Академик Валентин Пармон: "50$ млн — для Чубайса это слишком маленькие деньги"
Почему в России непросто пробиться новым энергетическим технологиям? Как снять два мегаватта мощности с обычного ведра? Можно ли сделать безопасные для людей угольные котельные? На эти и многие другие вопросы Лайфу ответил знаменитый химик, специалист в области нетрадиционных и возобновляемых источников энергии (ВИЭ), академик Валентин Пармон.
А.Б.: Начнём с самого неудобного вопроса. Эксперты в ноябре прошлого года довольно единодушно оценили перспективы развития как возобновляемой, так и традиционной энергетики в ближайшие десятилетия. Также, как и Международное энергическое агентство (МЭА) они не ожидают каких-то сдвигов. Основой энергетического баланса будущего они по-прежнему считают углеводороды и уголь....
В.П.:Но технологии будут меняться...
А.Б.: В то же время в научном сообществе на Западе оценки этого вопроса часто совсем иные. Отмечается, что возобновляемая энергетика будет развиваться радикально быстрее, чем остальные виды генерации. Остро критикуют прогнозы МЭА данные в 2006 году. Тогда они говорили, что значимой возобновляемая энергетика в 2016 году не будет. Однако одна только солнечная энергетика уже даёт больше одного процента мировой генерации, а в Калифорнии и Италии её доля составляет 10 процентов. Получается, МЭА и эксперты значительно недооценивали темпы развития ВИЭ. Существует точка зрения, что уголь может уступить возобновляемый энергетике в 30-40-х годах, а затем и нефть с газом ждёт та же судьба.
В.П.: Это действительно так. Скорость развития возобновляемой энергетики сильно недооценивалась. Но вы понимаете, мир географически очень неоднороден. Поэтому Калифорнию в этом плане нельзя сопоставлять с Аляской. Да, скорость развития солнечной энергетики была исходно недооценена. Жорес Алферов, который стоял у истоков фотоэлементов на базе полупроводников, ещё в советское время, выступая на совещании по перспективам этой отрасли, отмечал, что она станет конкурентоспособной, если в тысячу раз понизить себестоимость её энергии. Это считалось просто нереальным. Но на практике прогресс в области полупроводников — обусловленный развитием микроэлектроники — был настолько быстрым, настолько мощным, что он позволил массово производить очень дешевые солнечные батареи. А в будущем они станут ещё дешевле. Так что солнечные батареи теперь позволяют производить достаточно конкурентоспособное электричество. Но их проблема в том, что они делают это, когда светит Солнце. В Калифорнии его много, а на Аляске — гораздо меньше, полгода его почти нет. То есть в любом случае солнечный энергетике сложно решить проблемы энергетического обеспечения подобных частей планеты. Нужны какие-то средства запасания энергии.
Возьмем Россию — в России есть Крым. Кстати, я был там буквально полтора месяца назад, и впечатление очень плохое. После четверти века оккупации Украиной — а это можно назвать именно оккупацией, потому что средства за это время в развитие полуострова практически не вкладывались — там была разруха полная, вот только сейчас начало что-то оживать.
И вот в Крыму, ещё при СССР, предполагался район перспективного развития солнечной энергетики. Мы (группа В.Н.Пармона — прим. ред) проводили там испытания абсолютно уникальных систем химического запасания солнечной энергии, которые работают ещё эффективнее, чем солнечные батареи. В конце концов, исходно, моя лаборатория называлась "Лаборатория каталитических методов преобразования солнечной энергии".
А.Б.: Вы не поясните, о чём конкретно идет речь с технической точки зрения?
В.П.: Чтобы решить главную проблему возобновляемой энергетики, надо научиться эффективно запасать энергию на ночное время, на периоды пониженной освещённости зимой. А системы запасания — это уже химические системы. Лучшее решение такого рода — сразу получать за счёт солнечного света топливо, водород и соединения на его базе. Мы использовали солнечный свет, отраженный крупными зеркалами и концентрируемый в одной точке. Чтобы в опытном реакторе на 2,5 киловатта, внутри которого температура около 700 градусов, получать энергонасыщенную топливную смесь — из метана и воды делали смесь угарного газа и водорода.
