ЦКП «Водородная энергетика и электрохимические технологии»
научные исследования и подготовка кадров для новой энергетики
Национальный исследовательский университет «МЭИ»
директор ЦКП «Водородная энергетика и электрохимические технологии», д. т.н., профессор
Национальный исследовательский университет «МЭИ» является одним из ведущих центров по подготовке кадров и проведению научных исследований в области водородной и электрохимической энергетики в России. В 2004 г. на базе кафедры Химии и электрохимической энергетики МЭИ (ТУ) открыт центр коллективного пользования «Водородная энергетика и электрохимические технологии».
Основные направления деятельности:
· Предоставление услуг оборудованием
· Приборно-аналитическое обеспечение научных исследований и лабораторных практикумов студентов
· Тестирование элементов водородных технологий
· Подготовка кадров высшей квалификации
· Использование оборудования ЦКП при проведении исследований аспирантами, бакалаврами, магистрами
Почему ЦКП по данной проблеме был создан именно на базе МЭИ?
Здесь были важны следующие аспекты:
· Водородная и электрохимическая энергетика - новая энергетика, но она должна базироваться на опыте продвижения традиционных энергетических технологий.
С технологиями прямого электрохимического преобразования энергии связывают энергетику будущего. Технологии водородной энергетики входят в РФ в состав критических технологий.
Основные направления новой энергетики
- экологически чистый автотранспорт с использованием литий-ионных аккумуляторов ( электромобили ) и водород-воздушных топливных элементах.
- использование возобновляемых источников энергии (солнце, ветер, вода) с электрохимическим аккумулированием избытка энергии, в том числе в виде водорода.
- распределенная и автономная энергетика с использованием топливных элементов, работающих на конверсионном природном газе или местных биоресурсах.
- атомно-водородная энергетика
Тенденции новой энергетики можно проследить на примере Европы.
9 декабря 2008 г. 27 государств Европейского Союза одобрили Директиву, согласно которой в 2020 году государства - члены ЕЭС должны вырабатывать от 33,6 до 40,4% всей электроэнергии от возобновляемых источников энергии ( в использования энергии ветра, солнца и воды) общим объемом 1370 ТВт. ч.
Продажи электромобилей в мире к 2017 году должны возрасти до 5.2 млн. шт. В Европе к 2020 году должно появиться 8 миллионов "заправок" для электромобилей, из которых должны быть общедоступными.
Прогноз показывает, что к 2020 г должно продаваться до 1 млн. автомобилей на водород-воздушных топливных элементах, появятся 5200 водородных заправочных станций для их обслуживания.
· Научная школа. В МЭИ с середины 60-х годов начала формироваться научная школа по данной проблеме. Сегодня на кафедре Химии и электрохимической энергетики работает 7 докторов наук и 10 кандидатов наук. Кроме того, на кафедре Инженерной Теплофизики водородную тематику курируют 5 докторов наук и 5 кандидатов наук, на кафедре Нетрадиционные и Возобновляемые виды энергии – 4 доктора наук и 6 кандидатов наук.
· Подготовка кадров.
Начиная с 1970 года в МЭИ подготовлено более 400 инженеров по специализации «Электрохимическая энергетика». К их подготовке привлекаются ведущие специалисты, в том числе из научных и производственных организаций: РНЦ «Курчатовский институт», МГУ, ИВТ РАН, Институт электрохимии РАН.
С 1974 года подготовлено более 450 специалистов по специальности «электрохимическая энергетика». С 2012 года на базе данной специальности создан новый профиль подготовки бакалавров и студентов «Автономные энергетические установки и системы».
· Открытая площадка для обсуждения проблем водородной энергетики. С 2005 г. на базе ЦКП под эгидой Международного партнерства по водородной энергетике (IPHE) проведены 3 Международных симпозиума по водородной энергетике. Учредителями и спонсорами симпозиума выступили Федеральное агентство по науке и инновациям, МЭИ (ТУ), фирма «Hydrogenics». Труды Симпозиума содержат более 50 докладов ведущих специалистов в данной области, а также молодых ученых. Кроме того, ежегодно на Международных и Российских научных конференциях студенты МЭИ представляют от 10 до 15 научных докладов. Многие научные работы студентов по водородной энергетике отмечены дипломами и грамотами.
· Оказание услуг.
ЦКП оснащен современным аналитическим оборудованием, научными приборами и испытательными стендами. По мере потребности предоставляются услуги сторонним организациям и подразделениям МЭИ. По линии ЦКП в течение 2гг. закуплено научного аналитического оборудования на сумму около 30 млн. руб.
· Проведение НИР. Существенным элементов НИР является использование современного исследовательского, аналитического и тестового оборудования ЦКП для выполнении НИР по грантам Российского Фонда Фундаментальных Исследований (РФФИ), Федеральным целевым программам. К сожалению, объем таких работ сокращается, и главное не является стабильным.
