Hydrogen fuel: problems and prospects | Environmental challenges and depletion of natural resources require new ways of technological development. One of them is hydrogen. It can be burned in directly modified gas turbines. Electrical energy is extracted from the fuel cells. However, there are a number of problems.
Hydrogen fuel: problems and prospects
By sbras.info7 min
“Environmental challenges and depletion of natural resources require new ways of technological development. One of them is hydrogen. It can be burned in directly modified gas turbines. Electrical energy is extracted from the fuel cells. However, there are a number of problems. For example, when fuel cells are used in an aircraft at an altitude of more than nine kilometers, the adverse effect of water will occur. When hydrogen is burned, nitrogen oxides appear. Electrochemical power sources today require a large amount of equipment. Nevertheless, the use of hydrogen-containing mixtures, in particular solid oxide fuel cells, in complex cycles makes it possible to obtain a sufficiently high efficiency, ”Marat Dzhaudatovich Gamirullin, chief specialist of United Engine Corporation JSC, outlined the topic of discussion.
Fuel cells as a source of energy
Director of the Institute of Thermophysics. S. S. Kutateladze of the SB RAS Academician Dmitry Markovich Markovich spoke about fuel cells as energy sources. “The industry of hydrogen engines and filling stations is starting to gain momentum in the world. The transition to hydrogen fuel, of course, will not solve the problem of global warming, but it will definitely correct the local ecology in megalopolises. And here there will be an obvious competition between purely electric and hydrogen transport. In the short and long term, they will gradually replace the traditional one, ”the scientist noted.
The academician spoke about a series of joint projects between the IT SB RAS and the Israeli company GenCell, which specializes in low-power hydrogen fuel cells (five kilowatts). Scientists from the IT SB RAS were engaged in heat and mass transfer problems: from internal heat transfer to the creation of a digital twin. Almost all the assemblies of these fuel cells were developed with the scientific support of the Novosibirsk Institute.
“Now there is an agreement with this company that, with our participation in Russia, these fuel cells will be adapted for Arctic conditions, low temperatures (while they are designed for conditions down to -20 ° C). We have almost agreed with one of the Novosibirsk enterprises from the Rosatom system that they will produce such fuel cells under a license, with our scientific support, ”said Dmitry Markovich.
Another idea of scientists is to use not pure hydrogen, which is difficult to transport, but a hydrogen generator from ammonia by cracking. Ammonia can be delivered to any location and processed into hydrogen there.
Also, the IT SB RAS has developed air-aluminum fuel cells. Scientists have found recipes for corrosion inhibitors in the electrolyte and the optimal alloy of aluminum with various additives. The laboratory sample is already ready and is awaiting the investor.
Recently, scientists from the IT SB RAS completed work on a three-year grant with Chinese partners, within the framework of which approaches were created for low-emission combustion and gas synthesis in relation to power gas turbine plants. “Of course, our approaches cannot be directly implemented for the needs of aviation and large-scale power engineering, but they can be used to create new generations of fuel cells for a wide range of applications,” the academician concluded.
Catalytic technologies for generation and storage of hydrogen and synthetic fuels
Head of the Department of Heterogeneous Catalysis, Federal Research Center “Institute of Catalysis named after GK Boreskov SB RAS "Doctor of Chemistry Pavel Valerievich Snytnikov spoke about catalytic technologies for the generation and storage of hydrogen and synthetic fuels. “In my opinion, hydrogen should not be viewed as a fuel. It is, after all, an energy carrier that allows for a longer accumulation of the energy that is obtained in renewable energy sources, ”the scientist emphasized.
According to Pavel Snytnikov, chemical methods will help to preserve hydrogen and use it for a long time, which will convert it into various synthetic, renewable raw materials, including alcohols, ethers and hydrocarbons. These technologies are already quite well implemented in the industry. Ammonia can be a good source of such hydrogen. In Russia, ammonia production is over 20 million tons. Technologies are debugged and can be scaled.
The scientist spoke about the technologies that are being developed at the IC SB RAS. Thus, cryogenic storage of hydrogen is being modernized at the institute. During liquefaction of ortho- and steam hydrogen in a sweep, natural boiling-off of hydrogen occurs, losses amount to up to 20% per day. But if orthohydrogen is catalytically transferred to steam hydrogen, then long-term storage is possible. This technology was implemented in the USSR, then lost, and in recent years it has been recreated at the IC SB RAS. “We have made an experimental laboratory stand. A technological line for catalyst production with a capacity of up to five tons per year has been created. In the near future, the institute is ready to supply a catalyst to the customer using this technology, so that the production of such cryogenic hydrogen can be set up in Russia, ”said Pavel Snytnikov.
At the IC SB RAS, catalytic methods for the production of hydrogen and hydrogen-containing mixtures are being developed. Thus, it is promising to obtain hydrogen-containing gas directly from carbon-containing components (primarily from fossil raw materials). “We can make a hydrogen storage compound synthetically using electrolysis hydrogen, a technology for capturing carbon dioxide. And then get gasoline-diesel, synthetic methane, methanol, methyl ether. This technology makes it possible to use a ready-made infrastructure for the supply of hydrocarbon fuels and obtain hydrogen where it is needed. It allows us to solve the long-standing problem of chicken and eggs: for hydrogen technology to go to the masses, a developed infrastructure is needed, and the latter requires a sufficient number of power plants operating on hydrogen fuel cells, ”the scientist noted.
Recently, researchers from the IC SB RAS won a project within the framework of which the concept of hydrogen refueling is being considered today. In the first stage, autothermal conversion will be used there, and in the second, a combined catalytic process with carbon dioxide capture will be used.
