ПРОФЕСОР СТЕПАН КУДРЯ: МИ ПРАЦЮВАЛИ НАД ВОДНЕВИМИ ТЕХНОЛОГІЯМИ ЩЕ 30 РОКІВ ТОМУ

Якщо ви вважаєте, що розмови про чисту водневу енергетику – просто новомодна тема, то помиляєтеся. В Україні розробкою цієї технології займаються вже понад 30 років. Які напрацювання створили наші вчені, і які перспективи це відкриває кожному українцеві – Kosatka.Media розповів член-кореспондент НАНУ, доктор технічних наук, професор, лауреат Державної премії України, директор Інституту відновлюваної енергетики НАН України, завідувач кафедри відновлюваних джерел енергії факультету електроенерготехніки та автоматики  НТУУ «Київський політехнічний інститут ім.  Ігоря Сікорського» Степан Кудря. Більше інформації на цю тему можна буде почути в рамках Міжнародного бізнес-форуму з відновлюваної енергетики в Україні REEX-2020 року, участь в якому візьме і наш спікер. 

ДЖЕРЕЛО: Kosatka.Media

Степане Олександровичу, що українська наука знає про водневі технології? Що робилося і робиться в цьому напрямку?

Розвиток відновлюваної енергетики в Україні почався у 80-х роках минулого століття у Київському політехнічному інституті. 35 років тому був створений експериментальний полігон «Десна» у Чернігівській області, де була побудована перша вітроелектростанція в Україні і будинки, енергопостачання яких забезпечувалось за рахунок енергії відновлюваних джерел. Це все була ідея, яка втілювалася під керівництвом ректора Політехнічного інституту Григорія Івановича Денисенка. Він тоді відмічав, що, оскільки всі відновлювані джерела непостійні в роботі, (вночі немає сонця, вітер є не завжди тощо), необхідно проводити пошук відповідних рішень. А комплексне використання в енерговузлах на основі різних видів відновлюваних джерел енергії і надійне акумулювання електричної і теплової енергії дасть змогу на 100% забезпечити стабільне енергопостачання споживачів.

В той час я керував сектором акумулювання. На полігон «Десна» була закуплена електроакумуляторна станція, створено системи теплового акумулювання. Для міжсезонного акумулювання енергії було підготовлено проект водневої станції, була закуплена установка для отримання водню та відповідне допоміжне обладнання. Це був 1994 рік. Але хтось із «доброзичливців» шепнув Григорію Івановичу, що це  – «воднева бомба». Полігон, студенти… Все пустили  «на гальмах».

Трохи пізніше ми співпрацювали з данським центром – «Фолькецентр», які займалися такими ж роботами щодо комплексного використання відновлюваних джерел енергії. Коли на виконання робіт вони отримали гроші по програмі TACIS, я запропонував їм зробити вітро-водневу станцію. Тоді ще ніхто не стикував електролізер з вітроустановкою і це була перша в Європі вітроводнева станція. Вітроустановка була їхня, електролізер – наш. Вони побудували будиночок, ми виконали монтаж установки. У них автомобіль на водні почав їздити – разом із Харківським інститутом машинобудування ми переробили ще двигун Стірлінга для роботи на водні (двигун внутрішнього згорання). Розробили схему, яку зараз у літературі описують – комплексне використання водню для автотранспорту, для спалювання в котлах, у газових плитах, а також у паливних елементах, щоб перетворювати водень в електроенергію. 

Потім перестали організовано цим займатися, тому ще не було використання водню в енергетиці. Але не відкинули повністю цей напрям − продовжували наукові дослідження, проводили заняття для студентів.

Аж зараз – у світі знову почався бум водневої енергетики. Безумовно, Україна, маючи значний доробок у галузі водневої енергетики, не могла залишитись осторонь. Інститут відновлюваної енергетики активно включився в цей процес спільно із Енергетичною асоціацією «Українська воднева Рада». Значні постуки було зроблено завдяки її голові Олександру Рєпкіну – він вкладав свої гроші, зробив піар водню. Чотири роки тому він почав спонсорувати нам конференцію з водневої енергетики, направлену в першу чергу на залучення молоді – студентів, аспірантів, учнів Малої академії наук, школярів. І зараз ми кожного року проводимо конференцію з водневої та відновлюваної енергетики для школярів. Вони вже мають гарну підготовку і роблять доповіді дуже високого рівня, які часом навіть є кращими, ніж у аспірантів.

