Русский  Н₂-проект 

Светлой памяти Юрия Серафимовича Чернова, главы администрации Воронежа в 1991–1992 гг., одного из создателей водородно-кислородного парогенератора, посвящаю!

Продвижение водорода в энергетику –

плацдарм реализации прорывных инноваций

Жизнедеятельность человека неизбежно сопряжена с загрязнением окружающей среды. Чем выше комфортность жизни и гуще население городов, тем сильнее страдают природа и сами люди от производимого ими мусора. Нобелевский лауреат Нильс Бор предсказывал: «Человечество погибнет не от атомной бомбы, бесконечных войн, оно похоронит себя под горами собственных отходов». Под отходами можно разуметь не только бытовые и промышленные отходы, но и в более широком смысле ухудшение экологических показателей среды обитания, как от мусорных полигонов, так и от работающих энергогенерирующих источников.

На мой взгляд, модернизация – это прежде всего мышление, ориентированное на формирование новой водородной цивилизации с учетом опережающего технологического задела и огромного интеллектуального ресурса человечества, в том числе применительно и к России. Только широкое применение водорода на земле, в воздухе и в космосе позволит заложить мощный фундамент нового мышления в сфере энергетики, транспорта и быта (см. «ЭФГ» № 34, 2010 г.). Эффективно получать, передавать, хранить и использовать самый легкий элемент природы, рождающий только воду при его сжигании в кислороде, – первый и необходимый этап обретения широких системных представлений о больших экологических возможностях водорода.

Эффективная транспортировка и хранение водорода – веление времени

В настоящей газете почти на протяжении 15 лет водородная проблема регулярно и достаточно глубоко освещается. В частности, в «ЭФГ» № 49–50 за 2010 год подробно представлено состояние вопроса разработки совместного проекта руководства Сахалинской области и японских специалистов по ветроводородной концепции. Смысл ее предельно ясен: газообразный водород предстоит получать путем электролиза воды с использованием дешевой электроэнергии от ветряков, а затем его необходимо сжижать путем соединения с толуолом и преобразования в жидкий химический продукт – метилциклогексан (МЦГ) в обход низких (криогенных) температур. Полученную жидкость можно транспортировать к месту использования либо трубопроводами, либо обычными химическими танкерами. На месте водород легко извлекается из МЦГ с возвратом толуола для повторного использования. Представленная технология далеко не нова: ей, пожалуй, не менее 30 лет, и она страдает существенным недостатком – «паразитной» перевозкой туда-сюда толуола. Альтернативой ей по-прежнему остается транспортировка жидкого водорода (Н_2ж) с учетом того, что в последнее время развиты подходы с получением из Н_2ж газообразного водорода сверхвысокого давления, вплоть до тысячи атмосфер. Последнее важно как для заправки баллонов с использованием их для снабжения газом топливных элементов электромобилей, так и для обеспечения эффективной работы экологически чистых водородно-кислородных парогенераторов, разработанных, в частности, в Объединенном институте высоких температур (ОИВТ) Российской академии наук.

Однако транспортировка Н_2ж сопрягается с неизбежными потерями водорода из-за теплоподвода из внешней среды. К примеру, перевозка полутора тонн Н_2ж в автоцистерне ЦТВ 25/06 объемом 25 куб. метров приводит к ежесуточному улетучиванию в атмосферу до 15 кг Н_2ж. Что же может быть лучше «паразитной» перевозки толуола или транспортировки жидкого водорода? В перспективе можно ожидать широкие перевозки жидкого сероводорода (Н₂S) под давлением в специальных цистернах с последующим его длительным хранением в стационарных резервуарах. В местах доставки сероводород может использоваться как для получения серы путем соединения его с кислородом воздуха, так и для дешевого извлечения водорода по новейшим технологиям, лабораторно разработанным в некоторых научно-исследовательских институтах еще в СССР. Уместно заметить, что сероводород сопутствует добыче нефти, природного газа и несметно он присутствует в черноморской воде на глубине от 100 до 150 метров.