In addition, the institute is currently working on the process of producing hydrogen from green ammonia. Hydrogen is produced here not from natural gas, but with the help of renewable energy sources. In addition, production of ammonia based on direct electrochemical synthesis is promising. This process takes place at normal temperatures and pressures, in contrast to standard ammonia synthesis. You can use ammonia directly, or you can obtain a mixture of hydrogen with nitrogen from it through catalytic decomposition and use it in fuel cells.
Also, employees of the IC SB RAS interact with the Ufa Motor-Building Production Association. Thanks to their technique, it is possible to obtain synthesis gas from natural gas and use it to minimize the formation of nitrogen oxides. This makes it possible to significantly improve the environmental performance of such turbines. The work is at the stage of pilot testing on the customer's side in Ufa.
Another potential promising direction is the production of hydrogen from various hydrocarbon fuels by thermal decomposition (pyrolysis). “Now the competence of the IC SB RAS is such that we can obtain synthesis gas, hydrogen-containing mixtures from any hydrocarbon, hydrocarbon-containing fuel, ammonia, non-carbohydrate fuel, using various catalytic processes. Carry out additional purification to the required quality and use such a hydrocarbon in fuel cells, build hydrogen refueling stations and obtain valuable chemical products, ”noted Pavel Snytnikov.
Solid oxide fuel cells
Director of the Institute of Solid State Chemistry and Mechanochemistry of the SB RAS Corresponding Member of the RAS Alexander Petrovich Nemudry spoke about solid oxide fuel cells (SOFCs). “The main challenges facing the energy sector of the future are sustainability and efficiency. The first is solved by using renewable energy sources and hydrogen energy. To solve the second, it is necessary to raise the efficiency, as well as to use distributed energy. These requirements can be fully implemented using fuel cells, ”the scientist noted.
The advantage of solid oxide fuel cells is that they are flexible in terms of fuel use. Thanks to them, it is possible to deliver an installation that will generate electricity directly under the required load. SOFCs generate electricity, heat and water. However, their use requires a high temperature, which results in stringent requirements for materials and their compatibility. The mechanical properties of the base layer must be very strong. In this regard, scientists pay attention to fuel cells, where there is a metal or ceramic porous support.
The niche of the ICHTTM SB RAS is microtubular SOFCs. They have a high power density and are resistant to temperature gradients. Scientists are going to use additive technologies in SOFC production.
According to Aleksandr Nemudry, the complexity of creating serial production of SOFCs in Russia is explained by a common problem - the “valley of death” between scientific development and production. At the institute, it is impossible to fully develop technology that would go into series. And production workers do not seek to invest their money in R&D and bring laboratory development to mass production. At least six to seven years should pass from the receipt of the technology to its introduction into production.
Diana Khomyakova
Photo by Yulia Pozdnyakova
“Environmental challenges and depletion of natural resources require new ways of technological development. One of them is hydrogen. It can be burned in directly modified gas turbines. Electrical energy is extracted from the fuel cells. However, there are a number of problems. For example, when fuel cells are used in an aircraft at an altitude of more than nine kilometers, the adverse effect of water will occur. When hydrogen is burned, nitrogen oxides appear. Electrochemical power sources today require a large amount of equipment. Nevertheless, the use of hydrogen-containing mixtures, in particular solid oxide fuel cells, in complex cycles makes it possible to obtain a sufficiently high efficiency, ”Marat Dzhaudatovich Gamirullin, chief specialist of United Engine Corporation JSC, outlined the topic of discussion.
Fuel cells as a source of energy
Director of the Institute of Thermophysics. S. S. Kutateladze of the SB RAS Academician Dmitry Markovich Markovich spoke about fuel cells as energy sources. “The industry of hydrogen engines and filling stations is starting to gain momentum in the world. The transition to hydrogen fuel, of course, will not solve the problem of global warming, but it will definitely correct the local ecology in megalopolises. And here there will be an obvious competition between purely electric and hydrogen transport. In the short and long term, they will gradually replace the traditional one, ”the scientist noted.
The academician spoke about a series of joint projects between the IT SB RAS and the Israeli company GenCell, which specializes in low-power hydrogen fuel cells (five kilowatts). Scientists from the IT SB RAS were engaged in heat and mass transfer problems: from internal heat transfer to the creation of a digital twin. Almost all the assemblies of these fuel cells were developed with the scientific support of the Novosibirsk Institute.
“Now there is an agreement with this company that, with our participation in Russia, these fuel cells will be adapted for Arctic conditions, low temperatures (while they are designed for conditions down to -20 ° C). We have almost agreed with one of the Novosibirsk enterprises from the Rosatom system that they will produce such fuel cells under a license, with our scientific support, ”said Dmitry Markovich.
Another idea of scientists is to use not pure hydrogen, which is difficult to transport, but a hydrogen generator from ammonia by cracking. Ammonia can be delivered to any location and processed into hydrogen there.
Also, the IT SB RAS has developed air-aluminum fuel cells. Scientists have found recipes for corrosion inhibitors in the electrolyte and the optimal alloy of aluminum with various additives. The laboratory sample is already ready and is awaiting the investor.
Recently, scientists from the IT SB RAS completed work on a three-year grant with Chinese partners, within the framework of which approaches were created for low-emission combustion and gas synthesis in relation to power gas turbine plants. “Of course, our approaches cannot be directly implemented for the needs of aviation and large-scale power engineering, but they can be used to create new generations of fuel cells for a wide range of applications,” the academician concluded.
