Водородная энергетика: дайте время на прорыв

Идея использования водорода в энергетике не нова. Еще в 80-е годы были разработаны двигатели на водородном топливе. Сегодня в США, в странах ЕЭС, в Японии, Китае приняты и реализуются национальные и международные программы по разработке элементов водородной энергетики, в том числе на возобновляемых источниках энергии (ВИЭ), ведется активная пропагандистская кампания. В Мадриде, Риме, Амстердаме, Стокгольме и других европейских столицах ходят автобусы на водороде. Электромобиль с водородным двигателем приобрел премьер-министр Японии, а Исландия практически полностью переходит на водородную энергетику: водородные двигатели устанавливаются на катера, автомобили, источниками на водороде отапливаются дома.


 

Стремление Европы и США развивать альтернативную энергетику понятно: в Европе своих нефтегазовых ресурсов нет, у США их немного. Переход на водородную энергетику с использованием ВИЭ позволит им перестать зависеть от поставщиков нефти и газа — России и стран ОПЕК, а также решить экологические проблемы.

В России с ее запасами нефти и угля ситуация другая. Есть ли у нас необходимость в массовом внедрении водородной энергетики? С этим вопросом я обратилась к координатору программы РАН «Водородная энергетика и топливные элементы» в Уральском регионе члену-корреспонденту РАН Ю.А. Котову.

— В России пока есть нефть и угля много. Однако не стоит особо обольщаться. Относительно мировых цен наша нефть не такая уж дешевая, и запасы ее на неглубоких горизонтах скоро закончатся, так что бурить придется все глубже и глубже, соответственно добыча будет обходиться все дороже и дороже. Кроме того, российские города, как и западные, задыхаются от газовых выбросов. Поэтому в любом случае придется искать альтернативные источники для обеспечения собственных энергетических нужд. А еще лучше найти то, что еще и продавать можно. Возможности для разработки новых возобновляемых источников энергии у российской науки есть: в предыдущие годы создан существенный задел, остались и специалисты, способные его развить и реализовать.

Уральские ученые преуспели в создании твердооксидных высокотемпературных топливных элементов (ТЭ). Последние обладают многими преимуществами по сравнению с низкотемпературными ТЭ — щелочными и полимерными. Щелочные используются, например, в космосе, они очень дороги и требуют чистого водорода. Полимерным топливным элементам также нужен чистый водород, и они недешевы, а потому малоперспективны для широкого применения. Высокотемпературные ТЭ неприхотливы и всеядны. Они могут «питаться» продуктами газификации угля, любых древесных отходов, природным газом, а также биогазом, который выделяется, например, в процессе брожения навоза на ферме. Установки с высокотемпературными топливными элементами имеют очень высокий КПД и при этом практически не загрязняют окружающую среду.

Водородная энергетика соответствует мировым тенденциям автономного и локального энергопотребления. В европейских энергетических программах фигурирует понятие «домашняя электростанция». Для мини-электростанций мощностью не более 5 кВт используются именно высокотемпературные ТЭ. Такие установки экологичны уже потому, что позволяют производить столько электроэнергии, сколько необходимо потребителю, и расходовать ее без потерь, неизбежных в большой энергетике с ее тысячекилометровыми линиями электропередач.

Распределенная энергетика очень удобна для удаленных регионов, куда трудно протянуть ЛЭП, и для дачных поселков, что характерно для России. Сейчас в такие районы завозят топливо или сжигают дерево для обогрева и используют дизель-генератор для получения электроэнергии. И то, и другое малоэффективно.

Децентрализованное энергоснабжение надежнее. Сегодня, чтобы лишить электроэнергии огромный город или даже регион, достаточно нарушить линию электропередач, идущую от большой электростанции. Так в свое время Грузия осталась без электричества, когда в горах были разрушены ЛЭП.

Возникает вопрос: если энергоустановки на водороде обладают столькими преимуществами, почему же человечество до сих пор полностью на них не перешло?               

Главная проблема — стоимость. Она сегодня непомерно высока — от 10 до 20 тыс. долларов за 1 кВт установленной мощности. Чтобы обогреть трехкомнатную квартиру, надо 10 кВт, плюс питание электроприборов (около 2 кВТ) — всего получается 12. Таким образом, потребуется установка стоимостью минимум 120 тыс. долларов. А чтобы обеспечить электроэнергией коттедж площадью 200 кв. м, нужно около 400 тыс. долларов.               