Також в Україні зараз є академічна програма, щодо розробки водневих технологій: електролізу води, використання паливних комірок тощо, в якій беруть участь біля 20 інститутів НАН України. Фінансування там смішне. Але у нас науковці бачать перспективу і вміють працювати на ентузіазмі. Основний інститут з виконання цієї програми – Інститут матеріалознавства ім. Францевича, академік Солонін – керівник цієї програми.

Які перспективи відкриваються для України з переходом на водневі технології?

Разом із Українською Водневою Радою ми розробили Атлас енергетичного потенціалу всіх ВДЕ, перспективних для використання на території України, і визначили потенціал водню для України. Він вийшов дуже великий. За даними IRENA – там порядка 300 млрд кубічних метрів водню. За нашими розрахунковими даними – а ми і офшорні вітростанції врахували –  виходить біля 500 млрд кубів водню. Для порівняння –  Україна споживає десь 40 млрд кубів газу.

Ідея в тому, щоб перевести всю енергетику України на водень − універсальний і екологічно чистий енергоносій. Таким чином вирішиться цілий ряд проблем. По перше – політичних, ми не залежатимемо від Росії, коли замінимо природний газ. Також – переведення автотранспорту та залізничного транспорту на водень. Зараз у світі вже мова і про літаки на водні. Бо автобуси, вантажівки вже є.

Великі програми, дорожні  карти у цих напрямках розроблені у всіх передових країнах – Європейського Союзу, США, Канаді, Японії, Південній Кореї та ряду інших. У даному випадку мова про так званий «зелений» водень, який отримують із використанням у якості первинного енергоресурсу відновлюваних джерел енергії, а не про той, який отримують із газу чи з вугілля. Таким чином повністю вирішується друга проблема – екологічна. Безвуглецева енергетика, безпечний транспорт – ось, до чого зараз іде увесь світ.

І ми стараємося. Тим більше, що досвід є. У нас була також створена вітро-воднева станція 3 роки назад під Києвом, в Кийлові, на базі Інституту матеріалознавства – для дослідів з вітроустановкою, там також наша система акумулювання і електролізер Харківського інституту машинобудування. Перевірили всі можливості роботи електролізера з вітроустановкою. Зараз ми досліджуватимемо роботу електролізера з фотостанцією. Електролізер є, фотобатареї трекерні нам пан Рєпкін виготовляє. Причому, це коштовна річ – порядку $15 тис. Ідея в тому, щоб зробити зарядну станцію для електромобілів на водні. Авто такі вже продаються –  Toyota Mirai японська, є BMW. Та майже всі великі автомобільні концерни займаються зараз електромобілями саме на водні, крім електромобілів на літій-іонних акумуляторах.  

Також є ідея, що такі установки можна використовувати для індивідуальних будинків. Якщо у вас є автомобіль на водні, фотобатарея 15 кВт, електролізер і газгольдер, куди скидається водень – ви можете заряджати авто, можете спалювати водень замість газу, опалювати будинок воднем. І сама воднева система – як акумулятор слугує. Якщо потрібна електроенергія – вона може давати її для будинку. Словом, водень може дозволити вирішити всі енергетичні питання приватного господарства, що особливо важливо для віддалених від ліній електропостачання районів.

Чи дійсно Україна зможе продавати енергію і водень Європі?

