АКАДЕМИК ОЛЕГ ПЕНЯЗЬКОВ: «НАУКА — НЕ РЕМЕСЛО, А ВЫСОКОЕ ИСКУССТВО»

В процессе поиска альтернативных источников энергии и вариантов перевода энергоемких отраслей промышленности на водородное топливо белорусские ученые и производственники не только находят уникальные решения, но и ломают стереотипы. Этому предшествует обширный комплекс фундаментальных и прикладных научных исследований.

О достижениях и задачах коллектива крупнейшего в республике научного учреждения, занимающегося вопросами энергетики, гидрогазодинамики, теплотехники, химической физики, физики горения нанотехнологий, — Института тепло- и массообмена имени А.В. Лыкова НАН Беларуси — рассказывает его директор доктор физико-математических наук, академик Олег ПЕНЯЗЬКОВ.

НЕВОЗМОЖНОЕ ВОЗМОЖНО

— Олег Глебович, знаю, что несколько лет назад вы вместе с коллегами успешно реализовали проект по заказу одного из предприятий нефтехимической отрасли Беларуси. Можно об этом подробнее?  

— Наше взаимодействие с заводом «Полимир» ОАО «Нафтан» привело к взаимовыгодному сотрудничеству и хорошим результатам прежде всего для предприятия. На «Полимире» есть два цеха по производству полиэтилена, где в результате пиролиза происходит разложение углеводородов и образуется большое количество отходящих газов, состоящих в основном из метана и водорода. Раньше их просто сжигали. Но наступили времена, когда основные игроки в сфере промышленности задумались о том, как максимально использовать внутренние резервы и источники для того, чтобы иметь собственные энергоресурсы и, соответственно, получить возможность снизить издержки производства. Ведь стоимость электрической энергии занимает значительную часть в себестоимости продукции. «Полимир» провел тендер на поставку газопоршневых когенерационных агрегатов, благодаря которым можно было бы при сжигании метано-водородной фракции получать дополнительное электричество и тепло. Предполагалось — около 9 мегаватт электроэнергии.

Проблема была в том, что водород — это горючий газ, который, как известно, не имеет цвета и запаха и загорается с характерным звуком «бух», а затем горит хорошо и быстро. Поэтому уже на начальном этапе осуществления проекта многие высказывали опасения, можно ли вообще безопасно сжигать побочные водородсодержащие газы такого состава в камерах сгорания газопоршневых установок. К нам, в Институт тепло- и массообмена (ИТМО), обратились с просьбой выполнить исследовательскую работу для того, чтобы понять, как метано-водородная фракция воспламеняется и горит в том диапазоне температур и давлений смеси, которые поддерживаются в газопоршневых агрегатах, планируемых к поставке на завод.

— То есть изначально это было всего лишь исследование?

— Да. Мы заключили с «Полимиром» небольшой по тем временам договор. Провели эту работу. Она, кстати, и для нас была интересной, потому что мы как раз занимались исследованиями по данной теме. Мы изготовили специальную установку, проверили возможности горения газовых смесей в достаточно жестких условиях — даже превышающие заявленные. Результаты показали, что метано-водородная фракция является прекрасным топливом, и никаких проблем и опасности с точки зрения горения в газопоршневых машинах эта смесь не представляет. В результате «Полимир» провел тендерную процедуру и закупил в Австрии четыре газопоршневые машины GE Jenbacher. Они до сих пор успешно производят электроэнергию, которую завод использует для собственных технологических нужд, тем самым снижая издержки по производству продукции. То есть мы как научная организация подтвердили: да, это возможно, да, это будет работать, да, это выгодно. Результатом стало внедрение технологии, давшей отечественному нефтехимическому предприятию значительный экономический эффект.

— Такая работа была проведена в Беларуси впервые?

