Водородная энергетика представляет собой перспективное направление, поскольку водород может быть использован как чистый источник энергии, не выделяющий вредных выбросов при сгорании. В мире и в нашей стране данная технология находится в стадии интенсивного развития и уже сейчас применяется в различных сферах: топливные элементы с водородным «топливом» используют для обеспечения энергией различных стационарных устройств, а также для автомобилей, автобусов, поездов и тд. Для понимания, транспорт, который работает на водороде, производит в качестве продукта реакции только воду, что снижает риск загрязнения окружающей среды. Это особенно актуально в контексте борьбы с изменением климата и уменьшения зависимости человечества от ископаемых топлив. Но насколько мы близки к полному внедрению альтернативной энергетики и что для этого делают современные отечественные ученые?

Известен в мировой науке: персона Владимира Гутермана

В Южном федеральном университете это направление развивает команда Владимира Гутермана – доктора химических наук, главного научного сотрудника Химического факультета ЮФУ, научного руководителя лаборатории «Наноструктурные материалы для электрохимической энергетики». По его словам, инновационный переход на водород как основной вид топлива действительно нужен нашему миру:

«Необходимость перехода на водородную энергетику обусловлена несколькими причинами. Во-первых, климатические проблемы становятся все более острыми. Если к 2050 году человечеству не удастся сдержать рост температуры на уровне 1,5 градусов и он превысит 2,5 градуса, то это будет огромная катастрофа с труднопредсказуемыми последствиями. Одной из весомых причин происходящего потепления является накопление в атмосфере большого количества углекислого газа, образующегося при сжигании углеродных топлив: бензина, угля, метана. Переход к водороду, который при сгорании образует чистую воду, поможет снизить загрязнение атмосферы, уменьшить парниковый эффект и преодолеть климатический кризис.

Вторая причина – это экологический аспект. Загрязнение атмосферы негативно влияет на здоровье людей, особенно в крупных городах, где основным загрязнителем является транспорт. Поэтому даже «простой» перевод городского транспорта на лититий-ионные электромобили уже сейчас и на водород в скором будущем значительно улучшит качество воздуха и сможет продлить жизнь людей».

Уже более 39 лет ученый трудится на благо науки, а с 2006 года занимается разработкой новых платиносодержащих электрокатализаторов для низкотемпературных топливных элементов, исследованием связи их состава и структуры с каталитической активностью в реакциях электровосстановления кислорода, окисления водорода и спиртов. За эти годы он приобрел колоссальный научный опыт: от работы доцентом на Химическом факультете Ростовского государственного университета (ныне ЮФУ), поста декана химфака ЮФУ до серьезного международного опыта. В частности, Владимир Гутерман несколько лет проработал в Южной Корее в компании Samsung, а также сотрудничал с одной из ведущих «водородных» компаний Великобритании. С 2021 по 2023 год он принимал участие в проекте компании «ZeroAvia» – мирового лидера в области водородной авиации, работа которого направлена на создание среднетемпературного водородо-воздушного топливного элемента. В перспективе (~2028-2030 г) такой топливный элемент должен стать основным источником энергии для полета среднемагистральных авиалайнеров, рассчитанных на 50-60 пассажиров. В рамках этого проекта ученый отвечал за разработку катализаторов, необходимых для создания такого топливного элемента.

(Архивное фото, Владимир Гутерман в компании Samsung Advanced Institute of Technology, South Korea, 2002 год.)

*Примечание: катализаторы – вещества, ускоряющие химическую реакцию, но сами в ней не расходующиеся. Катализатор является неотъемлемой частью низко- или среднетемпературного топливного элемента с протонообменной мембраной. Топливный элемент (ТЭ) представляет собой устройство, в котором химическая энергия топлива непосредственно преобразуется в электрическую энергию. В зависимости от требований к размеру и объему, такие ТЭ могут использоваться в различных транспортных средствах, кораблях, лодках, а также в стационарных устройствах для энергообеспечения жилищ. Уже сегодня их используют производители автомобилей Toyota Mirai. Опытные образцы водородомобилей разрабатывают и отечественные автопроизводители, например «КАМАЗ».

«Первоначально меня пригласили работать в британскую компанию «HyPoint», созданную российскими инженерами. Затем она была поглощена более крупной компанией «ZeroAvia», где я продолжил заниматься той же самой работой.  Я был приглашен как специалист в области создания катализаторов, обладающих заданными свойствами и высокими характеристиками. Если конкретнее, возглавил небольшую группу ученых, в которой мы разрабатывали технологию получения катализаторов, позволяющую «настраивать» их свойства по результатам испытаний топливного элемента.