Мы создали полный цикл. В нашей схеме с одной стороны присутствует высокотемпературный солнечный концентратор, где получают синтез-газ, а рядом стоит реактор, в котором энергия синтез-газа выделялась в виде запасенного высокопотенциального тепла (высокопотенциальное тепло пригодно не только для отопления, но и для работы тепловых электростанций – прим. ред.)
Общее КПД для всего цикла составляло 22 процента. Сопоставимо с уровнем качественных фотоэлементов, но при этом есть возможность запасания энергии в синтез-газе и его использовании в ночное время. Правда, есть и недостатки – солнечные батареи компактнее, поскольку не требуют реактора и поэтому легко масштабируются, их можно устанавливать как поодиночке, так и большими группами. Химические системы так не сделаешь.
А.Б.: Вы упомянули, что уже несколько лет в Сибири работает несколько котельных на отходах угля, тратящие в 2-4 раза меньше топлива, чем обычные, да ещё и без вредных выбросов серы. Но ведь КПД не может быть выше 100 процентов, да и куда девается сера при сгорании?
В.П. Одно уточнение — они работают не на угле, а на отходах угля — углях слишком маленьких размеров и слишком плохого качества, чтобы их можно было сжигать на существующих электростанциях. Расход топлива там действительно упал в 2-4 раза, но не за счёт КПД. КПД там выше чем у обычных установок, но всего на несколько процентов, что само по себе такого эффекта не даёт.
Кратное снижение расхода топлива достигается за счёт того, что мы можем в очень широком диапазоне варьировать мощность горения. Для угольных топок это всегда было проблемой. Если понизить количество сгорающего топлива, угольная котельная просто погаснет. А разработанные нами каталитические котельные могут варьировать количество сгораемого в единицу времени топлива до 10 раз без остановки горения. Катализаторы позволяют продолжать его даже тогда, когда обычное угольное горение гаснет. В итоге котельная даёт столько тепла, сколько нужно. Поэтому лишнего перегрева батарей отопления в домах (перетопа весной, осенью и в оттепели) у каталитической котельной просто нет.
Ещё более важный момент: каталитические котельные практически не дают вредных выбросов. Когда они где-то появляются, никто не думает, что это вообще котельная — над ней при мегаваттной мощности по теплу даже дыма нет.
А.Б.: Но как это возможно — уголь ведь по определению содержит серные и ряд иных вредных примесей? А эффективно фильтровать их очень дорого, экономически невыгодно.
В.П.: О выбросах. Самые страшные выбросы от угля — это диоксид серы, который образуется при обычном сгорании угля. Он даёт и кислотные дожди, и проблемы с дыхательной системой. Именно из-за него идёт характерный запах в угольных котельных. Но в наших котельных его нет— он просто не возникает при сгорании. Ведь сера в угле не в чистом виде, а связана в составе сульфатов. Чтобы сульфат разложился и сгорание дало летучие соединения серы, нужна определённая температура. Используя катализатор мы получаем устойчивое горение при температурах слишком низких для разложения сульфатов — 650-700 градусов Цельсия. Поэтому вся сера и иные примеси уходят не в воздух, а напрямую в золу. Над такой котельной даже дым не разглядеть — продукты сгорания скорее похожи на те, что у котельных на газе.
А.Б.: А где конкретно работают такие необычные системы?
В.П.: Всего их пять в настоящее время. В основном это котельные, которые принадлежат системе РЖД, в том числе в Юрге (один тепловой мегаватт). Они были бы и шире распространены, но пока с этим есть организационные сложности. Технологию внедряла небольшая компания, "Термософт-Сибирь" (Новосибирск). И всё у них было хорошо, котельные эти не требуют сложного оборудования, материалы жаростойкие не нужны (ведь температура горения ниже обычной) и так далее. Но так случилось, что руководство её поругалось между собой и почти пять лет работы не велись. Сейчас вроде бы ожило это направление. Хотя за почти пять лет потеряна уйма заказов. Плюс у них после этого перерыва проблемы с финансами, а привлечь ресурсы со стороны сложно.
Ведь понимаете какая ситуация — с одной стороны это нанотехнологии, передовые технологии. Но об их поддержке с "Роснано" не договорится — объем инвестиций слишком маленький, потому что котельные эти дешевы, диапазон, примерно, 20-50 миллионов долларов штука. Для Чубайса это слишком маленькие деньги, он просто не станет этим заниматься. Я с ним по этой теме разговаривал. Чтобы заполнить нишу "маленьких денег" нужно, чтобы этим заинтересовался отечественный бизнес. А у него с инновационной активностью пока большие проблемы.