— Скажу больше: не только в Беларуси, но и на постсоветском пространстве. Да и в мире на то время подобных проектов по утилизации газовых смесей с высоким процентным содержанием водорода (до 50%) было не очень много — всего пять-семь. Газопоршневые машины сами по себе — это не инновация. Но их традиционно ставят для использования природного газа. Перед нами же стояла задача сжигания необычной фракции — метано-водородной с добавками этилена. Работа именно с этой смесью стала уникальной историей.

— Какие еще разработки ИТМО могли бы найти применение в большой нефтехимии?  

— Мы много внимания уделяем процессам, связанным с конверсией — термохимической, химической, каталитической. Без них не обходится практически ни одно предприятие нефтехимического профиля.

Но проблема нашего сотрудничества с крупными заводами в том, что им нужно поставлять или модернизировать крупное специализированное оборудование. В Беларуси же крупное нефтехимическое оборудование не производится. Оно закупается за рубежом, причем вместе с технологией. Даже если что-то придумаешь, ты не в состоянии это реализовать — раз. Два — даже если реализовал, то не в состоянии обеспечить техническое сопровождение, сертификацию, гарантии, которые должны работать долгие годы. ИТМО хорош там, где требуются малые локальные решения, позволяющие снижать издержки и улучшать внутренние технологические «кусты». К такому виду сотрудничества мы готовы — либо своими силами, либо совместно с коллегами. Перспективной для нефтехимических производств мне видится, например, актуальная на сегодня тема возобновляемой энергетики. В данном контексте пример с заводом «Полимир» — очень показательный.

КОГДА НАСТУПИТ ВОДОРОДНАЯ ЭРА?

— Раз уж мы заговорили про водород, то нельзя не вспомнить о том, что Европа готовится к реализации «Водородной стратегии ЕС». В этом документе подробно расписано, как к 2050 году внедрение водорода, который составляет пока мизерную долю энергобаланса Евросоюза, поможет сделать европейскую экономику климатически нейтральной или, проще говоря, свести к нулю выбросы парниковых газов. Как в Беларуси развивается водородная тематика?    

— Вы правы: доля водорода в энергетическом балансе ЕС сегодня менее 1% (а новые возобновляемые источники, к слову, составляют около 10%). Этот водород получают методом риформинга природного газа или угля для использования в качестве сырья на нефтеперерабатывающих заводах и предприятиях, которые выпускают удобрения. В дорожной карте по водородной стратегии, опубликованной на официальном сайте Еврокомиссии, говорится, что важную роль в обеспечении безэмиссионной энергией и сырьем транспортного сектора и промышленности может сыграть возобновляемый водород, произведенный экологически чистым методом электролиза воды при помощи ветряной или солнечной электроэнергии. Это так называемый «зеленый» водород. Но кроме «зеленого» бывает еще «серый» водород. Его получают в основном из ископаемых источников энергии, в частности из природного газа путем его риформинга. Этот вариант представляется весьма перспективным, и, возможно, со временем какие-то из предприятий, например, концерна «Белнефтехим» заинтересуются этой темой.

В Беларуси водород может рассматриваться, прежде всего, в контексте связывания электрической энергии, получаемой на БелАЭС. Например, возникает проблема избыточного производства электроэнергии: ночью, допустим, потребителя нет, но станция работает в базовом режиме — образуются излишки электрической энергии, хранить которые не представляется возможным. Одна из идей, которая усиленно муссируется, — построить рядом с БелАЭС электролизный завод. Тогда мы сможем производить водород и кислород путем электролиза воды, а затем этот водород использовать для питания топливных элементов или продавать. Это могло бы заменить большое количество природного газа. Но реалии таковы: для получения 1 кубометра водорода методом пиролиза метана требуется 0,7—3,3 кВт*ч, а электролиза — 4,5—8 кВт*ч, то есть почти в три раза больше. Или для получения одной тонны водородного топлива необходимо затратить 1,2 тонны условного топлива. А при сжигании этого водорода со 100-процентной эффективностью перевода в электрическую энергию можно получить только 3,6 кВт*ч. То есть уже сразу идут потери.