Catalytic technologies for generation and storage of hydrogen and synthetic fuels
Head of the Department of Heterogeneous Catalysis, Federal Research Center “Institute of Catalysis named after GK Boreskov SB RAS "Doctor of Chemistry Pavel Valerievich Snytnikov spoke about catalytic technologies for the generation and storage of hydrogen and synthetic fuels. “In my opinion, hydrogen should not be viewed as a fuel. It is, after all, an energy carrier that allows for a longer accumulation of the energy that is obtained in renewable energy sources, ”the scientist emphasized.
According to Pavel Snytnikov, chemical methods will help to preserve hydrogen and use it for a long time, which will convert it into various synthetic, renewable raw materials, including alcohols, ethers and hydrocarbons. These technologies are already quite well implemented in the industry. Ammonia can be a good source of such hydrogen. In Russia, ammonia production is over 20 million tons. Technologies are debugged and can be scaled.
The scientist spoke about the technologies that are being developed at the IC SB RAS. Thus, cryogenic storage of hydrogen is being modernized at the institute. During liquefaction of ortho- and steam hydrogen in a sweep, natural boiling-off of hydrogen occurs, losses amount to up to 20% per day. But if orthohydrogen is catalytically transferred to steam hydrogen, then long-term storage is possible. This technology was implemented in the USSR, then lost, and in recent years it has been recreated at the IC SB RAS. “We have made an experimental laboratory stand. A technological line for catalyst production with a capacity of up to five tons per year has been created. In the near future, the institute is ready to supply a catalyst to the customer using this technology, so that the production of such cryogenic hydrogen can be set up in Russia, ”said Pavel Snytnikov.
At the IC SB RAS, catalytic methods for the production of hydrogen and hydrogen-containing mixtures are being developed. Thus, it is promising to obtain hydrogen-containing gas directly from carbon-containing components (primarily from fossil raw materials). “We can make a hydrogen storage compound synthetically using electrolysis hydrogen, a technology for capturing carbon dioxide. And then get gasoline-diesel, synthetic methane, methanol, methyl ether. This technology makes it possible to use a ready-made infrastructure for the supply of hydrocarbon fuels and obtain hydrogen where it is needed. It allows us to solve the long-standing problem of chicken and eggs: for hydrogen technology to go to the masses, a developed infrastructure is needed, and the latter requires a sufficient number of power plants operating on hydrogen fuel cells, ”the scientist noted.
Recently, researchers from the IC SB RAS won a project within the framework of which the concept of hydrogen refueling is being considered today. In the first stage, autothermal conversion will be used there, and in the second, a combined catalytic process with carbon dioxide capture will be used.
In addition, the institute is currently working on the process of producing hydrogen from green ammonia. Hydrogen is produced here not from natural gas, but with the help of renewable energy sources. In addition, production of ammonia based on direct electrochemical synthesis is promising. This process takes place at normal temperatures and pressures, in contrast to standard ammonia synthesis. You can use ammonia directly, or you can obtain a mixture of hydrogen with nitrogen from it through catalytic decomposition and use it in fuel cells.
Also, employees of the IC SB RAS interact with the Ufa Motor-Building Production Association. Thanks to their technique, it is possible to obtain synthesis gas from natural gas and use it to minimize the formation of nitrogen oxides. This makes it possible to significantly improve the environmental performance of such turbines. The work is at the stage of pilot testing on the customer's side in Ufa.
Another potential promising direction is the production of hydrogen from various hydrocarbon fuels by thermal decomposition (pyrolysis). “Now the competence of the IC SB RAS is such that we can obtain synthesis gas, hydrogen-containing mixtures from any hydrocarbon, hydrocarbon-containing fuel, ammonia, non-carbohydrate fuel, using various catalytic processes. Carry out additional purification to the required quality and use such a hydrocarbon in fuel cells, build hydrogen refueling stations and obtain valuable chemical products, ”noted Pavel Snytnikov.
Solid oxide fuel cells
Director of the Institute of Solid State Chemistry and Mechanochemistry of the SB RAS Corresponding Member of the RAS Alexander Petrovich Nemudry spoke about solid oxide fuel cells (SOFCs). “The main challenges facing the energy sector of the future are sustainability and efficiency. The first is solved by using renewable energy sources and hydrogen energy. To solve the second, it is necessary to raise the efficiency, as well as to use distributed energy. These requirements can be fully implemented using fuel cells, ”the scientist noted.
The advantage of solid oxide fuel cells is that they are flexible in terms of fuel use. Thanks to them, it is possible to deliver an installation that will generate electricity directly under the required load. SOFCs generate electricity, heat and water. However, their use requires a high temperature, which results in stringent requirements for materials and their compatibility. The mechanical properties of the base layer must be very strong. In this regard, scientists pay attention to fuel cells, where there is a metal or ceramic porous support.
The niche of the ICHTTM SB RAS is microtubular SOFCs. They have a high power density and are resistant to temperature gradients. Scientists are going to use additive technologies in SOFC production.
According to Aleksandr Nemudry, the complexity of creating serial production of SOFCs in Russia is explained by a common problem - the “valley of death” between scientific development and production. At the institute, it is impossible to fully develop technology that would go into series. And production workers do not seek to invest their money in R&D and bring laboratory development to mass production. At least six to seven years should pass from the receipt of the technology to its introduction into production.