Для України потрібно порядку 150 млрд кВт•год – зараз скільки споживаємо. Тільки вітер і сонце дають в 10 разів більше. Далі дівати «непотрібну» електроенергію – нікуди. Енергетична система України на сьогоднішній день може прийняти, за розрахунками, тільки 3 ГВт відновлюваних джерел. За нашими підрахунками – 7 ГВт. Але вже зараз є відключення, тому що забагато відновлюваних енергосистем, немає чим їх підтримувати. А коли буде водень – він ці резервні потужності забезпечить. І наша хвора енергосистема, дякуючи таким накопичувачам, буде працювати стабільно доти, доки не вироблять свій ресурс теплові станції, вугільні, в першу чергу. Бо світ іде до того, що вугільних станцій не стане за 20-30 років. Будуть відновлювані джерела. Зокрема, Німеччина до цього йде, та і весь Євросоюз. І наш міністр Оржель недавно заявив, що в Україні до 2050 року вугільної генерації не буде. Я думаю, що не буде і газової. Буде 70% відновлюваної, і 25-30% – атомної.

Відновлювані джерела енергії і водень – це стабільні системи всього енергозабезпечення держави. І ми ще й можемо продавати водень у Європу. Ідея Євросоюзу була така, щоб будувати в Африці (в Сахарі), енергосистеми для отримання водню – сонячні + електролізні станції, – і трубопроводом переправляти водень у Європу. Пан Рєпкін їм запропонував – у нас поряд кордон Євросоюзу, у Польщі. Давайте, будуватимемо в Україні вітро- і сонячні станції, отримувати водень і трубопроводом передавати в Європу.

На сьогоднішній день у Європі готові купувати по 18 євроцентів за кВт•год електроенергії у нас. Але поки що по технологіях у нас виходить десь 23 євроцентів – дорого. Але за всіма розрахунками, економічними і технологічними, уже в 2023 році кВт•год, отримана від системи вітер-електролізер-транспортування-паливний елемент буде 8 євроцентів. Це вже бізнесовий проект, який має право на життя. І це хороша ідея, бо ми, орієнтуючись на ВДЕ і водень, не тільки свою державу зможемо забезпечити, а ще й заробляти дуже великі кошти для України.

Скільки зараз коштують водневі та інші системи?

На сьогоднішній день 1 кВт установленої потужності вітроагрегату коштує порядку $1500, сонячної станції – уже порядку $600 за 1кВт установленої потужності. А якщо будувати теплову станцію, з очисними спорудами, – це $3000. Якщо атомну – то це від $6 до $10 тис. за 1кВт потужності. І система акумулювання: електролізер – 1000, паливний елемент і транспорт – по 1000. Всього –  $3000 в комплексі. І ми вирішуємо проблему енергетики і екології, на 100%.

Я впевнений, що через років 50 у нас буде 100% відновлюваної енергії, все буде поставлене на водень. Літій-іонні акумулятори теж будуть.

І будемо їздити, літати, плавати – і буде чиста енергетика. Чи можна для зберігання водню використовувати газопроводи, які є?

Зараз уся Європа йде до того, щоб додавати домішки водню у газову систему. Норвежці додають у водень газ біля 18%, німці − до 5%. За нашими розрахунками можна додавати до 25%. І цим ми зменшуємо залежність від Росії. І так само – екологію поправляємо, оскільки при згорянні водню СО2 не буде виділятися.

При використанні трубопроводів є аспект наводнення металу. На кафедрі електрохімії проводили такі досліди. Так, іде проникнення водню. Але не у всі матеріали. Є слабенькі метали, як сталь, вони можуть поглинати водень, стають крихкі. Але на виставці в Ганновері були системи або з нержавіючої сталі, або покриті пластиком. І навіть якщо не досить якісна сталь, яка буде наводнюватись – це відбуватиметься 25-30 років. Тому – це все вирішується.

Що має робити держава, щоб Україні перейти на водневі технології?

Частина законів у нас є: про енергетику, про «зелений» тариф. Розробляється закон про накопичення енергії. Правда, він не передбачає ніяких доплат, стимулювання. Це повинен робити той, хто будує вітро- і сонячні станції, він повинен ще включати в будівництво електролізери, паливні елементи, або транспортувати водень у газову систему.

Тому основна допомога від держави – не заважати. Друге – допомогти у створенні вітчизняної нормативної бази. Зараз майже всі закони потрібно не розробляти по-новому, а бути в нормативній базі Євросоюзу, щоб адаптувати всі їхні закони для України. Якщо будуть нормативні  документи – вже можна буде будувати і електролізні станції, і прокладати трубопроводи для чистого водню, не змішуючи його з газом, будувати заправні станції для автомобілів.