Русский котел без вредных выбросов

Прямое сжигание водорода в кислороде является достаточно совершенным по экологии процессом, так как не сопровождается выбросами никаких вредных веществ. Вместе с тем очевидно, что образующаяся при этом вода в разных фазовых состояниях не должна выбрасываться в атмосферу, ибо, повышая ее влажность и температуру, она со временем может стать весьма неблагоприятным фактором для среды обитания людей. Достаточно напомнить, что, например, для получения 70 МВт электричества по самым передовым технологиям необходимо сжечь 1 кг водорода, что приведет к образованию 9 кг воды в каждую секунду работы энергогенерирующего источника. Цифра немалая – более 32 тонн в час! Однако указанный фактор в настоящее время можно считать вторичным по отношению, например, к оксидам азота или окислам углерода – непременным спутникам процесса сжигания углеводородных топлив.

Интерес к сжиганию водорода в кислороде начал проявляться еще в 30-х годах прошлого столетия. По крайней мере, об этом свидетельствует техническое решение по паровому котлу с погружным горением (Авт. свид. СССР № 31448 от 25.12.1931 г.) упомянутой пары (Н₂ + О₂). При использовании современных технологий и экспериментальной базы ракетного двигателестроения в КБХА (Воронеж) разработан (Патент РФ № 2018048 от 28.12.1991 г.) и апробирован в 1991 году под руководством инженера Анатолия Романовича Савича парогенератор с погружным стехиометрическим сжиганием водорода в кислороде под водой. Парогенератор (см. рис. 1), содержащий (формула изобретения) основную пароводяную емкость 6 и погруженную в воду основную двухканальную форсунку 4, сообщенную одним каналом через патрубок подвода кислорода с источником кислорода 1 и другим каналом через патрубок подвода водорода с источником водорода 2, отличается тем, что он снабжен, по меньшей мере, одной дополнительной пароводяной емкостью 7 и дополнительной двухканальной погружной форсункой 5 с патрубками подвода кислорода и водорода. При этом патрубки подвода кислорода и водорода основной и дополнительной форсунок снабжены запорными органами и жиклерами, источники кислорода и водорода выполнены в виде резервуаров, объемы которых, включая патрубки подвода, относятся соответственно как 1:2, а резервуары объединены общей системой 3 наддува инертным газом. Причем площади проходных сечений жиклеров патрубков подвода кислорода и водорода относятся соответственно как 2:1. Из схемы на рис. 1 ясно, что емкости 6 и 7 работают попеременно в зависимости от назначенной предельной температуры рабочей среды в них. Пароводяной эжектор 8

 осуществляет подсос воды из резервуара 9 с подачей горячей воды к потребителю 10.

К настоящему времени наиболее продвинутым техническим решением можно считать водородно-кислородные парогенераторы, разработанные под руководством профессора С.П. Малышенко в Объединенном институте высоких температур РАН. Стехиометрическое сжигание водорода в кислороде с последующим балластированием водой получаемого продукта сгорания позволяет с помощью Н₂/О₂ – парогенераторов высокого давления реализовать разнообразные термодинамические циклы преобразования энергии. Исследованы вполне доступные схемы использования парогенератора, которые, в частности, при давлении пара в 20,0 МПа и его температуре 1500 К позволяют достигнуть к.п.д. вблизи 0,62, что по эффективности конкурентоспособно даже с перспективными парогазовыми установками при сопоставимых финансовых затратах.

Плодотворным в части продвижения энергоустановок нового поколения является сотрудничество ОИВТ РАН и ОАО «КБХА», в результате которого разработаны и созданы экспериментальные огневые блоки Н₂/О₂-парогенераторов высокого давления тепловой мощностью от 20–100 кВт до 10–25 МВт, проведены их успешные испытания и выполнен комплекс экспериментальных исследований процессов с их использованием.