Кроме того, водород — весьма специфический газ. Он прекрасен с точки зрения теплотворной способности на одну молекулу. Но поскольку молекула очень легкая, то плотность энергии получается низкой. Если вы возьмете баллон обычного метана, то при одинаковом давлении в таком баллоне хранится значительно большее количество энергии, чем в таком же объеме водорода. А мы платим, по сути, за энергию, а не за газ. Поэтому водородные технологии предполагают хранение, если в газовой фазе, при давлениях более 700—800 атмосфер. Представляете — газ надо получить, потом его сжать до этого давления, потом его надо распустить до атмосферного давления, если вы хотите его сжигать или использовать для других целей. В итоге дополнительные затраты на сжатие и на декомпрессию приводят к еще большим потерям. Если сравнивать все это с природным газом, то общее количество издержек с экономической точки зрения таково, что водородная технология в целом не является эффективной. Кроме всего прочего мы знаем, как доставлять природный газ: трубопроводная система развита по всей стране. С водородом так не получится. Мало того, что его надо компримировать, требуется еще и транспортировка — а это уже большие сложности. Либо водород можно хранить в сжиженном виде. Но тут вступают в силу криогенные технологии, а температура сжижения водорода очень низкая — около минус 260 градусов Кельвина. Таким образом сжижать водород, а потом вернуть его в обычное состояние — эти переделы весьма затратны.

— А если основным потребителем считать автомобильный транспорт?

— Делать автомобили на водороде можно. Например, в лаборатории ИТМО есть двигатель от «Хонды», который работает на водороде еще с 2003 года. Но при запуске проекта за пределами лаборатории встает вопрос: где и как автомобилисты будут заправляться водородом? Надо перестраивать инфраструктуру, создавать систему доставки водорода по всей Беларуси. Это достаточно дорогостоящие мероприятия. Даже не все западные страны могут себе такое позволить.

Кроме того, ранее предполагалось, что в автомобиле водород можно использовать в топливных элементах — это электрохимические источники тока, в которых водород вступает в реакцию с кислородом, поступающим из воздуха, на специальных мембранах. Таким образом производится электроэнергия. КПД этих элементов около 60%. И если посчитать все КПД преобразования, то по факту КПД целой системы будет ниже, чем КПД двигателя внутреннего сгорания. 

Тем не менее, я считаю, что у нас в стране необходимо делать проекты по водородной тематике с акцентом прежде всего на экологическую составляющую. Это отлично подходит для городского автотранспорта. Мы, например, можем участвовать в создании соответствующей технологии. Но этого мало. Потом надо наладить производство, продавать, выводить на рынок. Нужны приборы, измерения, сопутствующее оборудование. Все это требует гигантской структуры, специально обученных людей, серьезных финансовых затрат. 

Европейский проект рассчитан до 2050 года. Но уже сейчас там выделены колоссальные деньги — счет идет на триллионы евро, которые будут инвестировать каждый год. Можем мы себе такое позволить? Беларусь в этом деле пока не игрок. Мы, в принципе, можем выступить технологической площадкой для пилотных проектов в случае серьезных намерений крупных инвесторов, которые захотят построить у нас, допустим, электролизный завод по сжижению водорода при использовании электроэнергии от БелАЭС. Но подобные вопросы тоже требуют тщательной экономической проработки. Россия, например, рассматривает сейчас вариант небольших добавок водорода в природный газ — в трубопроводную систему. Но это проекты больших игроков с соответствующими финансовыми возможностями.

В то же время водород широко применяют на белорусских нефтеперерабатывающих заводах — и в Мозыре, и в Новополоцке. Локально этот газ используют и некоторые другие предприятия.

— На одной из научно-технических конференций вы говорили, что мы будем использовать водород лет через 25—30. Что, по-вашему, должно произойти за это время?