Именно задача существенного снижения стоимости (не менее чем в 10 раз) энергоустановок на водороде стоит перед учеными в рамках комплексной программы «Водородная энергетика и топливные элементы», которую взялся финансировать «Норильский никель» и которая выполняется в основном институтами РАН. В уральской команде восемь институтов: Институт электрофизики (головная организация), Институт высокотемпературной электрохимии и Институт химии твердого тела УрО РАН; Институт химии твердого тела и механохимии, Институт теплофизики, Институт катализа и Институт сильноточной электроники СО РАН; Институт физики твердого тела РАН. Сегодня мы подробно расскажем о работе ученых Уральского отделения.
 

Вся гамма электрохимических устройств
 

В Институте высокотемпературной электрохимии созданием топливных элементов занимаются с момента его основания, то есть более 50 лет. В свое время творческая группа в составе А.К. Демина, Б.Л. Кузина, А.С. Липилина, М.В. Перфильева изготовила топливный элемент трубчатой конструкции мощностью 1 кВт. Было несколько пробных запусков. А.Д. Неуймин сделал модуль небольшой мощности. Однако до внедрения разработок электрохимиков дело не дошло. Во-первых, не так легко найти производство, способное воспринять эти наукоемкие технологии, во-вторых, на это требуются большие средства. Зато сегодня у электрохимиков оказался серьезный задел.

В электрохимических устройствах происходит прямое преобразование химической энергии в электрическую за счет протекания окислительно-восстановительных реакций на межфазных границах электронных проводников с ионными проводниками (электролитами). При этом минуется промежуточная стадия сжигания органического топлива с получением тепла. Так как преобразование тепла в работу в этих устройствах отсутствует, их КПД и теоретически, и практически выше, чем у теплоэнергетических установок.

В ИВТЭ разрабатывается вся гамма электрохимических устройств: от электролизеров и конверторов для производства водорода до топливных элементов для получения электроэнергии и тепла. Здесь давно сложилось определенное разделение труда.

В лаборатории высокотемпературного электролиза во главе с кандидатом химических наук А.К. Деминым создаются генераторы водорода: высокотемпературные электролизеры и высокотемпературные твердооксидные конверторы.

В высокотемпературных электролизерах внешний электрический ток используется для разложения паров воды на водород и кислород. Условно по принципу работы их можно назвать топливными элементами наоборот. В них электрический ток потребляется для получения наиболее энергоемкого топлива – чистого водорода. При снижении потребления электроэнергии, вырабатываемой на «большой» базовой электростанции, например, в ночное время, «избыток» электричества поступает в электролизеры, где в результате суммарной электрохимической реакции разложения воды выделяется чистый водород, который собирают в специальные емкости. Он может использоваться как питание топливных элементов для выработки дополнительной энергии и тепла в дневное время, когда потребление электроэнергии существенно возрастает, в том числе для снятия «пиковых нагрузок». В высокотемпературных твердооксидных конверторах водород получают путем электрохимической конверсии горючих газов. Этот процесс эффективнее, чем каталитическая конверсия, и позволяет получить водород несравненно более высокой чистоты.               

Цель сотрудников лаборатории топливных элементов (заведующий кандидат химических наук В.П. Горелов ) — усовершенствование конструкции ТЭ, позволяющее удешевить их изготовление, уменьшить температуру электрохимического процесса, а значит, повысить время бесперебойной работы аппаратов и снизить стоимость вырабатываемой с их помощью энергии.

Упрощенно принцип работы топливного элемента таков: к мембране из твердого оксидного электролита непрерывно подводится с одной стороны топливо (водород), с другой — окислитель (кислород). Водород электрохимически окисляется, при этом через электролит переносятся ионы кислорода, а во внешней цепи движутся электроны, то есть вырабатывается электроэнергия. КПД таких устройств очень высок. Но чтобы реализовать его, надо решить много проблем, в частности разработать оптимальную конструкцию ТЭ. Существует два типа топливных элементов: плоскостные, или планарные, и трубчатые. В ИВТЭ твердооксидный электролит делают в виде трубок из термостойкой керамики, топливо подается внутрь трубки, а снаружи — кислород. Электрохимики стремятся изготовить трубку с как можно меньшей толщиной стенки, чтобы снизить рабочую температуру и соответственно повысить ресурс ТЭ.

В лаборатории кинетики во главе с кандидатом химических наук Б.Л. Кузиным выполняется проект по разработке электродов твердооксидных электролитов. На электродах происходят электрохимические реакции окисления и восстановления. Эффективность любого электрохимического устройства зависит от того, насколько интенсивно происходят эти процессы и насколько стабильны используемые в них материалы. Одна из главных задач проекта — выяснить ресурс работы электродов, использующихся в электролизерах, сенсорах и топливных элементах и возможность выполнения пожелания заказчика — 40 тыс. часов, или пять лет непрерывной работы.

