Каталитические материалы и технологии для российской водородной заправки

В последние 5 лет можно констатировать, что внедрение технологий водородной энергетики в повседневную жизнь действительно началось: появились доступные к покупке серийные автомобили, беспилотные летательные аппараты и стационарные системы электроснабжения. Суммарная установленная мощность поставленных потребителям топливных элементов (ТЭ) за последний год превысила 1 ГВт. Европейский союз и ряд других государств составляют планы перехода к так называемой безуглеродной экономике, в которых водородная энергетика занимает одно из центральных мест. В России в 2020 году открылась первая водородная заправка в подмосковной Черноголовке, и были завезены первые водородные автомобили Toyota Mirai. Более быстрому развитию водородной энергетики в РФ среди прочего препятствует отсутствие инфраструктуры получения, транспортировки и хранения водорода, в частности водородных заправок. Фактически, имеет место проблема «курицы и яйца» - пока нет инфраструктуры, нет потребителей, пока нет потребителей, не появляется инфраструктура. Водородные заправки можно разделить на 3 типа: 1) имеют резервуары с чистым водородом, поставляемым с заводов; 2) водород получают непосредственно на заправке электролизом воды; 3) водород получают из природного газа непосредственно на заправке. По нашему мнению, в случае России, где имеются большие запаса природного газа (ПГ) и достаточно развитая сеть газопроводов, именно последний вариант является наиболее привлекательным. Кроме того, существующая газотранспортная инфраструктура в будущем может быть использована для транспорта синтетического ПГ, получаемого с помощью возобновляемых источников энергии (ВИЭ), а также способна обеспечить плавный переход от ископаемых к возобновляемым топливам. Традиционная схема получения чистого водорода в масштабах водородной заправки включает стадии паровой конверсии метана, паровой конверсии СО и короткоцикловой адсорбции СО2 (КЦА). Применение КЦА вынуждает проводить процесс при повышенном давлении, хотя бы 1 МПа и выше, что негативно сказывается на равновесном превращении метана. Кроме существующие катализаторы реакций паровой конверсии метана и СО предназначены для крупнотоннажных аппаратов и плохо подходят для применения в рамках компактной водородной заправки. Поэтому разработка новых каталитических материалов и технологий для российской водородной заправки является весьма актуальной задачей. Настоящий проект направлен на решение проблемы получения чистого водорода из природного газа (ПГ) в рамках водородной заправки. Новизна данного проекта заключается в разработке каталитических материалов и процессов для интенсификации реакций получения и очистки водорода непосредственно в рамках инфраструктуры водородной заправки. В частности, в качестве одного из этапов получения чистого водорода предлагается процесс сорбционно-каталитической паровой конверсии СО, который позволит существенно улучшить термодинамику реакции паровой конверсии СО и исключить стадию КЦА. Новизна также заключается в разработке сорбционно-каталитического материала с возможностью регенерации в циклах повышения/понижения температуры с применением воздуха, дымовых газов или паров воды для удаления адсорбированного СО2. Для интенсификации эндотермической реакции паровой конверсии метана предполагается использовать реактор-теплообменник со структурированным катализатором паровой конверсии природного газа внутри трубок и структурированным катализатором полного окисления для беспламенного сжигания природного газа на внешней поверхности трубок. Предполагается применение композитных катализаторов типа “наночастицы металлов/наночастицы активного оксида/структурный оксидный компонент/структурированная металлическая подложка”. Структурированная металлическая подложка обеспечивает эффективный отвод/подвод тепла для экзо-/эндотермических реакций, обладает хорошими гидродинамическими характеристиками и облегчает масштабный переход. Структурный оксидный компонент (оксид алюминия) обеспечивает термическую и коррозионную устойчивость и высокую удельную поверхность каталитического покрытия, выполняя защитную функцию для металлической подложки. Активный оксидный компонент (преимущественно оксиды церия-циркония) повышает устойчивость к зауглероживанию за счет кислородной подвижности и поддерживает высокую дисперсность активного компонента за счет сильного взаимодействия металл–носитель. Наночастицы металлов (Pt, Rh, Ru, Ni) размером 1–2 нм участвуют в активации молекул-субстратов. Сочетание паровой конверсии метана и сорбционно-каталитической паровой конверсии СО позволит: 1) радикально увеличить равновесную конверсию СО и снизить требования к низкотемпературной активности катализаторов; 2) исключить дорогостоящую КЦА из схемы процесса; 3) снизить давление до 1-3 атм, что увеличивает равновесную конверсию метана при его паровом реформинге; 4) увеличить тепловую эффективность процесса за счет использования остаточного тепла домовых газов после паровой конверсии метана для регенерации адсорбента СО2.