Петербургский Физтех предложил немного проектов в сфере водородной энергетики, которые имеют все шансы сделаться коммерческими продуктами

На исходе 2007 года завершается очередной период "водородного проекта", инициированного несколько лет вспять "Норильским никелем". По крайней мере двум лабораториям Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе - полупроводниковой квантовой электроники и фотоэлектрических преобразователей - нынче не до рождественских приготовлений. Они готовят отчеты по результатам работы, финансируемой серьезным заказчиком. Причем речь идет не о НИР - идеях, формулах, гипотезах, а о реально работающих устройствах и установках (этап ОКР). В следующем году надобно представить заказчику окончательные версии, а в 2009−м уже может возникнуть производство.

Опередили государство

Уже больше десяти лет альтернативная энергетика рассматривается как перспективный бизнес, на котором позволительно заработать. Глобальное потепление, загрязнение окружающей среды и ограниченность запасов углеводородного сырья подталкивает страны, лидирующие в потреблении энергии, к поиску альтернативных источников. В числе наиболее перспективных направлений этих изысканий - водород и водородная энергетика. Водород - единственный из самых распространенных в природе элементов. Он содержится, в частности, в воде - это на практике безграничный и даровой ресурс. Единственный крайний продукт реакции, в ходе которой из водорода получают электрическую энергию, - та же вода. Это делает водород заманчивым объектом для исследований и инвестиций.

За 1995−2005 годы мировые инвестиции в возобновляемые источники энергии выросли с 7 до 38 млрд долларов в год. Правда, к водородной энергетике инвесторыюридическое или физическое лицо, осуществляющее инвестиции, вкладывающее собственные заемные или иные привлеченные средства в инвестиционные проекты. Инвестиционный капитал, вкладываемый инвестором, может быть представлен в виде финансовых ресурсов, имущества, интеллектуального продукта. Инвесторы обычно не просто вкладывают капитал в дело, подобно бизнесменам, но осуществляют долговременные вложения в достаточно крупные проекты, связанные со значительными производственными, техническими, технологическими преобразованиями, новшествами. В качестве инвесторов выступают государство, регионы, организации, предприятия, предприниматели, частные лица, игроки на рынках ценных бумаг. относятся по-разному. Например, ветеран венчурного коммерциала Винод Кошла, чей венчурный фонд Khosla Ventures специализируется на "чистой энергии", водород как предмет вложений в то время как игнорирует. Но есть и другая позиция. На своей странице в Live Journal председатель правления ГМК "Норильский никель" Михаил Прохоров пишет: "Я совсем убежден в том, что в этом месте имеются условия для кратного роста стоимости бизнеса, вот я и планирую его создавать". Дочерняя архитектура холдинга - Национальная инновационная группа "Новые энергетические проекты" (НИК "НЭП"), уже инвестировала 300 млн долларов (размер крупного западного венчурного фонда), а запланированный объем инвестиций на ближайшие пять лет составляет 500 млн.

Инициировав в 2003 году программу "Водородная энергетика и топливные элементы", "Норильский никель" решил провести мобилизацию наработок во всех отраслях российской науки. К участию в проекте были приглашены институты, которые могли предложить технологии в сфере получения, хранения и использования водорода. Хотя вызвалось участвовать возле 120 институтов РАН, на нынешний день в числе ключевых партнеров всего 12 организаций: не все оказались способны действовать с серьезным инвестором.

Для подстраховки

Одним из активных исполнителей по программе "Норильского никеля" является петербургский Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе (Физтех). Сегодня при поддержке НИК "НЭП" Физтех проходит этап ОКР по двум проектам - создания источников питания на основе микротопливных элементов и гибридной солнечно-ветровой установки. Оба эти проекта имеют прямое коммерческое использование и востребованы уже сегодня.

Современная мобильная электроника поглощает все больше электроэнергии. Одни только мобильные сети третьего поколения (3G) чего стоят: скачивание и проигрывание видео на мобильных телефонах потребует значительно большей емкости аккумуляторов. Те четыре-пять часов, которые выдерживает батарея ноутбука, все меньше удовлетворяют современные потребности в мобильности. Технология микротопливных элементов, работающих на водороде, имеет больше большой потенциал, чем обычные электрохимические аккумуляторы. Сегодня уже удалось сравнять их характеристики.

Во многих странах мира с высокой долей солнечных дней в году приняты программы развития солнечной энергетики. В Калифорнии, например, план каждого нового дома предполагает солнечную батарею на крыше. Удивительно, но более того не такие уж жаркие страны, как Германия, серьезно воспринимают солнышко как источник энергии. Солнечные и ветровые генераторы могут быть использованы и в качестве резервного источника электроэнергии в частном загородном доме, и для питания, например, автономных базовых станций сотовых операторов.

