Національний фонд досліджень України у жовтні 2020 року визначив перелік проєктів конкурсу «Підтримка досліджень провідних та молодих учених», які рекомендуються до реалізації за рахунок грантової підтримки. Серед них – і питання водневої енергетики, якими займається завідувач відділу водневих технологій та матеріалів альтернативної енергетики Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України, доктор хімічних наук, професор Ігор Завалій, інтерв‘ю з яким і пропонуємо вашій увазі.
- Пане Ігоре! Чому все частіше і частіше ми використовуємо словосполучення «воднева енергетика»? І як цей термін співвідноситься з такими термінами як відновлювальна або альтернативна енергетика?
– Терміни альтернативна та відновлювальна енергетика є синонімами. Вони означають системний розвиток різних способів та засобів одержання та використання для потреб людини джерел енергії, які є невичерпними (на відміну від вичерпних видів палива вугілля, нафти та газу, а в ширшому сенсі і ядерного палива). Ці способи передбачають, насамперед, використання енергії сонця та вітру, хоча до них можна відносити також і гідроелектростанції (перепад рівня води), використання енергії припливів та відпливів, внутрішнього тепла Землі тощо. Особливе місце у розвитку відновлювальної або альтернативної енергетики займає водень. Він є поза конкуренцією у порівнянні з іншими видами палива як з точки зору високої питомої енергоємності, так і з точки зору відсутності забруднення навколишнього середовища при його спалюванні. Водневою енергетикою називається частина альтернативної енергетики, яка пов’язана з одержанням водню (в чистому вигляді він практично не зустрічається), його зберіганням, транспортуванням та використанням.
– Але чому саме зараз ми так наполегливо заговорили про відновлювальну та водневу енергетику? Які причини тут переважають – закінчення запасів викопного палива, нагальність освоєння нових джерел енергії через глобальне потепління, чи успіхи у освоєнні нових технологій ?
– Розмови та не тільки розмови, але і системна робота над розвитком відновлювальної та водневої енергетики розпочалися вже дуже давно. Але останнім часом ми спостерігаємо етап дуже серйозних успіхів і досягнень в освоєнні відповідних технологій та матеріалів. Мені подобається одна сентенція, автора і точного формулювання якої зараз вже не згадаю, але приблизно вона звучить так: «кам’яний вік закінчився і почався бронзовий – не тому, що закінчилося каміння». Очевидно, що і в цьому прикладі, що відноситься до дуже далекого минулого, і зараз створення нових технологій та матеріалів є рушієм прогресу, причиною глобальних суспільних змін. А вичерпність запасів викопних палив і загроза катастрофічних кліматичних змін, які викликані їх нестримною і бездумною експлуатацією, звичайно, є дуже серйозним стимулом.
– Чи можете ви пояснити більш детально, які досягнення в розробці нових технологій та матеріалів забезпечать можливість використання водню як альтернативного палива?
– Досягнення носять комплексний характер – вони пов’язані з трьома складовими чи трьома частинами водневої енергетики, а саме: з одержанням, зберіганням (транспортуванням) водню та з його використанням.
Почнемо з останньої складової. На одне з перших місць я би поставив суттєвий прогрес в галузі способів використання водню, а саме: в розробленні паливних комірок (ПК) – ефективних систем для спалювання водню та одержання електричного струму. По суті, це – електрохімічні пристрої, принцип роботи яких протилежний до того, який використовується при електролізі води. В останньому випадку ми пропускаємо електричний струм, і на електродах електролізера отримуємо продукти розкладу води: водень та кисень. При роботі ПК на відповідні електроди (розділені просторово) подаємо водень та кисень, і в результаті їх спалювання отримуємо як продукт реакції воду та протікання електричного струму від кисневого до водневого електроду.
Принциповою відмінністю і перевагою такого типу пристроїв над двигунами внутрішнього згоряння є те, що продуктом реакції спалювання водню є вода. У випадку спалювання викопних вуглецевмісних видів палива основним продуктом згоряння є вуглекислий газ (CO2), який забруднює атмосферу, і в результаті так званих «парникових ефектів» призводить до глобального потепління. Отже, коли мова іде про використання водню як палива (насамперед на транспорті) мається на увазі не подання водню в двигун внутрішнього згоряння, а використання сучасних паливних елементів з відповідними засобами зберігання водню. Окрім екологічності, перевагою паливних елементів над двигунами внутрішнього згоряння є їх високий коефіцієнт корисної дії, який у два і більше разів перевищує такий для двигунів внутрішнього згоряння.
Не менш вагомим досягненням є розроблення та широке застосування іншого типу пристроїв, а саме – сонячних панелей, основою яких є ефективні і економічно вигідні технології перетворення сонячного випромінювання в електричний струм. Сонячні електростанції, які набули широкого застосування (в тому числі – і в Україні), поки що створюють конкуренцію традиційним способам одержання електроенергії завдяки системним пільгам та державній підтримці. Проте швидкий прогрес у цій галузі свідчить про те, що частка в цей спосіб одержаної електроенергії невпинно зростатиме.
Звичайно, і це треба обов’язково зазначити, що використання «сонячної» електроенергії також не є безпроблемним: час створення її співпадає з піковими навантаженнями електричних мереж. Та й доступність останніх теж не є повсюдною. Але концепція акумулювання виробленої електроенергії у вигляді водню, який можна отримати шляхом електролізу води, і спалювання його в ПК, виглядає дуже привабливо і здобуває все більше прихильників. Саме для впровадження цієї концепції з новою силою заговорили про потребу ефективних засобів акумулювання і транспортування водню. Звичайно, як провідні наукові лабораторії та центри, так і окремі науковці, миттєво відреагували на суспільний запит. То ж кількість досліджень у цьому сегменті різко зросла. Можна сказати, що вже зараз є великий пакет як ідей та проектів, так і вже готових технологій для вирішення цієї важливої в практичному відношенні проблеми.