А.Б.: Скажите, но ведь на таком принципе можно и угольные электростанции делать практически без выбросов и с широким диапазоном изменения мощности? Казалось бы, это должно быть востребовано, ведь уголь дешев, но его сжигание грязное, а в вашей схеме эта проблема решается?
В.П.: Для электростанций там надо чем-то “догревать” продукты сгорания, например, природным газом, чтобы поднять температуру выше 700 градусов, без этого не будет высокого КПД на турбине. Сделать это можно и в любом случае это имело бы смысл — топлива на догрев пришлось бы тратить куда меньше, чем если греть с нуля. Да и само топливо для нашей технологии — отходы добычи угля — по сути мало чего стоит. Это ведь просто очень низкокачественный, а потому дешевый уголь, который так плох, что его просто нельзя продать ни на экспорт, ни на электростанции. Кстати, так можно сжигать даже ил водоочистных сооружений.
А.Б: Простите, но то, что вы описываете это прорывная, мягкого говоря, технология. На Западе проблему чистого сгорания угля много лет пытаются решить, все эти программы clean coal и так далее. Как так получилось, что к этому не проявили интерес в других странах? Тот же Китай, с его огромными экологическими сложностями из-за угля, дающего там половину всего электричества— почему там не обратили внимание?
В.П.: Вы знаете, интерес со стороны китайцев действительно был, но мы особо не рвемся передавать такие технологии в Китай. У нас есть к сожалению очень печальный опыт, когда мы с ними сотрудничали, а они очень быстро стали тиражировать нашу технологию, при этом без соответствующей финансовой составляющей.
А.Б.: Понятно, традиционная китайская история. А другие направления, западное?
В.П.: Мы пробовали сотрудничество и с белорусами (их сланец отлично подходит для каталитического горения), но там были проблемы. В двух словах — с одной стороны мало воли к внедрению нового со стороны заказчика. С другой стороны инжиниринговая внедряющая компании не особенно богата. В итоге ей нужно сделать и представить заказчику демонстрационный аппарат ещё до заключения договора на поставку. А у неё на это банально нет денег.
А.Б.: Вопрос по ядерной энергетике. У нас сейчас в стране довольно странная ситуация есть — разрабатывается сразу несколько типов реакторов на быстрых нейтронах — БН-800, БРЕСТ-ОД-300. БН-800 уже введен, БРЕСТ планируют строить. Понятно, что реакторы на быстрых нейтронах важны, они сами могут нарабатывать ядреное топливо, причём больше, чем потребляют. Но ведь БРЕСТ и БН — это противоречащие друг другу концепции, один на натрии, другой на свинце. Почему мы делаем ставку сразу на двух лошадей, условно говоря, едущих в разные стороны?
В.П.: Я не буду сейчас давать оценки преимуществам одного проекта над другим, да и пока это преждевременно. Отмечу только, что страна, которая хотела бы быть научно-техническим лидером, должна вкладывать избыточное на первый взгляд количество ресурсов в разработки. Финансировать на одном направлении проработку не какой-то одной, а сразу множества набора альтернатив, альтернативных технологий.
Почему в Советском Союзе была хорошая военная техника? Потому что у нас оружие одного типа разрабатывались более чем одним НПО, как сейчас сказали бы, конкурирующими компаниями. В отношении обоих типов реакторов на быстрых нейтронах речь идёт о самом переднем крае, новых технологиях. Часто при создании действительно нового риск неудачи заранее не может быть просчитан. Его просчитывают, но поскольку технология новая, оказывается, что он лежал совсем не в той области, где его ждали. И лучше запустить сразу две разных технологии, чтобы хоть одна из них "выстрелила". Вот так было в советское время, когда твердотопливные ракеты разрабатывали и в Европейской России, и в Сибири. С одной стороны казалось бы, зачем нам конкуренция и распыление ресурсов. С другой — результат был, надежные ракеты были созданы.
А.Б.: В тепловой энергетике вы описали очень хорошие результаты по применению катализаторов, выше мирового уровня. Скажите, а вот каталитическая химия в атомной отрасли — есть у неё какие-то перспективы?