Diana Khomyakova
Photo by Yulia Pozdnyakova
Водневе паливо: проблеми та перспективи
За sbras.info7 хв «Екологічні виклики та вичерпання природних ресурсів потребують нових шляхів технологічного розвитку. Один із них — водень. Його можна спалювати у безпосередньо модифікованих газових турбінах. З паливних елементів витягується електрична енергія. Проте є низка проблем. Наприклад, при використанні паливних елементів у літальному апараті на висоті понад дев'ять кілометрів виникатиме несприятливий вплив води. При спалюванні водню утворюються оксиди азоту. Електрохімічні джерела струму на сьогоднішній день потребують великої кількості обладнання. Проте застосування водневмісних сумішей, зокрема твердооксидних паливних елементів, у складних циклах дозволяє отримати досить високий ККД», — зазначив тематику дискусії головний спеціаліст АТ «Об'єднана двигунобудівна корпорація» Марат Джаудатович Гаміруллін.
Паливні елементи як джерело енергії
Директор Інституту теплофізики ім. С. С. Кутателадзе ЗІ РАН академік Дмитро Маркович Маркович розповів про паливні елементи як джерела енергії. «У світі починає набирати обертів індустрія водневих двигунів та заправних станцій. Перехід на водневе паливо, звичайно, не вирішить проблему глобального потепління, але локальну екологію у мегаполісах точно виправить. І тут буде очевидна конкуренція між суто електричним та водневим транспортом. У найближчій та віддаленій перспективі вони поступово витіснятимуть традиційний», — зазначив учений.
Академік розповів про серію спільних робіт ІТ СО РАН та ізраїльської компанії GenCell, яка спеціалізується на водневих паливних елементах невеликої потужності (п'ять кіловат). Вчені ІТ СО РАН займалися завданнями тепломасообміну: від внутрішнього теплообміну до створення цифрового двійника. Майже всі вузли цих паливних елементів були розроблені при науковому супроводі новосибірського університету.
«Зараз є домовленість із цією компанією, що за нашої участі в Росії ці паливні елементи адаптуватимуться для арктичних умов, низьких температур (поки вони призначені для умов до -20 °C). Ми майже домовилися з одним із новосибірських підприємств із системи «Росатому», що вони будуть виробляти такі паливні елементи за ліцензією, з нашим науковим супроводом», — сказав Дмитро Маркович.
Інша ідея вчених – використовувати не чистий водень, який складно транспортувати, а генератор водню з аміаку шляхом крекінгу. Аміак можна доставляти у будь-які точки і вже там переробляти у водень.
Також у ІТ СО РАН розроблені повітряно-алюмінієві паливні елементи. Вчені знайшли рецепти інгібіторів корозії в електроліті та оптимальний сплав алюмінію з різними добавками. Лабораторний зразок уже готовий і чекає інвестора.
Нещодавно вчені ІТ СО РАН закінчили роботу з трирічного гранту з китайськими партнерами, в рамках якого створювалися підходи щодо малоемісійного спалювання та синтезу газів стосовно енергетичних газотурбінних установок. "Звичайно, наші підходи не можуть бути безпосередньо реалізовані для потреб авіації та великої енергетики, але вони можуть бути використані для створення нових поколінь паливних елементів для широкого спектра застосувань", - сказав академік.
Каталітичні технології генерації та зберігання водню та синтетичних палив
Керівник відділу гетерогенного каталізу ФІЦ «Інститут каталізу ім. Г. К. Борескова ЗІ РАН» доктор хімічних наук Павло Валерійович Снитников розповів про каталітичні технології генерації та зберігання водню та синтетичних палив. «На мою думку, водень не варто розглядати як паливо. Це все-таки енергоносій, який дозволяє більш довго акумулювати ту енергію, яка виходить у відновлюваних джерелах енергії», — наголосив учений.
За словами Павла Снитникова, зберігати водень і використовувати його тривалий час допоможуть хімічні методи, які переводитимуть його в різну синтетичну, відновлювану сировину, у тому числі спирти, ефіри та вуглеводні. Ці технології вже досить добре реалізовані у промисловості. Непоганим джерелом такого водню може стати аміак. У Росії її аміачне виробництво становить понад 20 мільйонів тонн. Технології налагоджені та можуть масштабуватися.
Вчений розповів про технології, що розробляються в ІЧ СО РАН. Так, в інституті модернізується кріогенне зберігання водню. При зрідженні в змісті орто-і пароводню відбувається природне википання водню, втрати становлять до 20% на день. Але якщо каталітично перевести ортоводород у пароводень, то можливе тривале зберігання. Ця технологія була реалізована в СРСР, потім загубилася, а останніми роками її відтворили в ІЧ СО РАН. “Ми зробили досвідчений лабораторний стенд. Створено технологічну лінію отримання каталізатора потужністю до п'яти тонн на рік. Найближчим часом інститут готовий за цією технологією постачати каталізатор замовнику, щоби виробництво такого кріогенного водню можна було налагодити в Росії», — сказав Павло Снитніков.
В ІЧ СО РАН розробляються каталітичні методи отримання водню та водневмісних сумішей. Так, перспективно отримувати водневмісний газ безпосередньо з вуглецевмісних компонентів (насамперед - з копалини сировини). «Ми можемо робити з'єднання для зберігання водню синтетично, використовуючи електролізний водень, технологію вловлювання вуглекислого газу. А потім отримувати бензин дизель, синтетичний метан, метанол, метиловий ефір. Ця технологія дозволяє задіяти вже готову інфраструктуру з постачання вуглеводневих палив і отримувати водень там, де це необхідно. Вона дозволяє вирішити давню проблему курки та яйця: щоб воднева технологія пішла в маси, потрібна розвинена інфраструктура, а для останньої потрібна достатня кількість енергоустановок, що працюють на водневих паливних елементах», — зазначив учений.