- Очевидно, маємо справу з глобальними змінами і процесами, які вимагають системної, послідовної і добре скоординованої системи дій на рівні держав та міждержавних органів та організацій?
– Абсолютно правильно. Поступовий перехід до використання відновлюваної енергетики та зменшення викидів парникових газів (в т.ч. CO2) є нині частиною стратегії, затвердженої численними офіційними документами ООН та ЄС (див. наприклад «Декларацію сталого розвитку» – документ, прийнятий 25 вересня 2015 року на засіданні Генеральної Асамблеї ООН). Варто зазначити, що окрім широко декларованих зменшення шкоди для довкілля та зменшення впливу на зміну клімату, очевидними є й інші, не менш істотні цілі часткової відмови від викопних вуглецевих енергоносіїв і впровадження відновлюваних джерел енергії, серед яких – диверсифікація енергоносіїв і створення нових ринків з метою просування на них новітніх товарів та технологій. До останніх, звичайно, відноситься автомобільний транспорт, який працює на вже згадуваних водневих (з використанням ПК) або гібридних (поєднання електромобіля з водневими ПК) двигунах. Провідні автомобільні компанії («Хюндай», «Тойота», «Мерседес» тощо) вже випустили водневі автомобілі, і з кожним роком пропонують все більш вигідні ціни, а параметри цих автомобілів стають все ближчі і ближчі до тих, що працюють на викопному паливі. Ці та інші досягнення свідчать, що воднева енергетика – це справа не майбутнього, а вже нинішнього дня.
– Пане Ігоре! Може перейдемо від глобальних аналізів та стану справ у світі до ситуації в Україні?
– Безумовно. І скажемо, що ситуація в Україні як в теоретичному, так і практичному, аспектах не є поганою. Якщо говорити про підтримку наукових досліджень (до речі, без яких прориви в технологічній сфері є неможливі), то Національна академія наук України ще в 2005 році започаткувала цільову комплексну програму «Фундаментальні проблеми водневої енергетики», яка з невеликими змінами в пріоритетах, кількості учасників та в залежності від наявного фінансування підтримувала і підтримує дослідження, які спрямовані на створення нових дотичних до водневої енергетики технологій та матеріалів. При цьому наукові розробки ведуться по напрямках водневої енергетики, про які ми вже згадували: 1 одержання водню, 2 його зберігання і транспортування, 3 використання. Інша річ, що вкладення в ці надзвичайно актуальні наукові напрями набагато менші, ніж потрібно. Вони неспівмірні з тими обсягами фінансування, які можуть собі дозволити провідні економічно розвинуті країни. І все ж згадані програми НАН України, ряд проєктів програми НАТО «Наука заради миру та безпеки», європейської програми Горизонт-2020 і новоствореного Національного фонду досліджень України істотно впливають на присутність наших вчених на передовій цього надважливого науково-технологічного штурму.
– Фундаментальна наука – це добре. А як щодо прикладного застосування і просування водневої енергетики в Україні?
– Щодо прикладних аспектів, то зараз багато говорять і пишуть про можливість реалізації в Україні стратегічних проєктів з виробництва водню. У недавно задекларованій «Водневій стратегії ЄС», яка є частиною «Європейської зеленої угоди», відзначається потенціал України для встановлення дуже великих потужностей з виробництва «зеленого» водню. За оцінками експертів, Україна має другий у Європі потенціал відновлюваної енергетики: Херсонська, Одеська, Миколаївська та Запорізька області здатні забезпечити половину потреб країн Євросоюзу в електроенергії. І для реалізації цих проєктів в Україну можуть надійти багатомільярдні інвестиції для отримання водню з використанням електроенергії з сонячних і вітрових електростанцій. Є також проєкти, які пропонують використати газотранспортну мережу України для транспортування до Європи газової суміші з певним вмістом водню.
Будемо сподіватись, що потенційна енергія ідей та можливостей перетвориться в кінетичну енергію реальних проєктів, і Україна зможе відігравати помітну роль у майбутній системі відновлювальної енергетики в цілій Європі.
- Отже, підсумкові тези нашої розмови будуть оптимістичні?
– Може, й навіть трохи завчасно, але можемо стверджувати, що стоїмо на порозі доби впровадження нових способів одержання та переважаючого використання палива з альтернативних джерел енергії (тобто енергії сонця, вітру, води) стосовно до енергії, яку отримує людство від використання викопних палив. І питання стоїть не в тому, чи має така альтернативна енергетика (і в тому числі її складова – воднева енергетика) перспективи чи ні, а тільки в тому, як швидко нові технології будуть застосовуватись на транспорті, у виробництві, в побуті і як швидко ми не тільки відчуємо і порахуємо економічні прибутки від цих технологій, але й отримаємо відчутні досягнення в царині екологічної безпеки всієї планети, які важко розрахувати і важко переоцінити.
– І щодо українського аспекту у рамках цих нових планів і можливостей?
– Є такий жарт, що песиміст – це добре поінформований оптиміст. Думаю, що він може не стосуватися теми нашої розмови за однієї умови. Маємо бути дуже добре поінформованими оптимістами, тобто озброєними новими знаннями, новими технологіями і значно наполегливішими в намірах реалізувати потенціал своєї країни у рамках нових можливостей.
– Дуже дякую, пане Ігоре, за важливу розмову.
Спілкувався Богдан Залізняк,
керівник пресцентру
наукової журналістики ЗНЦ
НАН України і МОН України,
член НСПУ і НСЖУ
м. Львів