В свете изложенного становится актуальной проблема повышения прежде всего давления газообразного водорода, причем с низкими энергозатратами. В ЦИАМ (см. «ЭФГ» № 34, 2010 г.) накоплен большой технологический задел по вопросам транспортировки на расстояние до 4000 км с помощью автоцистерны ЦТВ 25/06 объемом 25 куб. м жидкого водорода с его перекачкой в емкости потребителя. Жидкий водород (Н_2ж) можно получать в местах дешевой избыточной электроэнергии с последующей его газификацией после доставки к местам потребления. Смысл предложения заключается в перекачке Н_2ж насосом давлением до 70 атмосфер из емкости ЦТВ 25/06 в стационарный резервуар. Нетрудно убедиться, что за счет разности температур Н_2ж (20 К) и окружающей среды (300 К) будет происходить повышение температуры водорода в стационарном резервуаре с повышением его давления в идеальной постановке пропорционально повышению (в 15 раз) температуры, вплоть до тысячи атмосфер. В реальности можно ожидать достижения давления газообразного водорода на уровне 700–800 атм, причем для металлического резервуара объемом 10 куб. м за время, несколько большее суток.

Предлагается техническое решение, схема реализации которого представлена на рис. 2. Заманчивость предложения заключается в том, что при применении в качестве привода турбины 4, работающей на газообразном водороде, поступающем из газификатора 5 после насоса 2, можно использовать водородный турбонасос ракетного двигателя РД-0146 при значительно уменьшенной частоте вращения его ротора. Энергозатраты на привод насоса 2 в этом случае практически отсутствуют с учетом поступления газа после турбины в водородную емкость 6 (рис. 2) с более низким уровнем давления по сравнению с уровнем в основной накопительной емкости 3. Использование газифицированного водорода как высокого, так и низкого давления может быть разнообразным: от обеспечения работы Н₂/О₂-парогенераторов до наполнения автомобильных баллонов. Особым представляется вариант добавки газообразного водорода расходом до 4% по объему к природному газу, поступающему в камеру сгорания через разработанные под руководством автора специальные многоствольные горелки газотурбинных установок. Не исключен также вариант прямого поступления водорода к топливным элементам, совокупность которых может составить батарею мощностью, например, в 100 кВт с потребностью в водороде расходом в 1,1 г/с, что обеспечивает к.п.д. его использования более 60%.

Представленный материал показывает большие возможности продвижения водорода в энергетике с реализацией прорывных инновационных решений. Особенно это важно при создании комплексного центра энергогенерирующих источников, интегрирующего в своем составе источники газообразного водорода, жидкого сероводорода, газотурбинные установки и парогазовые установки с водородно-кислородными парогенераторами. Предварительные расчеты показывают, что при создании передового демонстрационного центра с электрической мощностью 2 МВт по эффективному получению электричества, холода и тепла в регулируемых соотношениях финансовые затраты составят не более 3 млн. долларов.

РИД – самый востребованный в мире товар

Результаты интеллектуальной деятельности становятся самым востребованным товаром в мире. Реализация РИД осуществляется, как правило, через патентозащищенные объекты интеллектуальной собственности (ОИС). Экономика России должна обретать инновационный характер. Таково ныне требование времени: интеллектуальная собственность должна активно вовлекаться в хозяйственный оборот, как это делается в развитых странах с наукоемкой и высокотехнологической продукцией. К примеру, половину стоимости газотурбинных установок (ГТУ) мощностью до 60 кВт американской фирмы СТС (Capstone Turbine Corporation) составляет доля стоимости 60 реализованных патентов на изобретения. Малошумные малоразмерные ГТУ с высокими экологическими показателями активно покупаются в нашей стране, составляя конкуренцию даже более дешевым японским газопоршневым электростанциям.