Нещодавно дослідники ІК СО РАН виграли проект, у рамках якого сьогодні розглядають концепт водневої заправки. На першій стадії там використовуватиметься автотермічна конверсія, а на другій — суміщено каталітичний процес із уловлюванням вуглекислого газу.
Крім того, зараз в інституті відпрацьовується процес одержання водню із зеленого аміаку. Водень тут видобувається не з газу, а з допомогою відновлюваних джерел енергії. Крім того, перспективне одержання аміаку на основі прямого електрохімічного синтезу. Такий процес відбувається при нормальних температурах та тисках, на відміну від стандартного синтезу аміаку. Можна використовувати аміак безпосередньо, а можна за рахунок каталітичного розкладання отримувати з нього суміш водню з азотом та використовувати її в паливних елементах.
Також співробітники ІК СО РАН взаємодіють із Уфімським мотобудівним виробничим об'єднанням. Завдяки їх методиці можна отримувати із природного газу синтез-газ та використовувати його для мінімізації процесів утворення оксидів азоту. Це дозволяє значно покращити показники екологічності таких турбін. Робота перебуває в стадії досвідчених випробувань за замовника в Уфі.
Ще один потенційний перспективний напрямок – отримання водню з різних вуглеводневих палив шляхом термічного розкладання (піролізу). «Зараз компетенції ІЧ СО РАН такі, що ми можемо з будь-якого вуглеводневого, вуглеводневого палива, аміаку, невуглеводного палива, використовуючи різні каталітичні процеси, отримувати синтез-газ, водневмісні суміші. Проводити доочищення до потрібної якості та застосовувати такий вуглеводень у паливних елементах, будувати водневі заправки та отримувати цінні хімічні продукти», - зазначив Павло Снитников.
Твердооксидні паливні елементи
Про твердооксидні паливні елементи (ТОТЕ) розповів директор Інституту хімії твердого тіла та механохімії СО РАН член-кореспондент РАН Олександр Петрович Немудрий. «Основні проблеми, які стоять перед енергетикою майбутнього, — це екологічність та ефективність. Перша вирішується шляхом використання поновлюваних джерел енергії та водневої енергетики. Для вирішення другої треба піднімати ККД, а також використати розподілену енергетику. Ці вимоги можна повною мірою реалізувати з використанням паливних елементів», - наголосив учений.
Перевага твердооксидних паливних елементів у тому, що вони є гнучкими з точки зору використання палива. Завдяки їм можна поставити установку, яка генеруватиме електроенергію безпосередньо під необхідне навантаження. ТОТЕ генерують електроенергію, тепло та воду. Однак для їх використання необхідна висока температура, що обертається жорсткими вимогами до матеріалів та їхньої сумісності. Механічні властивості несучого шару мають бути дуже міцними. У зв'язку з цим вчені звертають увагу на паливні елементи, де є металева або керамічна пориста підтримка.
Ніша ІХТТМ З РАН - мікротубулярні ТОТЕ. Вони мають високу питому потужність та стійкі до температурних градієнтів. Вчені збираються використовувати у виробництві ТОТЕ адитивні технології.
На думку Олександра Немудрого, складність створення в Росії серійного виробництва ТОТЕ пояснюється загальною проблемою - "долиною смерті" між науковою розробкою та виробництвом. В інституті неможливо повністю відпрацювати технологію, яка пішла б у серію. А виробничники не прагнуть вкласти свої гроші у НДДКР та довести лабораторну розробку до серійного виробництва. Від отримання технології до її впровадження у виробництво має пройти щонайменше шість-сім років.
Діана Хомякова
Фото Юлії Позднякової
«Екологічні виклики та вичерпання природних ресурсів потребують нових шляхів технологічного розвитку. Один із них — водень. Його можна спалювати у безпосередньо модифікованих газових турбінах. З паливних елементів витягується електрична енергія. Проте є низка проблем. Наприклад, при використанні паливних елементів у літальному апараті на висоті понад дев'ять кілометрів виникатиме несприятливий вплив води. При спалюванні водню утворюються оксиди азоту. Електрохімічні джерела струму на сьогоднішній день потребують великої кількості обладнання. Проте застосування водневмісних сумішей, зокрема твердооксидних паливних елементів, у складних циклах дозволяє отримати досить високий ККД», — зазначив тематику дискусії головний спеціаліст АТ «Об'єднана двигунобудівна корпорація» Марат Джаудатович Гаміруллін.
Паливні елементи як джерело енергії
Директор Інституту теплофізики ім. С. С. Кутателадзе ЗІ РАН академік Дмитро Маркович Маркович розповів про паливні елементи як джерела енергії. «У світі починає набирати обертів індустрія водневих двигунів та заправних станцій. Перехід на водневе паливо, звичайно, не вирішить проблему глобального потепління, але локальну екологію у мегаполісах точно виправить. І тут буде очевидна конкуренція між суто електричним та водневим транспортом. У найближчій та віддаленій перспективі вони поступово витіснятимуть традиційний», — зазначив учений.
Академік розповів про серію спільних робіт ІТ СО РАН та ізраїльської компанії GenCell, яка спеціалізується на водневих паливних елементах невеликої потужності (п'ять кіловат). Вчені ІТ СО РАН займалися завданнями тепломасообміну: від внутрішнього теплообміну до створення цифрового двійника. Майже всі вузли цих паливних елементів були розроблені при науковому супроводі новосибірського університету.