Також є проблеми наукові. Держава може і повинна стимулювати науку. Тому що програма водневої енергетики, яка у нас є, – закінчується через рік. А уявіть, що там порядку 100 тис. грн на рік – для вирішення якоїсь проблеми. Наприклад, розробка електролізера. Але його не можна за ці 100 тис. розробити, а виготовити – тим більше. І для таких науково-дослідних робіт необхідна підтримка держави.

Ми з Водневою Радою самотужки розробили концепцію розвитку водневої енергетики України. Розробили проект дорожньої карти водневої енергетики до 2035 року, який був презентований і схвалений 3 квітня 2019 року під час засідань міжнародного круглого столу головної промислової виставки Європи «Hydrogen +FuelCells» в Ганновері.

Але тут треба допомога не тільки вітчизняних, але й закордонних експертів, які такі дорожні карти вже розробили – Штати, Канада, Австралія. Тому тут держава також має допомогти.

А все решту – будівництво повинен робити інвестор. Ця технологія, відновлювано-воднева, вже виходить на інвестиційно привабливі технології. Хочеш заробляти гроші – вкладай. Наприклад, можна створювати заправні станції по Україні.

Чи вистачає Україні кадрів, які б розбиралися в водневих технологіях?

Це одне із завдань держави – готувати кадри. Можете уявити собі, який це об’єм робочих місць, якщо переходити на водневу економіку, енергетику, транспорт.

Це дуже важливо.

У нас в НТУУ «Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського» є кафедра відновлюваних джерел енергії, яка працює вже 18 років. Там є курс,  який включає вивчення методів та засобів акумулювання енергії ВДЕ, у тому числі електрохімічних, теплових та на основі водню. Але зараз ми думаємо програми по водню розширити і виділити як окремий курс, щоб виходили спеціалісти якраз з водневої енергетики. Молодь – вони як розвідники. До нас щороку бажають вступити у 2-2,5 рази більше, ніж ми можемо взяти. Решту ми віддаємо на інші спеціальності. Хочу відмітити, що проблем із працевлаштуванням у наших студентів немає. Вже з 3-го курсу вони працюють, підпрацьовують, у тому числі беруть участь у наукових розробках.

Перейдемо до практичних питань. Як водень може забезпечити енергією окреме домогосподарство?

Ми зараз робимо експеримент в інституті – повністю енергетичний блок, який би забезпечував приватний будинок. Це блок на 15 кВт від сонячних панелей, 8-10 кВт – паливні елементи, електролізер на  10 кВт і система зберігання. Така система, якщо це буде серія, буде коштувати біля $6-10 тис. Але ви будете забезпечені автономно і електроенергією, і теплом.

Уже зараз це робиться на акумуляторах. У мене в будинку система на 2 кВт і акумулятори. Вона мене забезпечує у аварійних випадках – електроенергія завжди є вдома. І якщо акумулятори накопичились на 100%, вони відключають  мережу від будинку і йде живлення від акумулятора. Коли розряджаються на 50% – автоматика включає мережу. Друга станція сонячна, на 15 кВт, дахова, підключена до мережі. І я зайву електроенергію продаю по «зеленому» тарифу.  У мене будинок цілком на електроенергії.  Взимку багато енергії витрачається на опалення, а сонця – немає. Тому за грудень доплатив 1300 грн за електроенергію. Але за рік у тому році вийшло 32 тис. грн прибутку по «зеленому» тарифу.

Тому люди зараз активно будують в себе такі енергосистеми. Минулого року було 154 МВт потужності дахових сонячних станцій, зараз – 400 МВт, за один рік потужність виросла. Таких домогосподарств за кількістю біля 14 тисяч. Так, це завдяки «зеленому» тарифу. Але так упали ціни на фотоелементи, інвертори, що люди будуть будувати, наприклад, фотостанції, для забезпечення своїх потреб від сонця.