— Это только прогнозы. В 2003 году в Национальной академии наук Беларуси реализовывалась государственная программа «Водород», результатом которой должно было стать создание опытных образцов энергетических установок на основе отечественных топливных элементов, соответствующих мировому уровню, а также решение вопросов импортозамещения и повышения энергетической безопасности государства. Мы четыре года занимались водородной тематикой. Когда готовили концепцию на основе мировых данных, то существовало мнение, что в Европе к 2021 году 30—50% транспорта будет ездить на водородных топливных элементах. Сейчас почти 2021 год, доля топливных элементов — мизерная, упор делается на электротранспорт. Я к тому, что иногда наши мысли о светлом будущем той или иной технологии упираются в жесткие экономические реалии. И даже если технология хорошая, она может не состояться, так как появляются новые технологические тренды, которые с экономической точки зрения более оправданы и выигрышны.

Я — сторонник использования природного газа. Это хорошее экологическое топливо — даже идеальное. Беларуси повезло, что мы в основном используем природный газ. В метане — CH₄ — содержится четыре атома водорода и один атом углерода. То есть природный газ — это практически водород, в котором есть немного углерода. А чистый водород нужно использовать только там, где это будет экономически целесообразно и необходимо. Однако видя, что сейчас наступает новый этап водородной тематики, смею предположить, что в ближайшие 20—30 лет соответствующие проекты в мире будут появляться, в том числе в Беларуси.

ПЕРВЫЕ В МИРЕ

— Институт тепло- и массообмена, который вы возглавляете, носит имя академика Алексея Васильевича Лыкова. Разработки, созданные им в середине прошлого века, сегодня актуальны? Над чем работает современный коллектив ИТМО?

— Лыков больше занимался сушильно-термическим оборудованием. У него есть классические книги по кинетике и динамике сушки. Мы продолжаем исследования по этой теме. Ведь сушка и теплообмен сопутствуют многим технологическим процессам. Если ты правильно организуешь процесс с точки зрения теплообмена, то он будет менее энергетически затратным, а значит, более дешевым и рентабельным. В целом сотрудники ИТМО занимаются решением фундаментальных и прикладных проблем тепломассопереноса, гидрогазодинамики, энергетики, теплотехники, химической физики, физики горения и взрыва, нанотехнологий, а также созданием энергоэффективных и экологически безопасных технологий и техники, аппаратов и приборов для химической, электронной, радиотехнической, пищевой промышленности, космической отрасли, энергетики и машиностроения и так далее. Мы эффективно разрабатываем решения по экономии тепла либо улучшению теплообмена. 

Темы, связанные с горением, химическими реакциями, начали развиваться в институте, когда его возглавил следующий директор — Рем Солоухин, он приехал из Новосибирска. Сейчас в ИТМО сложился исторический симбиоз школ — лыковской и солоухинской, и от этого институт только выигрывает: мы способны рассматривать и решать в комплексе сложные задачи, в которых задействованы и тепло, и химические реакции, и плазма, и очень низкие и очень высокие температуры.    

— Есть разработки, которые первыми миру предложили сотрудники белорусского ИТМО?

— Конечно. Например, технология магнитореологического полирования создана в институте в 1980-х годах. По американской классификации она входит в топ-200 лучших технологий XX века. Эта технология позволяет полировать поверхности до очень высокого качества. По ряду материалов можно получить шероховатость, сравнимую с размером атома. Это необходимо, если, допустим, надо сделать оптическую линзу для наблюдений из космоса либо для специальных телескопов очень высокого разрешения с минимальными оптическими аберрациями. В итоге получается незашумленное изображение. Это полностью отечественная технология. За последние 12 лет мы нашли возможности для заключения ряда внешнеторговых контрактов в этом направлении и благодаря им вдохнули новую жизнь в данную тематику. Сейчас институт производит линейку оборудования для высокопрецизионной корректировки и полировки широкоапертурных оптических деталей из стекла, металла, других немагнитных материалов. То есть мы делаем станки, которые позволяют полировать зеркала размером до пяти метров в диаметре либо очень маленькие — до нескольких сантиметров. Создан оптический участок, где эти машины работают совместно со специальными средствами измерений формы поверхности — интерферометрами.