«Зараз є домовленість із цією компанією, що за нашої участі в Росії ці паливні елементи адаптуватимуться для арктичних умов, низьких температур (поки вони призначені для умов до -20 °C). Ми майже домовилися з одним із новосибірських підприємств із системи «Росатому», що вони будуть виробляти такі паливні елементи за ліцензією, з нашим науковим супроводом», — сказав Дмитро Маркович.
Інша ідея вчених – використовувати не чистий водень, який складно транспортувати, а генератор водню з аміаку шляхом крекінгу. Аміак можна доставляти у будь-які точки і вже там переробляти у водень.
Також у ІТ СО РАН розроблені повітряно-алюмінієві паливні елементи. Вчені знайшли рецепти інгібіторів корозії в електроліті та оптимальний сплав алюмінію з різними добавками. Лабораторний зразок уже готовий і чекає інвестора.
Нещодавно вчені ІТ СО РАН закінчили роботу з трирічного гранту з китайськими партнерами, в рамках якого створювалися підходи щодо малоемісійного спалювання та синтезу газів стосовно енергетичних газотурбінних установок. "Звичайно, наші підходи не можуть бути безпосередньо реалізовані для потреб авіації та великої енергетики, але вони можуть бути використані для створення нових поколінь паливних елементів для широкого спектра застосувань", - сказав академік.
Каталітичні технології генерації та зберігання водню та синтетичних палив
Керівник відділу гетерогенного каталізу ФІЦ «Інститут каталізу ім. Г. К. Борескова ЗІ РАН» доктор хімічних наук Павло Валерійович Снитников розповів про каталітичні технології генерації та зберігання водню та синтетичних палив. «На мою думку, водень не варто розглядати як паливо. Це все-таки енергоносій, який дозволяє більш довго акумулювати ту енергію, яка виходить у відновлюваних джерелах енергії», — наголосив учений.
За словами Павла Снитникова, зберігати водень і використовувати його тривалий час допоможуть хімічні методи, які переводитимуть його в різну синтетичну, відновлювану сировину, у тому числі спирти, ефіри та вуглеводні. Ці технології вже досить добре реалізовані у промисловості. Непоганим джерелом такого водню може стати аміак. У Росії її аміачне виробництво становить понад 20 мільйонів тонн. Технології налагоджені та можуть масштабуватися.
Вчений розповів про технології, що розробляються в ІЧ СО РАН. Так, в інституті модернізується кріогенне зберігання водню. При зрідженні в змісті орто-і пароводню відбувається природне википання водню, втрати становлять до 20% на день. Але якщо каталітично перевести ортоводород у пароводень, то можливе тривале зберігання. Ця технологія була реалізована в СРСР, потім загубилася, а останніми роками її відтворили в ІЧ СО РАН. “Ми зробили досвідчений лабораторний стенд. Створено технологічну лінію отримання каталізатора потужністю до п'яти тонн на рік. Найближчим часом інститут готовий за цією технологією постачати каталізатор замовнику, щоби виробництво такого кріогенного водню можна було налагодити в Росії», — сказав Павло Снитніков.
В ІЧ СО РАН розробляються каталітичні методи отримання водню та водневмісних сумішей. Так, перспективно отримувати водневмісний газ безпосередньо з вуглецевмісних компонентів (насамперед - з копалини сировини). «Ми можемо робити з'єднання для зберігання водню синтетично, використовуючи електролізний водень, технологію вловлювання вуглекислого газу. А потім отримувати бензин дизель, синтетичний метан, метанол, метиловий ефір. Ця технологія дозволяє задіяти вже готову інфраструктуру з постачання вуглеводневих палив і отримувати водень там, де це необхідно. Вона дозволяє вирішити давню проблему курки та яйця: щоб воднева технологія пішла в маси, потрібна розвинена інфраструктура, а для останньої потрібна достатня кількість енергоустановок, що працюють на водневих паливних елементах», — зазначив учений.
Нещодавно дослідники ІК СО РАН виграли проект, у рамках якого сьогодні розглядають концепт водневої заправки. На першій стадії там використовуватиметься автотермічна конверсія, а на другій — суміщено каталітичний процес із уловлюванням вуглекислого газу.
Крім того, зараз в інституті відпрацьовується процес одержання водню із зеленого аміаку. Водень тут видобувається не з газу, а з допомогою відновлюваних джерел енергії. Крім того, перспективне одержання аміаку на основі прямого електрохімічного синтезу. Такий процес відбувається при нормальних температурах та тисках, на відміну від стандартного синтезу аміаку. Можна використовувати аміак безпосередньо, а можна за рахунок каталітичного розкладання отримувати з нього суміш водню з азотом та використовувати її в паливних елементах.
Також співробітники ІК СО РАН взаємодіють із Уфімським мотобудівним виробничим об'єднанням. Завдяки їх методиці можна отримувати із природного газу синтез-газ та використовувати його для мінімізації процесів утворення оксидів азоту. Це дозволяє значно покращити показники екологічності таких турбін. Робота перебуває в стадії досвідчених випробувань за замовника в Уфі.
Ще один потенційний перспективний напрямок – отримання водню з різних вуглеводневих палив шляхом термічного розкладання (піролізу). «Зараз компетенції ІЧ СО РАН такі, що ми можемо з будь-якого вуглеводневого, вуглеводневого палива, аміаку, невуглеводного палива, використовуючи різні каталітичні процеси, отримувати синтез-газ, водневмісні суміші. Проводити доочищення до потрібної якості та застосовувати такий вуглеводень у паливних елементах, будувати водневі заправки та отримувати цінні хімічні продукти», - зазначив Павло Снитников.