Сотрудники лаборатории сенсоров во главе с доктором химических наук С.И. Сомовым занимаются аналитическим обеспечением устройств водородной энергетики. Это разнообразные проблемы контроля процессов, отслеживания их динамики, определения концентрации различных газов, состава топлива, присутствия примесей, вопросы безопасности, предотвращения утечек водорода и водородсодержащих газов.
 

Парциальное окисление метана
 

Еще один участник водородной программы — Институт химии твердого тела во главе с доктором химических наук В.Л. Кожевниковым. У твердотельщиков есть хороший задел в области разработки функциональных материалов различного назначения, в том числе и представляющих интерес в связи проблемами водородной энергетики и топливных элементов. Непосредственное использование в ТЭ наиболее широко распространенного в природе топлива — природного газа — довольно затруднительно по многим причинам. Более предпочтительно преобразование (риформинг) природного газа (метана) в так называемый синтез-газ (смесь CO и H2), который затем можно либо непосредственно использовать в высокотемпературных твердооксидных ТЭ, либо выделить из него водород для дальнейшего сжигания в низкотемпературных ТЭ.

Сегодня в промышленности для риформинга используют паровую конверсию в присутствии никелевого катализатора. Этот процесс сопряжен с потерей до 30 — 40% исходного сырья, требует значительных капитальных затрат и совершенно не эффективен при реализации в средних и малых масштабах.

Перспективная альтернатива, позволяющая избежать названных недостатков, — парциальное окисление метана в электрокаталитических реакторах мембранного типа. Над этим работают сотрудники ИХТТ. Основной элемент такого реактора — газоплотная керамическая мембрана со смешанной — кислород-ионной и электронной — проводимостью. На нее нанесен катализатор парциального окисления, что позволяет интегрировать выделение кислорода из воздуха и собственно окисление в единый самоподдерживающийся процесс. Условия протекания этого процесса весьма жесткие. Поэтому и к материалу мембраны предъявляются соответствующие требования по структурной и размерной стабильности в восстановительных условиях, высокому уровню смешанной проводимости и др. Разработки в этой области пока находятся на уровне лабораторных экспериментов. Однако в создании материалов, керамик и плотных покрытий учеными ИХТТ достигнуты очень обнадеживающие результаты.
 

Нанопорошки для топливных элементов
 

Казалось бы, какое отношение к созданию топливных элементов и водородной энергетике имеет Институт электрофизики, ведь направления исследований здесь совсем другие, в частности — создание нанопорошков.

Между тем оптимальный электролит для топливного элемента — это пленка из нанопорошка. Толщина используемого сейчас твердого электролита 0,3 – 0,4 мм. Для обеспечения приемлемого уровня сопротивления приходится работать при температуре 900 —1050о С. Переход к пленкам до 10 микрон позволит снизить температуру до 800 градусов и повысить ресурс материалов. Можно будет использовать более дешевые материалы, поднять удельную мощность и снизить стоимость установки.

Преимущество получаемых электрофизиками порошков состоит в том, что они слабо агломерированные. Кстати, такие порошки умеют создавать только в России. Величина их частиц — 0,01 — 0,02 микрона. Способов изготовления пленок из нанопорошков несколько. Первый — шелкография, когда из нанопорошка делается суспензия, ее наносят на подложку электротода, а потом спекают. Второй способ: суспензию прокатывают и получают тонкую пленку, наматывают на подложку электрода, спрессовывают и спекают. И третий — электрофорез. Суспензию разбавляют, прикладывают напряжение к электроду, частицы садятся на подложку, потом припекаются. Все эти проекты выполняются в ИЭФ.

Хотя сами нанопорошки очень дороги, использовать их для изготовления супертонких пленок выгодно, поскольку порошка уходит немного.
 

* * *
 

По условиям программы на проведение исследований и решение проблем, связанных с производством водорода и водородсодержащих газов, его хранением, транспортировкой, созданием топливных элементов, а главное — на поиск возможностей оптимизации и максимального удешевления всех этих процессов дается три года. Академические ученые работают по программе около года. По многим направлениям получены неплохие результаты. Руководство «Норникеля» считает, что пора переходить к стадии отбора оптимальных проектов. По мнению Ю.А. Котова, подводить итоги пока рано, разве что промежуточные. Сейчас еще трудно оценить, какие подходы перспективные, а какие нет.          

Прорывные технологии не создаются за один день и даже за один год. На это нужно время, и попытки искусственно сократить его не дадут результата.
 

Е. ПОНИЗОВКИНА
 

Превращение химической энергии водорода в электроэнергию в ТЭ
 

КПД различных энергоустановок
 

Трубчатый электролит из керамики 9.8YSZ (Институт электрофизики УрО РАН)