен держаться в воздухе не менее трех часов. Эти расчеты отразились в показателях наших конкурсов.

- Как бы Вы оценили качество команд, представивших свои решения на конкурсы Up Great?

- В наших конкурсах участвуют сильные полноценные команды. В конкурсе "Первый элемент. Воздух" (требуется представить решение для летающих объектов – прим. ред.) получился довольно широкий круг участников. И я достаточно оптимистичен по поводу их возможностей. Среди них есть и вузовские проекты, и профессиональные команды, делающие вертолеты. Мы считаем эту тему в целом более "подъемной": для создания изделия требуются инвестиции, не превышающие нескольких миллионов рублей, и в этом конкурсе могут участвовать стартапы.

Конкурс "Первый элемент. Земля" - более сложный. Участникам нужно создать топливные элементы большей мощности и "загнать" их в маленький объем. Требуется много профессиональных навыков, к тому же необходимо иметь хороший коммерческий задел, создание такой установки выходит гораздо дороже коптерной.

Сейчас эксперты проверяют команды на аутентичность технологий, делают верификацию участников. Кроме того, мы осуществляем верификацию тем конкурса: с момента его начала технологии не стояли на месте, эта область быстро развивается.

- Хотелось бы поговорить о перспективах водородных топливных элементов у нас в России. С одной стороны, здесь сильна фундаментальная наука, но возникает вопрос о внедрении: ведь ставится вопрос о развитии заправок на натуральном газе и метане. Зачем тогда развивать двигателестроение на водородных топливных элементах?

- Конечно, мы - богатая ресурсами страна, и порой, к сожалению, забываем об экологии. Важно понять, что развитие технологии ВТЭ никак не противоречит задаче создания инфраструктуры заправок, работающих на газовом топливе и метане. Ведь основной источник чистого водорода – это как раз метан. При риформинге, то есть реакции метана с водой при нагревании, он вырабатывается в большом количестве. Если совместить газовые и водородные технологии, можно в результате получить попутно топливо для экологически чистого транспорта плюс постоянный источник тепла и энергии. И если в стране будет развиваться сеть газозаправочных станций, можно и водородом заправлять автомобили. Достаточно рядом с такой станцией поставить конвертор, а это сравнительно небольшое устройство, размером с два небольших шкафа примерно, и рядом с основной появится еще одна заправка, для более современных автомобилей на водородных топливных элементах.

Кроме того, Россия сейчас активно развивает робототехнику, беспилотные летательные аппараты и квадрокоптеры. В любом из этих дел другого пути, кроме создания новых топливных элементов, просто нет. Не создадим – не получим требуемых функциональных свойств летающих объектов: ни перевозки грузов, ни хороших коптерных аэросъемок и доставки по городу. Новый рынок требует новых источников энергии. Либо мы всей Россией в этот рынок войдем, либо его просто не будет. А водород выигрывает в разы у лития.

- Известно, что в ряде стран водородные топливные элементы уже внедрены на транспорте. Речь, в частности, идет о рейсовых автобусах. Принимался ли во внимание зарубежный опыт?

- Да, действительно, в ряде западных мегаполисов уже давно внедрены автобусы, работающие на водородных элементах. В Лондоне они уже лет 20 курсируют. Да что далеко ходить, в Риге уже 2 автобусных маршрута работают на ВТЭ. Но нужно понимать, что требования к автобусу и к личному транспорту совсем разные. Автобус по габаритам, по своей геометрии – гораздо более крупное изделие. В нем уже решены проблемы конкурса, но решены по отдельности. То есть, отдельно решен вопрос с топливными элементами, отдельно - с электродвижением. Но главная задача, которую мы в конкурсе Up Great "Первый элемент" сформулировали, - совместить электродвижение и топливный элемент внутри заданного оптимального объема.

- Если автобусы появились уже 20 лет назад, почему развитие водородных топливных элементов не продвинулось так далеко, как могло бы за это время?

- Дело в том, что финансовый кризис 2008 года существенно двинул вперед именно литиевые технологии. И все благодаря их относительной дешевизне. Потребовались недорогие простые решения: вилку в розетку воткнул и зарядил. А сегодня мы видим возвращение водорода как рыночного продукта в области автостроения. Экспериментальные водородные автомобили уже выпускает любая уважающая себя компания. Но есть свои сложности, я уже говорил про них: сколько вместить энергии в объем. Из всех игроков, пожалуй, только Toyota создала продукт – автомобиль Toyota Mirai, сравнимый по эффективности с литиевой Tesla. Как только появился первый доступный пассажирский автомобиль на водородных топливных элементах, сравнимый с Tesla, стало понятно, что перспективы дальнейшего развития ВТЭ огромны. При этом литиевые батареи, используемые на транспорте, достигли своего пика, и их дальнейшее развитие имеет довольно узкие рамки и ограниченные перспективы.

- Давайте попробуем заглянуть в послезавтра: где может быть следующий барьер в области водородных технологий?

- Я абсолютно уверен, что в недалеком будущем по городу не будет ездить ни одного вида транспорта, работающего на двигателе внутреннего сгорания. Мегаполисы мира задыхаются, и многие наши болезни сейчас возникают из-за плохого состояния окружающей среды. И, если водородные технологии будут слишком дороги, придется все равно жертвовать экономикой для улучшения экологии. В будущем между собой будут продолжать конкурировать две основные технологии: аккумуляторные батареи и топливные элементы. Водород будет вне конкуренции для решения задач, когда большой вес необходимо доставить на большое расстояние. При этом малогабаритный личный транспорт останется скорее аккумуляторным, - я говорю сейчас о городе. Не исключено, что грузовой транспорт за пределами города будет еще долгое время, возможно, в перспективе до 2030-2035 годов, работать на бензине и керосине.

Второе. У нас будет очень много робототехники. Через 15 лет повсеместно будут внедрены почтовые коптеры, по городам будут ездить таксисты - автопилоты и автономные беспилотные автомобили для каршеринга. В результате мы уменьшим в 10 раз количество автомобилей в городе, так как вам не будет нужно собственное авто, да и для окружающей среды такая ситуация будет намного полезней. На ближайшие 100 лет электричество останется основным видом энергии.