Для багатоквартирних будинків теж таке роблять. 100% енергопостачання у даному випадку забезпечити не можна, але можна зменшити споживання від мережі. Однак  поки що вигідніше, мабуть, брати електроенергію з мережі. Але так, як росте у нас тариф, то скоро вигідніше буде теж встановлювати автономні системи. З кожним днем дешевшає фотоенергетика. Порівняно з 10 років тому ціна фотоелементів упала в 10 разів – подешевшав кремній, з’явилися нові технології. Вже в Києві є фірми, які покривають сонячними панелями фасади, дахи тощо.

Чи зможе Україна самостійно виготовляти необхідне обладнання для відновлювано-водневих енергетичних систем?

70% обладнання для вітроустановок ми можемо робити в Україні. У нас виконувалась комплексна програма будівництва вітроелектричних промислових станцій, науковий супровід якої робив наш інститут. Тоді дійшло до того, що на 100% енергообладнання виготовлялося в Україні. На «Південмаші» і ще на 22 воєнних заводах виготовлялися деталі.

Є досить тонкі речі, для яких потрібно закуповувати точне обладнання.

Раніше в Україні були заводи, зокрема, у Світловодську вирощували кремній,  але все йшло, в основному, на воєнні цілі. З часом все розвалилося, але й  технології були досить старі. Зараз побудували завод у Вінниці з виготовлення своїх фотоелементів. І «Квазар» київський цим займається. Так, можливо, у них трохи дорожче. Але це вигідно для держави – робочі місця, податки. Україна зі своїм потенціалом цілком може це освоїти. Так само –  і по вітру. Не кажучи про біоенергетику. Тому – немає проблем для наших машинобудівних заводів.

Чи можливо добувати чистий водень із землі в Україні, як заявили науковці Відділення наук про Землю НАНУ?

Це непогано. У Малі є такі свердловини. Потрібно бурити, але це буде не дешево. Хоча кілометр свердловини коштує десь $1 млн, цим теж треба займатися. Якщо там є водень, можна підключити відразу в магістралі. Навіть якщо він не буде такий чистий, як потрібно для паливних елементів, то його можна буде спалювати в котлах, або доочищати і заправляти автомобілі.

І нам потрібно в цьому напрямі працювати.

До слова про транспорт. Чи можливо громадський транспорт в Україні перевести на водневі технології? Що для цього треба?

Так, це реально. Автобуси на водні вже є у Європі. Технологія така сама, як у нас транспорт на стиснутому газі метані – балони на даху. Але це не зовсім ефективно з точки зору коефіцієнту перетворення енергії. Краще це робити у паливних елементах – їх ККД 60-80%. А ККД двигуна внутрішнього згорання  – максимум 40%. В цьому напрямку вже працюють.

Наприклад, у Південній Кореї «дорожня карта» передбачає, що для виробництва «зеленого» водню від сонячних і вітрових станцій буде побудовано 23 заводи. Буде прокладено 700 кілометрів трубопроводів. І випускатимуть 6,1 млн авто на водні. Частину для своїх потреб, а частину на продаж. Зараз за їхніми машинами Hyundai  на водні – черга. Вони дешевші,  але якісно не гірші.

У Німеччині ходять електрички на водні. І це дешевше, ніж прокладати лінії електропередач. Зараз у них 2 і хочуть купити ще 10. У Канаді, в основному, великі вантажні автомобілі працюють на водні, на паливних елементах.

Електротранспорт у нас вже розвивається. І будуть далі розвиватися. Відрізнятися будуть тим, що замість акумулятора встановлюватиметься паливний елемент і балони.

Наскільки насправді небезпечний водень?

Водень – такий самий вибухонебезпечний, як і природній газ. Кисень і водень у певних пропорціях можуть вибухати. Так само і газ – якщо буде кисень і газ. Верхня і нижня межа у водню на 1% більша, ніж у природнього газу. І порядку 60 млрд тон водню зараз у світі використовуються у різних напрямках – для виробництва добрив, у нафтопереробці, при виготовленні пластмас тощо. Технології відпрацьовані. Крім того, коли виготовляють той же балон з воднем для авто – проводять випробування. Все інше – страшилки.