Туда я принес знания, связанные с методами синтеза качественных катализаторов, пониманием того, какие катализаторы будут работать лучше и в каких условиях. Но это сотрудничество помогло и моему развитию. Я увидел то отношение к развитию водородной энергетики, которое, несомненно, придет и в нашу страну. То есть водородная энергетика там – это одна из бурно развивающихся отраслей, и мы можем многому научиться, поскольку только начинаем набирать обороты. Разрабатывая в компании новые подходы для решения амбициозных задач, я также понял, как можно улучшить организацию научно-технологических исследований, как не бояться браться за решение серьезных задач и решать их наилучшим образом в короткие сроки», – вспоминает ученый.

Интересно, что авиалайнер «на топливном элементе», разработанный компанией «ZeroAvia», уже проходит испытания, успешно выполняя первые полеты. 

Детище: семья Прометеев

Сейчас ученый продолжает работу в Южном федеральном университете, руководя научно-образовательным центром «Наноструктурные материалы для электрохимической энергетики» Химического факультета ЮФУ. Ядром этого центра стала лаборатория, которая зародилась в 2007 году как студенческая и постепенно развивалась до статуса штатной лаборатории вуза. Сегодня она признана в качестве одной из ведущих лабораторий в России, специализирующихся на получении и исследовании электрокатализаторов для электролизеров и топливных элементов с протонопроводящей мембраной.

«Химический факультет известен высоким уровнем научных исследований его преподавателей и сотрудников. И вот, начиная с 2016 года и до сих пор, наша небольшая лаборатория получает не менее 55% всего внешнего финансирования химического факультета. Это финансирование в основном представлено научными грантами Министерства науки и высшего образования РФ, российскими научными фондами (РФФИ и РНФ), а также соглашениями с коммерческими партнерами, включая научно-исследовательский контракт с компанией Samsung SDI. Регулярное получение конкурсного финансирования от Российского Научного Фонда свидетельствует о высоком уровне нашей работы и в части фундаментальных исследований.

Важно, что в лаборатории формируются и развиваются талантливые молодые ученые, известные в России и за ее пределами. Несмотря на существующую неудовлетворенную потребность в дополнительных ресурсах, мы способны решать широкий спектр задач в области создания материалов и устройств водородной энергетики. Конечно, мы благодарны университету за ту помощь, которую он нам оказывал, за возможность использовать современное оборудование наших центров коллективного пользования. В этих исследованиях нельзя останавливаться, почивать на лаврах. Мы все время ищем новые подходы к получению, новые способы управления процессами самоорганизации многокомпонентных наноструктурных каталитически активных материалов. Например, буквально на днях в журнале «Nanomaterials (Q1)» опубликована статья Сергея Беленова с сотрудниками «New Approach to Synthesizing Cathode PtCo/C Catalysts for Low-Temperature Fuel Cells», в которой описан перспективный подход к получению платинокобальтовых электрокатализаторов. Высокие функциональные характеристики синтезированного образца подтверждены испытаниями в мембранно-электродном блоке водородо-воздушного топливного элемента», – отметил Владимир Гутерман.

На сегодняшний день в коллективе работает 13 сотрудников, 12 из них младше 39 лет, семеро – кандидаты наук. Примерно 16 студентов разных курсов химического факультета принимают участие в исследованиях, что способствует их профессиональному росту. 

За последние пять лет команда Владимира Гутермана выполнила 14 проектов, поддержанных Российским научным фондом (РНФ) и другими организациями, опубликовала более 50 статей в журналах, индексируемых в базах Scopus и Web of Science, создала семь патентов. Руководителями проектов выступают Владимир Гутерман и его коллеги, ведущие научные сотрудники Химического факультета ЮФУ Сергей Беленов, Анастасия Алексеенко и другие ученые. Кстати, Сергей и Анастасия также входят в число ведущих российских и мировых ученых по тематическому направлению «Electrolytic reduction; Electrocatalysts; Rotating disk» («Электролитическое восстановление; Электрокатализаторы; Вращающийся дисковый электрод»).

«Каталитические» публикации коллектива, первая из которых появилась в 2008 году, вызывают интерес как в России, так и за ее пределами, что подтверждается их непрерывно растущим цитированием.

Сами ученые подшучивают и называют свою лабораторию частью двуногого существа, одна нога которого – научная лаборатория, а вторая – малое инновационное предприятие «Прометей РД», созданное в конце 2017 года и производящее сегодня коммерческую продукцию на основе знаний, полученных в рамках работы над фундаментальными проектами Химического факультета ЮФУ. 