— Вы уже затронули тему международного сотрудничества. Какую роль оно играет в развитии ИТМО? 

— Примерно 70—80% объема выполняемых нами работ — это экспорт товаров и услуг. Расклад по странам в разные времена меняется. Сейчас мы работаем от Японии до США. Поступления от внешнеэкономической деятельности тратим на внутреннее развитие.

Так, благодаря заработанной прибыли мы создали уникальное производство высокотеплопроводной карбидокремниевой керамики для изделий специального назначения. Это технология реакционного спекания, с помощью которой из карбида кремния получают углеродные композитные материалы и изделия, обладающие уникальными механическими и теплофизическими характеристиками. У нас развернута технологическая линия, где применяется ряд ноу-хау и технологических приемов, которые позволяют говорить о том, что по совокупности параметров это один из лучших материалов в мире для создания астрооптики. Карбидокремниевые углеродные материалы могут использоваться при создании телескопов космического базирования, силовых зеркал для лазерных установок. Это на 100% экспортная продукция, так как на внутреннем рынке потребителей почти нет. 

Еще одно интересное направление, которым мы занимаемся, — системы терморегулирования на фазовых переходах. Например, во многих мобильных телефонах процессор располагается на специальной паровой камере. Плотность упаковки электроники становится такой, что тепло, которое выделяется при работе, начинает влиять на работу электроники — она попросту перегревается. Как только происходит перегрев, электронное устройство выходит из строя. Поэтому тепло в ходе работы процессора надо постоянно отводить. Наши устройства способны быстро передавать тепло из одного места в другое. Причем это может быть не только электроника, но и радары, технология 5G. В этом интеллектуальном направлении тяжело заниматься копированием, потому что каждое устройство индивидуально. У нас есть совместная лаборатория с компанией Huawei в Минске. Раньше были контракты с ее китайским и шведским филиалами. Работали и с корейской компаний LG. Как правило, для таких заказчиков мы исследуем, моделируем базовые физико-химические явления, происходящие в данных устройствах, проектируем и создаем индивидуальные системы отвода тепла или терморегулирования.

Сейчас происходит активное развитие электротранспорта — это тоже силовая электроника, где надо производить охлаждение систем хранения и преобразования энергии. Все это также тесно связано с задачами терморегулирования.  

Институт многие годы глубоко занимается задачами горения в технологических процессах и системах. Одно из наших последних достижений в данной области — создание турбореактивного двигателя, совмещенного с кольцевой детонационной камерой сгорания. Это первое в мире устройство с детонационным усилителем тяги, интегрированным в малогабаритный турбореактивный двигатель. Сейчас думаем о том, чтобы начинать разработку и опытное (мелкосерийное) производство таких устройств. Это могут быть двигатели для беспилотных летательных аппаратов, крылатых ракет малой или средней дальности. 

— Вы согласны с мнением, что современные ученые должны прежде всего работать на результат, а не заниматься чистой наукой?

— Мы обычно нацелены на результат, позволяющий окупить расходы, так как не можем себе позволить создавать разработки, которые будут существовать в дотационном режиме долгие годы. Технологии на месте не стоят, и мы должны за ними успевать. Однако хорошая наука и, соответственно, глубокие технологии возможны только тогда, когда ты интегрирован в решение крупных задач, которые требуют нестандартных подходов, соответствующего финансирования, а также осознания причастности к серьезному процессу.

В науке должны работать люди, которые нацелены на получение новых знаний и понимают, как эти знания потом можно использовать. Человек науки должен представлять, что ему хочется видеть в итоге, какой эффект дадут его исследования. Это важно — видеть, что твой труд востребован и что ты решаешь ответственные и нужные задачи. Можно, конечно, относиться к науке как к обычной работе: выполнил задание, получил зарплату, ушел домой. Но так высокие вещи не создашь. Однажды наступает момент, когда работа, в нашем случае наука, из ремесла должна превращаться в искусство.

 ФОТО Виктория Анискевич-Клопоцкая, Сергей Дубовик, Павел Козловский