Новое направление ЦКП это получение технологического оборудования (поставки по линии НИУ) и его использование для проведения НИР и НИОКР. В частности освоены:
- автоматизированный комплекс по нанесению каталитических чернил на электроды топливных элементов;
- получение каталитических черней платины для электродов топливных элементов на вакуумной магнетронной установке;
- формирование волокон и нетканых материалов для электрохимических устройств на их основе метода электропрядения;
Рассмотрим три основных аспекта научной работы ЦКП:
- разработка новой элементной базы, в частности, электродно-диафрагменных блоков для щелочных электролизеров на основе новых композитных полимерных диафрагм и каталитически активных электродов. Щелочные электролизеры рассматриваются сегодня в качестве основных устройств для крупномасштабного производства водорода в рамках технологий водородного аккумулирования энергии, а также как основной элемент комбинированных энергосистем, использующих энергию возобновляемых источников (прежде всего солнца и ветра). Здесь активная работа ведется с УралХимМаш» для модернизации элементной базы и разработки конструкции новых щелочных электролизеров с пониженным энергопотреблением и металлоемкостью.
- разработка электродов катализаторов с малой закладкой благородной компонент (0,1 мг/см2) для водород-воздушных топливных элементов с твердым полимерным электролитом. Минимизировать закладку драгоценных металлов удается за счет использования современных технологий, в том числе нанотехнологий и технологий микроэлектроники. Каталитические композиции на основе платины и смешанных систем размер кластеров которых составляет единицы нанометров формируется на углеродных носителях с высокой поверхностью (сажа, углеродные нанотрубки). Вместе с тем сегодня выявились основные еще нерешенные проблемы при использовании наноразмерных частиц катализатора, связанные с их склонностью к агломерации, отравлением каталитическими ядами (например, монооксидом углерода), уносом катализатора с продуктами реакции из-за слабой связи частицы катализатора с поверхностью носителя. Эти проблемы являются предметом научных исследований.
Проблемы
Вместе с тем проблемы работы ЦКП «Водородная энергетика и электрохимические технологии», особенно в последние годы, становятся существенными и являются препятствием для его и развития:
- отсутствие финансовой стабильности и долгосрочной уверенности ЦКП,
что не позволяет проводить планомерную работу по его развитию, а только поддерживать.
- отсутствие поддержки базовой организации (лишь предоставление дополнительного оборудования и спрос за его использование)
- невозможно привлечь и удержать ведущих специалистов (работают совместители и аспиранты). Тот, кто остался, вынужден отвлекаться от научной работы и работы в ЦКП на всевозможные отчеты, проверки, число которых со стороны контролирующих организаций возросло.
- потребность в услугах ЦКП не велика и определяется его спецификой, связанной с отсутствием реального заказчика на услуги новых энергетических технологий.
- трудно найти средства для софинансирования работ и налога на прибыль
К сожалению, тенденции государственной поддержки научных исследований в последнее время не способствуют эффективному использованию выделяемых ресурсов. Поощрение краткосрочных и более дешевых проектов приводит к их легковесности, а многочисленные индикаторы отвлекают от получения научного результата.
Необходимо понять, что получение качественного научного результата – это длительный кропотливый процесс, который не должен ограничиваться для кого-то удобными формами отчётности и статьями расхода. У научного руководителя должен быть маневр для оперативного финансирования работы, привлечения необходимых специалистов, услуг других ЦКП, покупки и ремонта оборудования. Подготовка молодых ученых должна опираться на долговременную финансовую стабильность научного коллектива. Интересы и задачи научного коллектива должны быть первостепенными – все остальное обслуживающая инфраструктура.
Необходимо выделять средства под репутацию и авторитет ученого и под конкретную крупную задачу, расширить его полномочия.
Нужно резко снизить количество отчетов, проверок, новых организационных форм. Спрос по результату, который опирается на профессионально рецензируемые работы (диссертации, научные статьи в специализированных журналах, патенты, книги и монографии, протоколы испытания новых устройств и материалов). Необходимо расширить полномочия профессиональных объединений ученых и специалистов, поддержать и поднять авторитет специализированных научных журналов.
Максимально приблизить прикладные исследования к решению технологических проблем. Тогда бизнес будет проявлять заинтересованность и реально поддерживать науку.
Инфраструктура ЦКП должна работать стабильно, а оборудование эффективно использоваться. Для этого необходимо гарантировать базовые ставки основных специалистов, причем выделять средства на поддержание минимум на 3-5 лет. Поддержать ЦКП – это повысить отдачу от уже вложенных средств в научное и аналитическое оборудование. И это уже задача государственная.
Национальный исследовательский университет «МЭИ»
директор ЦКП «Водородная энергетика и электрохимические технологии», д. т.н., профессор