Гибридные солнечно-ветровые установки днем преобразуют энергию солнца, ночью - энергию ветра и позволяют аккумулировать электричество. Есть ещё одно перспективное употребление для эдакий установки - накопление впрок. Избыточный ток может быть направлен на приобретение водорода. В рамках других проектов НИК "НЭП" разрабатываются специальные установки для выделения водорода из воды путем электролиза. Одно из важнейших преимуществ водорода состоит в том, что он идеально подходит для сохранения энергии на продолжительный срок. Закачанный в баллоны, он может выступать резервным источником электроэнергии для дома, больницы, научного института.

Совместно обе технологии могут служить в качестве средства децентрализации энергоснабжения. Современные энергосети худо справляются с пиковыми нагрузками - довольно вспомянуть веерные отключения в Москве и Нью-Йорке. Но эффективного способа сохранения электроэнергии в больших объемах покуда не найдено. "Водородная энергетика должна принять решение эти проблемы", - пишет Михаил Прохоров. По мнению бизнесмена, водородные технологии в перспективе займут до 20% мирового энергобаланса - как раз эта доля мощности и будет служить для регулирования пиков потребления. А ещё будут употребляться для обеспечения некоторых территорий, которые в эти дни не охвачены электросетями, - горных районов, глухих деревень.

Не выбрасывайте батарейки. Забудьте о них

Заведующий лабораторией полупроводниковой квантовой электроники Александр Гуревич показывает красивую сверкающую металлом установку. Сферическая камера с дверцей-иллюминатором , снизу - организация зеркал, которые направляют на нее лучик лазера, расположенного едва поодаль. Рядом установка-двойник. Обе предназначены для получения нанокатализаторов - микроскопических частичек платины, создающих результат рычага в реакциях по получению электричества из водорода. Это гордыня лаборатории и предмет интереса коммерческого инвестора.

Лаборатория Гуревича проходит уже третий этап в сотрудничестве с НИК "НЭП". Согласно договору, она должна представить заказчику образцы компактных источников питания на микротопливных элементах (МТЭ). Эти устройства размером еле-еле==немного больше спичечного коробка предназначены для питания или зарядки портативных электронных устройств - сотовых телефонов, ноутбуков и т.д. В различие от традиционных литий-ионных аккумуляторов, в МТЭ электричество не накапливается, а производится. В устройство вставляется особый картридж, заполненный водородом, газ поступает в мини-реактор , где происходят химические процессы окисления водорода и восстановления кислорода, в результате которых выделяются электричество и вода. В силу естественного разогрева МТЭ влага испаряется - это несколько миллиграмм в минуту.

Полная экологичность этих процессов - важное преимущество: как известно, аккумуляторы необходимо особым образом утилизировать из-за содержащихся в них активных веществ. Другое превосходство состоит в том, что аккумуляторы имеют совершенно ощутимые ограничения по энергоемкости, в то период как МТЭ позволяют повысить тот самый показатель на первых порах в два раза, а в перспективе - гораздо больше. У массовых аккумуляторов энергоемкость ныне на уровне 150−200 Вт ч на литр объема. Сегодня ученые работают над тем, чтобы вылезти на плановый показатель удельной энергоемкости 120 Вт ч на литр.

Изюминка разработки - нанокатализаторы. Без них реакции протекали бы гораздо медленнее, а энергоемкость МТЭ напрямую зависит от эффективности катализатора. "Технология истинно оригинальная, а ход крайне сложный", - говорит Гуревич. Путем лазерного элекродиспергирования ученые получают порошок, состоящий из шариков сажи размером 100 нм, покрытых частичками платины размером 2 нм. Эти катализаторы не уступают единственному мировому аналогу - американскому ETЕК. А их потенциал гораздо выше. Для этого ученые пытаются манипулировать двумя сотнями параметров.

Через год ученые должны будут сдать проект. От них ожидают экспериментальные установки малого, среднего и крупного размера. Пока что служба идет над базовой комплектацией - источником средней мощности 2 Вт, пригодным, например, для зарядки мобильного телефона. Большой МТЭ будет предназначен для питания устройств типа ноутбука, а малый - для встраивания в печатную плату для питания микросхем. Также в проект входят базовые исследования по созданию топливных элементов, работающих не на водороде, а на этиловом спирте.

Гетероструктуры на крыше

На крыше Физтеха уже несколько лет находится экспериментальная солнечная фотоэлектрическая установка. Под зимним пасмурным небом она бесполезна, только в весенние и летние месяцы ее используют для исследований. Установка - закрепленные на наклонных металлических фермах прямоугольники из множества так называемых концентраторных солнечных батарей. Единичная батарея - это линза и махонький полупроводниковый безоблачный элемент. Конструкция, материалы и метод изготовления солнечных батарей - ноу-хау лаборатории фотоэлектрических преобразователей - кроме того получили финансовую поддержку НИК "НЭП".