В.П.: Могу рассказать о своём личном очень печальном опыте. Мы в конце 1980-х годов научились без промежуточных этапов получать химическое топливо (синтез-газ) с помощью атомной энергии. С эффективностью невиданной для атомных электростанций. Там же как с солнечной энергетикой проблема только наоборот — она вырабатывает энергию постоянно, а потребителю ночью энергия часто не нужна. И вот в такие периоды имело бы смысл получать на АЭС химическое топливо, как мы это делали с солнечными концентраторами.
Что мы научились делать? Мы смогли скомбинировать свойства таблеток диоксида урана (ядерного топлива) со свойствами катализатора, на которых происходит получение синтез-газа, с запасанием энергии в виде химического топлива. Дальше синтез-газ уже можно сжигать на тепловых электростанциях точно в тот момент, когда нужно закрыть пиковые потребности в энергии. Фактически было создано такое пористое ядерное топливо, которое совмещает в себе свойства и топлива, и катализатора. Пористый оксид урана, оказывается, может работать как катализатор. Но к сожалению разработка создавались в момент после чернобыльского шока. Нам сказали: ребята, не подходите больше близко к реактору. После чего в этой сфере долго был застой.
А.Б.: У вас были определенные предложения по реактору для освоения дальнего космоса. Не расскажете об этом направлении?
В.П.: Есть технологии, которые отрабатывались не нами. В другой очень серьёзной организации — гелиевый высокотемпературный ядерный реактор. Мы знаем, почему они неэффективны, весь мир практически отказался от них, в России тем не менее на этих реакторах до сих пор настаивают. Там огромные проблемы материаловедческие — гелий перегрет, температуры сильно за 1 000 градусов Цельсия, требования к жаростойкости материалов большие. А при нашем каталитическом подходе к той же задаче требования — 700 градусов Цельсия.
А.Б.: Кажется, они как раз сейчас изготавливают мегаваттный по мощности демонстратор для будущего космического аппарата с ядерной установкой, то есть трудности по материалам решили?
В.П: Да, они могут сделать такой демонстратор технически, в этот нет проблемы. Проблема в том, что массогабаритные характеристики гелиевого варианта в десятки раз хуже, чем то, что можно было сделать на основе нашего подхода. Я по этому поводу разговаривал с инициатором проекта (ядерного буксира — прим. ред.), в центре имени Келдыша. Они говорят: "Ну ребята, мы уже сориентированы на другую технологию. Да, мы чувствуем, что у вас может быть лучше, но тут надо больше думать".
А.Б.: В чем сущность предлагавшегося с вашей стороны подхода к созданию космического ядерного реактора?
В.П: В нашей схеме нет теплообменника, где теряется вся эффективность высокотемпературных гелиевых реакторов. Теплообменники страшно неэффективны по массогабаритным характеристикам. А ведь в космосе каждый килограмм буквально золотой получается, там минимальная масса очень важна, чем легче реактор, тем дешевле и быстрее будет его полёт.
Приведу один пример: та технология, которая есть в строящемся реакторе для "ядерного буксира" даёт возможность снимать до 3-4 киловатт с кубического дециметра (литра) от объёма устройства. По нашей схеме — 200 киловатт на кубический дециметр. То есть с объема равного обычному ведру мы можем снять 2 мегаватта энергии! Происходит это за счёт того, что у нас весь теплообмен внутри таблеток с топливом.
Типичное ядерное топливо — это пористые оксиды урана. Чтобы теплообменник работал эффективно, нужна большая поверхность для теплообмена. Так вот, в нашей схеме у оксида урана можно сделать поверхность в сотни квадратных метров на каждый грамм топлива. И мы непосредственно эту поверхность используем для проведения химической реакции, с которой мы забираем тепло от топлива и уже можем использовать его дальше. А по стандартной схеме для теплоотвода от этих таблеток используются не химические реакции, а перегретый гелий, газ с умеренной теплоемкостью. То есть если у нас теплообменник по сути интегрирован в таблетки с топливом, то у них он отдельный, из особо стойких и дорогих материалов, к тому же еще и весьма массивный. Что ж, пока наша разработка "в космос" не пошла, но кто знает, как ситуация сложится в дальнейшем.