«Гиредмет» разработает технологию прямого получения электричества из водорода

В «Гиредмете» приступили к разработке технологии прямого получения электричества из водорода, без сжигания газа. Топливный элемент проектируемых установок — ​«сэндвич» из редкоземельных элементов. Эти «сэндвичи», утверждают ученые, будут обладать одним из самых высоких КПД — ​до 60 %.

В октябре 2020 года правительство утвердило план «Развитие водородной энергетики в РФ до 2024 года», 5 августа 2021 года — ​концепцию ее развития, в соответствии с которой компания «Русатом Оверсиз» (интегратор «Росатома» по развитию коммерческих водородных проектов) приступила к пилотному проекту организации на Сахалине производства водорода. А значит, в России появится собственное производство низкоуглеродного топлива для внутреннего рынка и для экспорта в Азию.

Эффективное преобразование

Но получить водород в необходимых объемах — ​это полдела. Для преобразования его в энергию, главным образом электрическую, требуются эффективные и доступные потребителям технологии. В «Росатоме» эту задачу поручили Государственному научно-исследовательскому и проектному институту редкометаллической промышленности («Гиредмет»).

В 2022 году институт выиграл субсидию Минпромторга РФ для реализации проекта технологии производства энергетических установок на базе собственных среднетемпературных твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), которые позволят извлекать энергию из водорода напрямую, минуя тепломеханическое преобразование: сжигание газа, получение пара с последующей подачей на турбину. Проект реализуется при финансовой поддержке «Росатома» в сотрудничестве с частным учреждением «Наука и инновации», Институтом химии твердого тела Уральского отделения РАН, Центральным научно-исследовательским институтом черной металлургии им. Бардина и Российским химико-технологическим университетом им. Менделеева.

«Классический подход к выработке энергии из сгорания топлива осуществляется через преобразование механической энергии в электрическую, что происходит, например, в дизельных генераторах. В нашем подходе речь идет о прямом преобразовании энергии. Механизм схож с работой обычной батарейки: в системе присутствует катод, анод и электролит, разница в том, что в качестве топлива или реагентов с одной стороны электролита подается водородное или углеводородное топливо, с другой — ​воздух или другой окислитель. При протекании реакции вырабатывается электричество, а ее продуктом является вода. Одна из главных задач проекта энергетических установок на среднетемпературных ТОТЭ — ​локализация технологической базы в России. Среднетемпературные топливные элементы мы выбрали потому, что на данный момент эта технология позволяет снимать максимальные плотности мощности, а снижение температуры до 600–700 °C по сравнению с высокотемпературными ТОТЭ позволит увеличить срок службы устройств», — ​поясняет начальник управления материалов и технологий четвертого энергетического перехода «Гиредмета» доктор химических наук Максим Ананьев.

Устройство, разрабатываемое учеными, рассматривается как основной узел стационарных энергетических установок. Помимо очевидной экологичности, они будут обладать одним из самых высоких КПД — ​до 60 % (КПД паровой турбины не превышает 45 %). Топливный элемент — ​это своего рода сэндвич, в каждом слое которого присутствуют те или иные редкоземельные элементы.

Партнерский подход

«Мы активно взаимодействуем с департаментом металлургии и материалов Минпромторга для разработки сплавов, которые будут служить основой топливного элемента. С нашими партнерами уже создан ряд функциональных материалов. Сейчас мы находимся на этапе отработки технологии изготовления первой ячейки топливного элемента», — ​рассказывает руководитель проекта лаборатории технологий и материалов «Гиредмета» Илья Волков.

К созданию производства энергетических установок на среднетемпературных ТОТЭ в промышленных масштабах планируется привлечь внеотраслевых индустриальных партнеров, что, среди прочего, позволит нивелировать риски при выводе решения на рынок и минимизировать использование инвестиционных ресурсов «Росатома». После получения опытных образцов топливных элементов потребуется промышленная база для перехода к производственной фазе, который смогут обеспечить компании-партнеры.

«Ряд крупных компаний уже проявил заинтересованность в проекте, с некоторыми подписаны договоры о сотрудничестве и разработаны дорожные карты. Поскольку топливный элемент является хоть и критически важной, но ­все-таки частью такой комплексной и сложной системы, как энергетическая установка, ее создание начнется только в сотрудничестве с одним или несколькими партнерами», — ​уточняет руководитель направления частного учреждения «Наука и инновации» Азат Норов.

На данный момент проект проходит стадию научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. По завершении их и полного цикла опытно-промышленных испытаний предполагается организовать мелкосерийное производство водородных станций для оценки эффективности в реальных условиях. План-график создания технологии и вывода продукта на рынок составлен до 2028 года, но по условиям получения субсидии Минпромторга «Гиредмет» уже в 2025 году должен начать продавать водородные среднетемпературные твердооксидные топливные элементы собственной разработки.

СПРАВКА

Водород — ​наиболее распространенный элемент на поверхности Земли и в космосе. Одноатомная форма водорода — ​самое распространенное химическое вещество во Вселенной: примерно 75 % всей барионной массы. Теплота его сгорания на единицу массы в 2,5 раза превосходит калорийность природного газа, а продуктом сгорания являются пары воды. Водородная энергетика может рассматриваться как безуглеродная, если для производства водорода использована атомная генерация или энергия возобновляемых источников.