В советское пора Физтех стал признанным лидером в области полупроводниковых технологий, в частности - гетероструктур. В 1960−х под руководством нынешнего лауреата Нобелевской премии Жореса Алферова в Физтехе велись исследования по созданию полупроводников с управляемыми свойствами. Так, объединив галлий и мышьяк, ученые получили материал арсенид галлия, обладающий новыми свойствами. Использованный, например, в солнечном элементе, он оптимальным образом поглощает потребный участок светового спектра, при этом пропуская все остальные фотоны через себя. Впервые данные технологии были реализованы в солнечных элементах на советских зондах "Венера 2" и "Венера 3". Однако основополагающий счастливый момент был достигнут в 1967 году, когда в Физтехе создали первые в мире гетероструктуры на основе алюминий-галлий-арсенида , в дальнейшем позволившие повысить эффективность солнечных элементов. Однако на тот миг кпд солнечных элементов был всего 11%.

Сейчас по заказу НИК "НЭП" лаборатория фотоэлектрических преобразователей работает над созданием солнечных элементов с кпд 37%. Модули, использованные в космических установках советского периода, оказались чересчур дорогостоящими. Чтобы снизить цена материалов, использовали идею концентрирования солнечного излучения с помощью линз на шибко маленькие ячейки фотопринимающих полупроводников. "Мы разрабатывали эту идею с нуля", - вспоминает первый академический работник лаборатории Валерий Румянцев, пионер этой технологии.

В кабинете Румянцева - коллекция первых попыток: большие и маленькие солнечные элементы, включающие обычные параболические зеркала, обычные линзы и линзы Френеля. С экономической точки зрения единственно приемлемой оказалась линза Френеля, в которой функции фокусировки выполняют уймище микропризм, расположенных на обычном оконном стекле. Благодаря концентрации света расход полупроводниковых материалов на единицу мощности фотоэлемента снижается в 200 и более раз.

Происходила также эволюция размеров. Изначально линзы делали размером в 10 кв. дм, при всем при том они делали этакий могучий поток солнечного света, что полупроводниковый ингредиент мог легко сгореть. Сегодня для линзы оптимальным признан габарит 4 на 4 см, а полупроводника - 1,5 на 1,5 мм. Конечный вариант установки выглядит так: 144 пары линз и фотоэлементов образуют модуль 0,5 на 0,5 м.

В следующем году Физтех должен сдать заказчику экспериментальную гибридную установку, включающую кроме солнечной энергоустановки ветрогенератор. Ветровой частью проекта занимается лаборатория экологии и энергетики петербургского Института химии силикатов РАН. Установка будет оснащена аккумулятором для накопления электричества. "Сейчас мы находимся гладко в середине проекта, подготовленность установки разрешается дать оценку в 50%", - говорит менеджер проекта Сергей Когновицкий.

Водородная статья бюджета

Андрей Забродский: "Новая отрасль техники тянет за собой науку. И наоборот"

Физтех работает по водородной программе "Норильского никеля" с 2004 года. По словам директора Физтеха Андрея Забродского, это стратегическое партнерство. Для института, во-первых , это вероятность развиваться, реализовывать имеющиеся заделы во многих областях науки - микро и оптоэлектронике, изучении новых материалов, нанотехнологиях. А помимо того, в науке - как в спорте: по-настоящему ценится только первое место. "Надо все миг быть лучше, чем остальные", - говорит Забродский. Понятно, что без современного оборудования и минимального благосостояния ученых помогать первенство непросто.

За прошедшие годы Физтех получал по двум водородным проектам в среднем 40−50 млн рублей в год. Даже с учетом того, что без малого половинка этих денег отходила соисполнителям (в проекте Гуревича, например, их 12), это все одинаково значительные для института суммы. На 2007−2008 годы суммарное финансирование по обоим проектам составит почти 250 млн рублей, из которых 70 млн - грант Роснауки. Это рядом 15% бюджета Физтеха, тот, что в этом году приближается к 1 млрд рублей.

Оставшиеся 85% - также преимущественно капиталы со стороны. "Примерно две трети бюджета этого года мы получаем от проектов и программ благодаря инициативе наших ученых", - говорит Забродский. Работая по внебюджетным проектам, удалось существенно вознести порядок зарплаты в Физтехе. По каким-то направлениям финансирование РАН весьма слабое, это касается расходных материалов, нового оборудования. Сторонние контракты - одна из немногих возможностей для института удерживать на уровне свою материально-техническую базу.

Понятно, что в Физтехе были бы рады продолжить сотрудничество с НИК "НЭП". После завершения двух проектов уже наметились новые кандидаты. В предварительный проект финансирования НИК "НЭП" на следующие годы попало несколько предложений других лабораторий Физтеха. Среди проектов - получение водорода из воды под действием света, накопители водорода в индустриальных объемах, полимерная оптоэлектроника, которая сегодня живо развивается в мире.