Твердооксидні паливні елементи
Про твердооксидні паливні елементи (ТОТЕ) розповів директор Інституту хімії твердого тіла та механохімії СО РАН член-кореспондент РАН Олександр Петрович Немудрий. «Основні проблеми, які стоять перед енергетикою майбутнього, — це екологічність та ефективність. Перша вирішується шляхом використання поновлюваних джерел енергії та водневої енергетики. Для вирішення другої треба піднімати ККД, а також використати розподілену енергетику. Ці вимоги можна повною мірою реалізувати з використанням паливних елементів», - наголосив учений.
Перевага твердооксидних паливних елементів у тому, що вони є гнучкими з точки зору використання палива. Завдяки їм можна поставити установку, яка генеруватиме електроенергію безпосередньо під необхідне навантаження. ТОТЕ генерують електроенергію, тепло та воду. Однак для їх використання необхідна висока температура, що обертається жорсткими вимогами до матеріалів та їхньої сумісності. Механічні властивості несучого шару мають бути дуже міцними. У зв'язку з цим вчені звертають увагу на паливні елементи, де є металева або керамічна пориста підтримка.
Ніша ІХТТМ З РАН - мікротубулярні ТОТЕ. Вони мають високу питому потужність та стійкі до температурних градієнтів. Вчені збираються використовувати у виробництві ТОТЕ адитивні технології.
На думку Олександра Немудрого, складність створення в Росії серійного виробництва ТОТЕ пояснюється загальною проблемою - "долиною смерті" між науковою розробкою та виробництвом. В інституті неможливо повністю відпрацювати технологію, яка пішла б у серію. А виробничники не прагнуть вкласти свої гроші у НДДКР та довести лабораторну розробку до серійного виробництва. Від отримання технології до її впровадження у виробництво має пройти щонайменше шість-сім років.
Діана Хомякова
Фото Юлії Позднякової
Водородное топливо: проблемы и перспективы
«Экологические вызовы и исчерпание природных ресурсов требуют новых путей технологического развития. Один из них — водород. Его можно сжигать в непосредственно модифицированных газовых турбинах. Из топливных элементов извлекается электрическая энергия. Однако есть ряд проблем. Например, при использовании топливных элементов в летательном аппарате на высоте более девяти километров будет возникать неблагоприятное влияние воды. При сжигании водорода появляются оксиды азота. Электрохимические источники тока на сегодняшний день требуют большого количества оборудования. Тем не менее применение водородсодержащих смесей, в частности твердооксидных топливных элементов, в сложных циклах позволяет получить достаточно высокий КПД», — обозначил тематику дискуссии главный специалист АО «Объединенная двигателестроительная корпорация» Марат Джаудатович Гамируллин.
Топливные элементы как источник энергии
Директор Института теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН академик Дмитрий Маркович Маркович рассказал про топливные элементы как источники энергии. «В мире начинает набирать обороты индустрия водородных двигателей и заправочных станций. Переход на водородное топливо, конечно, не решит проблему глобального потепления, но локальную экологию в мегаполисах точно поправит. И здесь будет очевидная конкуренция между чисто электрическим и водородным транспортом. В ближайшей и отдаленной перспективе они будут постепенно вытеснять традиционный», — отметил ученый.
Академик рассказал про серию совместных работ ИТ СО РАН и израильской компании GenCell, которая специализируется на водородных топливных элементах небольшой мощности (пять киловатт). Ученые ИТ СО РАН занимались задачами тепломассообмена: от внутреннего теплообмена до создания цифрового двойника . Практически все узлы этих топливных элементов были разработаны при научном сопровождении новосибирского института.
«Сейчас есть договоренность с этой компанией, что при нашем участии в России эти топливные элементы будут адаптироваться для арктических условий, низких температур (пока они предназначены для условий до -20 °C). Мы почти договорились с одним из новосибирских предприятий из системы «Росатома», что они будут производить такие топливные элементы по лицензии, с нашим научным сопровождением», — сказал Дмитрий Маркович.
Другая идея ученых — использовать не чистый водород, который сложно транспортировать, а генератор водорода из аммиака путем крекинга. Аммиак можно доставлять в любые точки и уже там перерабатывать в водород.
Также в ИТ СО РАН разработаны воздушно-алюминиевые топливные элементы. Ученые нашли рецепты ингибиторов коррозии в электролите и оптимальный сплав алюминия с различными добавками. Лабораторный образец уже готов и находится в ожидании инвестора.
Недавно ученые ИТ СО РАН закончили работу по трехгодичному гранту с китайскими партнерами, в рамках которого создавались подходы по малоэмиссионному сжиганию и синтезу газов применительно к энергетическим газотурбинным установкам. «Конечно, наши подходы не могут быть напрямую реализованы для нужд авиации и большой энергетики, но они могут быть использованы для создания новых поколений топливных элементов для широкого спектра применений», — заключил академик.
Каталитические технологии генерации и хранения водорода и синтетических топлив
Руководитель отдела гетерогенного катализа ФИЦ «Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН» доктор химических наук Павел Валерьевич Снытников рассказал про каталитические технологии генерации и хранения водорода и синтетических топлив. «На мой взгляд, водород не стоит рассматривать как топливо. Это все-таки энергоноситель, который позволяет более длительно аккумулировать ту энергию, которая получается в возобновляемых источниках энергии», — подчеркнул ученый.