«В какой-то момент мы стали понимать, что сформированные у нас компетенции и наши возможности позволяют не только заниматься научными исследованиями и писать статьи в высокорейтинговые журналы, но и реально реализовывать масштабируемый промышленный синтез катализаторов. Причем уже тогда мы полагали, что это могут быть катализаторы высокого уровня, близкого к мировому. Мы с коллегами подали заявку в программу «СТАРТ», получили 3 миллиона рублей от Фонда содействия инновациям и в последние дни 2017-го года организовали свое малое предприятие. Мы решили, что такое «двуногое существо» гораздо более устойчиво, и два этих компонента – фундаментальный и прикладной – будут усиливать друг друга. Кстати, в 2017 году в университете только набирал силу новый тренд — создавать инновационные предприятия и производить коммерческую продукцию. Поэтому здесь мы в определённом смысле выступили пионерами», — рассказал ученый. 

На данном этапе «Прометей РД» демонстрирует успешное устойчивое развитие. Компания уверенно занимает свою нишу на рынке инновационных продуктов, продолжая внедрять передовые технологии и расширять производственные мощности. При участии научной лаборатории «Наноструктурные материалы для электрохимической энергетики» ЮФУ создана и производится линейка электрокатализаторов, превосходящих по ряду характеристик мировые аналоги на 10-15% [Алексеенко А. А., Беленов С. В., Гутерман В.Е., Способ получения катализаторов с наноразмерными частицами платины и ее сплавов с металлами, Патент РФ на изобретение №2695999 от 13 июля 2019 г]. Предприятие с 2020 года является резидентом фонда «Сколково», сотрудничает с крупными партнерами всероссийского значения и ежегодно заключает новые соглашения. Развивающийся коллектив исследователей стал одним из победителей университетского конкурса на создание новой лаборатории в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030» (нацпроект «Наука и университеты»). В качестве коммерческого партнера ООО «ПРОМЕТЕЙ РД» также намерено активизировать сотрудничество с Южным федеральным университетом в рамках этого проекта, связанного с разработкой технологии и методов контроля за процессом производства катализаторов. 

Экспертный взгляд: текущее состояние водородной энергетики в России

Может ли Россия стать лидером в области водородной энергетики? По словам эксперта, у нас много талантливых ученых и специалистов, работающих в этой области. Существует ряд «продвинутых» направлений, таких как хранение водорода, разработка твердооксидных топливных элементов и некоторые другие. Однако в финансировании этой области науки Россия пока отстает от других развитых стран. 

«Пока мы все еще больше ориентируемся на нефть и газ, и планы по углеродной нейтральности, озвученные президентом, отстают от планов стран-лидеров водородной энергетики. С другой стороны, у нас есть отдельные успехи. И наш пример — это ведь тоже успех. Мы можем делать некоторые вещи на высоком мировом уровне, что может быть предметом гордости.

Несколько лет назад в России существовала концепция, что мы можем стать поставщиком водорода для других стран. Но ситуация изменилась: сейчас мы ориентированы на производство технологий, которые могли бы покупать другие государства. Безусловно, соревноваться со странами-лидерами сложно, потому что они начали заниматься этим еще с начала века, вложили в разработки большие средства и уже многого добились. Мы же начали позже, и вложения в эту область были несравнимо меньше. Однако наша команда настроена на то, что стремиться к лидерству можно и нужно, что у российских ученых есть шанс добиться прорыва в отдельных областях водородной энергетики», — рассказал Владимир Гутерман.

А ведь поводы для гордости у нас действительно есть — помимо разработки высокоэффективных катализаторов для электролизеров и топливных элементов, в России уже производятся опытные образцы водородных автомобилей NAMI Hydrogen. ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ» позиционирует данный автомобиль как самый мощный в мире и первый в истории водородный автомобиль класса люкс. А данная компания — это ведущий научно-инжиниринговый центр транспортной индустрии России с более чем 100-летней историей.

Автотранспорт на водородных топливных элементах также активно разрабатывает ПАО “КАМАЗ”. Речь не только о грузовиках, но и пассажирском транспорте — уже несколько лет электробусы от КАМАЗ колесят по улицам Москвы, но на смену им уже приходят первые водородные автобусы. Они работают на водородных топливных элементах и оснащены шестью баллонами для хранения сжатого водорода. Эти автобусы комфортны для пассажиров и экологичны, что крайне актуально в мегаполисах. Светлое водородное будущее не за горами!

Текст: Юлия Сопрунова