Очевидно и другое. Коммерциализация ОИС повышает уровень капитализации предприятия за счет повышения доли балансовой стоимости нематериальных активов (НМА) в общей его балансовой стоимости. Например, у фирмы «Дженерал Электрик» стоимость НМА составляет 40 процентов от балансовой стоимости, а у нашего Газпрома – только 0,08 процента. Вообще в России 99 процентов технологий, программ, продукции и прочее остаются незащищенными. Соответствующие права на ОИС не зарегистрированы, не отражены в балансе и не работают на экономику предприятия, образуя, с одной стороны, упущенную выгоду, а с другой – возможность стать объектом патентной интервенции со стороны конкурентов, особенно зарубежных (см. «ЭФГ» № 19 и 47, 2008 г.). Такая возможность стала реальностью применительно к сфере нанотехнологий.

В нашей стране с 2005 года зарегистрировано к началу 2010 года более 2030 патентов в упомянутой сфере научно-технической деятельности, что составляет пятую часть всех аналогичных патентов мира. Казалось бы, непривычно хороший показатель! Однако собственниками 2000 патентов (из 2030) являются иностранцы. Налицо интеллектуальное закабаление страны. Капиталистические магнаты хорошо знают свое дело. Но каково нам, высококлассным специалистам авиационно-космического комплекса, научно-технологический потенциал которого еще достаточно высок и порою превышает мировой уровень, особенно в сфере водородных технологий (см. «ЭФГ» № 34, 2010 г.)?!

В настоящее время мне известны около 50 отечественных патентов на изобретения, полезные модели, ноу-хау и программы по эффективному получению, транспортировке, хранению и использованию самого легкого и самого распространенного во Вселенной элемента, основное назначение которого – рождать воду. А вода – это колыбель жизни! Работа с водородом (извините меня за лирическую нотку), который облагораживает не только процессы, но и людей, приносит мне необыкновенное удовлетворение и уверенность в том, что моя страна останется лидером в формировании новой водородной цивилизации с учетом опережающего технологического задела и огромного финансового ресурса. Дело за малым – гармонично объединить и этот задел, и эти финансы, и этих специалистов в рамках создания демонстрационного экологически чистого энергоцентра (ЭЧЭ) по эффективному получению электричества холода и тепла в регулируемых соотношениях.

Открытое обращение к господину Вексельбергу, Президенту Фонда «Сколково»

Уважаемый Виктор Феликсович!

Позвольте мне вольность предложить для решения вместе с Вами простенькой задачки, нацеленной на получение гарантированного успеха в создании земного экологически чистого энергоцентра (ЭЧЭ) на уровне наших авиационно-космических достижений. Таких достижений, как два беспримерных перелета в 1937 году из Москвы в Америку через Северный полюс одномоторных самолетов АНТ-25 под руководством В.П. Чкалова и М.М. Громова; как полет Ю.А. Гагарина в 1961 году; как перелет из Москвы во Францию в 1988 году самолета ТУ-155 с двигателем, работающим на жидком водороде в качестве топлива, с установлением 4 мировых рекордов; как первый в мире успешный запуск гиперзвукового аппарата в 1991 году, в шесть с лишним раз превысившего скорость звука и на 13 лет опередившего подобные результаты в США!

Достигнутые первоклассные результаты позволили сложиться мощным коллективам научно-исследовательских центров и опытно-конструкторских бюро, сформироваться научным школам и накопиться опережающему заделу по технологиям производства и сложным организационным системам авиационно-космического комплекса.

Концентрация упомянутого задела в патентозащищенных объектах интеллектуальной собственности (ОИС) по прорывным водородным технологиям позволяет в сжатые сроки (1,5–2 года) при минимальном финансировании (3–4 млн. USD) создать демонстрационный центр ЭЧЭ мощностью 2 МВт в рамках Фонда «Сколково». Создание центра ЭЧЭ может осуществлять организованное общество с ограниченной ответственностью с уставным капиталом, включающим нематериальные активы в количестве не менее уже разработанных специалистами АКК 50 ОИС.

Убежден: процветание России начнется с умения превращать с достаточной полнотой и эффективностью наш интеллектуальный потенциал в конкурентоспособную коммерческую продукцию мирового уровня.

Валерий Игнатьевич Гуров,

доктор технических наук