По словам Павла Снытникова, сохранять водород и использовать его длительное время помогут химические методы, которые будут переводить его в различное синтетическое, возобновляемое сырье, в том числе спирты, эфиры и углеводороды. Эти технологии уже достаточно хорошо реализованы в промышленности. Неплохим источником такого водорода может стать аммиак. В России аммиачное производство составляет более 20 миллионов тонн. Технологии отлажены и могут масштабироваться.
Ученый рассказал про технологии, которые разрабатываются в ИК СО РАН. Так, в институте модернизируется криогенное хранение водорода. При сжижении в смести орто- и пароводорода происходит естественное выкипание водорода, потери составляют до 20 % в день. Но если каталитически перевести ортоводород в пароводород, то возможно длительное хранение. Эта технология была реализована в СССР, затем потерялась, а в последние годы ее воссоздали в ИК СО РАН. «Мы сделали опытный лабораторный стенд. Создана технологическая линия получения катализатора мощностью до пяти тонн в год. В ближайшее время институт готов по этой технологии поставлять катализатор заказчику, чтобы производство такого криогенного водорода можно было наладить в России», — сказал Павел Снытников.
В ИК СО РАН разрабатываются каталитические методы получения водорода и водородсодержащих смесей. Так, перспективно получать водородсодержащий газ напрямую из углеродсодержащих компонентов (в первую очередь — из ископаемого сырья). «Мы можем делать соединение для хранения водорода синтетически, используя электролизный водород, технологию улавливания углекислого газа. А затем получать бензин-дизель, синтетический метан, метанол, метиловый эфир. Эта технология позволяет задействовать уже готовую инфраструктуру по снабжению углеводородными топливами и получать водород там, где это необходимо. Она позволяет решить давнюю проблему курицы и яйца: чтобы водородная технология пошла в массы, нужна развитая инфраструктура, а для последней необходимо достаточное количество энергоустановок, работающих на водородных топливных элементах», — отметил ученый.
Недавно исследователи ИК СО РАН выиграли проект, в рамках которого сегодня рассматривают концепт водородной заправки. На первой стадии там будет использоваться автотермическая конверсия, а на второй — совмещенно каталитический процесс с улавливанием углекислого газа.
Кроме того, сейчас в институте отрабатывается процесс получения водорода из зеленого аммиака. Водород здесь добывается не из природного газа, а при помощи возобновляемых источников энергии. Кроме того, перспективно получение аммиака на основе прямого электрохимического синтеза. Такой процесс происходит при нормальных температурах и давлениях, в отличие от стандартного синтеза аммиака. Можно использовать аммиак напрямую, а можно за счет каталитического разложения получать из него смесь водорода с азотом и использовать ее в топливных элементах.
Также сотрудники ИК СО РАН взаимодействуют с Уфимским мотостроительным производственным объединением. Благодаря их методике можно получать из природного газа синтез-газ и использовать его для минимизации процессов образования оксидов азота. Это позволяет значительно улучшить показатели экологичности таких турбин. Работа находится на стадии опытных испытаний на стороне заказчика в Уфе.
Еще одно потенциальное перспективное направление — получение водорода из различных углеводородных топлив путем термического разложения (пиролиза). «Сейчас компетенции ИК СО РАН таковы, что мы можем из любого углеводородного, углеводородсодержащего топлива, аммиака, неуглеводного топлива, используя различные каталитические процессы, получать синтез-газ, водородсодержащие смеси. Проводить доочистку до нужного качества и применять такой углеводород в топливных элементах, строить водородные заправки и получать ценные химические продукты», — отметил Павел Снытников.
Твердооксидные топливные элементы
Про твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) рассказал директор Института химии твердого тела и механохимии СО РАН член-корреспондент РАН Александр Петрович Немудрый. «Основные проблемы, которые стоят перед энергетикой будущего, — это экологичность и эффективность. Первая решается путем использования возобновляемых источников энергии и водородной энергетики. Для решения второй надо поднимать КПД, а также использовать распределенную энергетику. Эти требования можно в полной мере реализовать с использованием топливных элементов», — отметил ученый.
Преимущество твердооксидных топливных элементов в том, что они гибкие с точки зрения использования топлива. Благодаря им можно поставить установку, которая будет генерировать электроэнергию непосредственно под необходимую нагрузку. ТОТЭ генерируют электроэнергию, тепло и воду. Однако для их использования необходима высокая температура, что оборачивается жесткими требованиями к материалам и их совместимости. Механические свойства несущего слоя должны быть очень прочные. В этой связи ученые обращают внимание на топливные элементы, где есть металлическая или керамическая пористая поддержка.
Ниша ИХТТМ СО РАН — микротубулярные ТОТЭ. Они имеют высокую удельную мощность и устойчивы к температурным градиентам. Ученые собираются использовать в производстве ТОТЭ аддитивные технологии.
По мнению Александра Немудрого, сложность создания в России серийного производства ТОТЭ объясняется общей проблемой — «долиной смерти» между научной разработкой и производством. В институте невозможно полностью отработать технологию, которая пошла бы в серию. А производственники не стремятся вложить свои деньги в НИОКР и довести лабораторную разработку до серийного производства. От получения технологии до ее внедрения в производство должно пройти минимум шесть-семь лет.
Диана Хомякова
Фото Юлии Поздняковой
Коментарі
Дописати коментар
Олег Мічман в X: «Donations and support for media resources, bloggers, projects, and individuals. https://t.co/HPKsNRd4Uo https://t.co/R6NXVPK62M» / X
https://twitter.com/olukawy/status/1703876551505309973