Непривычный манера работы

"Работа с НИК "НЭП" нас многому научила, - говорит Забродский. - Это оказался достаточно твердый партнер". На начальном этапе с НИК "НЭП" вызвались сотрудничать многие институты. Однако у некоторых ученых возникла иллюзия, что не возбраняется отчитаться результатами прежних лет. Такой стереотип поведения сложился за последние 15 лет, когда институты не получали крупных заказов и не имели серьезных обязательств. Однако фирма ждала адекватных отчетов и проучила "халявщиков" - не все участники первого этапа продолжили работу.

Физтех, который добросовестно подошел к взятым на себя обязательствам, увидел собственные слабые стороны. Продолжительность финансирования работ довольно невелика, а соорудить нужно сильно много. "Приходится трудиться если не в авральном, то в очень напряженном режиме", - говорит босс института. Потребовалось более жестко контролировать результаты работы и взаимодействие между группами. В целом в работу по водородным проектам вовлечено 60−70 сотрудников Физтеха из разных лабораторий.

"Впервые в истории института мы столкнулись с тем, что необходимо сформировать менеджмент", - рассказывает Забродский. Сейчас работу по двум проектам координируют три менеджера, в обязанности которых входит подсоблять связь с инвестором, наблюдать за выполнением планов, сроков, качеством работ, своевременно готовить отчетность и т.д.

Для многих ученых работа с НИК "НЭП" оказалась первым подобным опытом. "По интенсивности в моей практике таковый работы, пожалуй, не было никогда", - говорит Гуревич. Инвестор хочет обладать итог сегодня, оттого ставит временные рамки, близкие, по мнению ученых, к предельным. Чтобы уложиться в срок, приходится вкалывать по 12 часов в день без выходных. Но даже не это главное: работа ученого требует последовательного, методичного подхода, что тяжко совместить со сжатыми сроками. "С природой не так-то без затей договориться", - рассуждает Гуревич.

Воплотить в железе

По условиям договора права на интеллектуальную собственность, созданную на монеты заказчика, полностью принадлежат ему, то есть НИК "НЭП". Это мировая практика заказных НИОКР. Сегодня в портфеле интеллектуальной имущества НИК "НЭП" больше 50 изобретений и примерно 150 ноу-хау , созданных более чем в 50 российских институтах.

Хотя оба физтеховских проекта не являются подрывными и уже имеют коммерческие аналоги, рыночные перспективы у них целиком оптимистические. Обе технологии созданы на основе многолетних наработок Физтеха и по потребительским свойствам практически не уступают аналогам. "Мы планируем вылезать на рынокРынок в экономической теории — это совокупность экономических отношений между субъектами рынка по поводу движения товаров и денег, которые основываются на взаимном согласии, эквивалентности и конкуренции. Рынком также называют оборудованную или необорудованную территорию, обычно в населённых пунктах, где происходит массовая торговля с рук. с портативными топливными элементами и солнечно-ветровыми энергоустановками поэтапно в 2009−2011 годах", - говорит генеральный управляющий НИК "НЭП" Борис Кузык.

Сейчас Физтех совместно с НИК "НЭП" разрабатывают бизнес-план по организации производства солнечных фотопреобразователей на основе трехкаскадных гетероструктур. Речь идет о строительстве завода мощностью 30 МВт в год. Требуемая сумма вложений - около 3 млрд рублей. Если маркетинговые исследования покажут высокую отдачу от проекта, то "Норильский никель" может обозначиться инвестором. Интерес объясняется тем, что, по словам Бориса Кузыка, себестоимость таких фотоэлементов вдвое меньше традиционных кремниевых.

Уже есть общее видение того, где располагать производство. Один из вариантов - московское предприятие "Квант", где изготавливались солнечные батареи для космических программ СССР. Однако в самом Физтехе считают, что правильнее было бы расположить предприятие в создаваемой в Санкт-Петербурге технико-внедренческой зоне. "У нас есть навык участия в создании и становлении предприятий, - "Светлана", "Позитрон" - и мы считаем, что они должны находиться неподалеку от института-разработчика , - говорит Забродский. - Такая близость упрощает работу с кадрами, техническое сопровождение, модернизацию производства".

От сотрудничества институтов РАН и "Норильского никеля" выигрывают все: сами институты, приватный инвестор, потребители, в перспективе - вся страна. Даже несмотря на "узкие" места, в частности надобность заниматься несвойственной институтам конструкторской деятельностью, проект был воспринят учеными с большим энтузиазмом. Похоже, что давнехонько утерянная вереница передачи научных знаний в фабрика начинает мало-помалу восстанавливаться.

Санкт-Петербург