Выделение водорода с низким углеродным следом из смесей биологического происхождения и энергетических смесей с метаном и углекислым газом за счет очистки, компрессии и хранения в металлогидридах

Водород может быть использован для накопления, хранения и доставки энергии и рассматривается в качестве перспективного энергоносителя и инструмента для решения задач по развитию низкоуглеродной экономики и снижению антропогенного влияния на климат. Основными преимуществами водорода являются возможность его получения из различных источников и отсутствие выбросов углекислого газа при его использовании в качестве энергоносителя. В низкоэмиссионных энергосистемах водород часто используется в смесях с метаном (энергетические смеси) и/или углекислым газом (в том числе биоводород) с малой (менее 50% ) концентрацией и, соответственно, низким парциальным давлением водорода. Выделение водорода из таких смесей, его компрессия и хранение представляют сложную задачу, поскольку современные коммерческие системы очистки водорода ориентированы на разделение смесей с большой(более 70%) концентрацией водорода, а при ее снижении утрачивают термодинамическую эффективность. Металлогидриды позволяют селективно поглощать и хранить водород в твердофазном связанном состоянии при температурах и давлениях, близких к нормальным условиям, а также эффективно сжимать и очищать водород. Концепция водородной энергетики Российской Федерации (распоряжение правительства РФ от 5 августа 2021 г. № 2162-р) причисляет металлогидриды к технологиям водородной энергетики, разработку которых необходимо организовать в приоритетном порядке и которые должны быть доведены до промышленного внедрения. Металлогидриды могут быть использованы для эффективного разделения смесей водорода с метаном и/или углекислым газом, таким образом, они могут быть применены в цикле для производства энергетических смесей на основе водорода, а также для улавливания углекислого газа возобновляемых источников энергии и других источников энергии с низким уровнем выбросов углекислого газа. В настоящее время наиболее экономически эффективным способом получения водорода является его централизованное производство методом паровой конверсии метана или газификации угля, при этом необходимо обеспечение улавливания углекислого газа, поскольку выбросы парниковых газов в этих процессах составляют порядка 75 г CO2eq/МДж H2 и выше, в то время как низкоуглеродным считается водород с углеродным следом менее 36.4 г CO2eq/МДж H2. Наиболее экологичный способ производства водорода основан на электролизе воды за счет электроэнергии атомных и гидро- электростанции, а также электроэнергии возобновляемых источников энергии. Еще одним источником водорода с низким углеродным следом может стать биомасса, при этом существуют методы биологического производства водорода в качестве продукта жизнедеятельности некоторых микроорганизмов. При этом в качестве источника водорода могут быть использованы сельскохозяйственные и бытовые органические отходы, что увеличивает экологическую привлекательность этого метода. Однако, в настоящее время все низкоуглеродные методы существенно дороже способов производства из ископаемого сырья, и в общем производстве водорода они составляют менее 1%. Целью развития технологий на базе возобновляемых источников энергии является снижение к 2050 году стоимости низкоуглеродного водорода до уровня менее 2 долларов США за килограмм, что сделает его конкурентоспособным с ископаемыми топливами. Еще одной важной проблемой является транспортировка и хранение водорода. Водород из ископаемых источников используется в основном на месте производства в нефтехимической или аммиачной промышленности, для использования в низкоуглеродной энергетике необходимо его доставлять потребителю, в том числе на дальние расстояния. Для этого предлагается использовать энергетические смеси, в первую очередь водорода с метаном (природным газом), которые могут быть использованы в обычных газовых сетях. Концентрация водорода в таких смесях мала (обычно 5-10%), поэтому его извлечение становится трудной и дорогостоящей задачей, поскольку современные коммерческие методы очистки водорода (мембранные, КЦА) ориентированы в первую очередь на смеси с высоким содержанием водорода, и становятся неэффективны, когда водород является второстепенным компонентом смеси. Схожие проблемы наблюдаются и в производстве биоводорода. Типичный продукт биологической переработки органического сырья представляет собой влажную смесь газов с низким парциальным давлением водорода (< 1 бар). Также для повышения конверсии органики всю большую популярность приобретают многостадийные методы, в которых производится смесь водорода и метана биологического происхождения. Для решения этой задачи мы предлагаем выполнить мультидисциплинарные исследования, чтобы разработать методы получения водорода при повышенных гидростатических давлениях с использованием экстремофильных микроорганизмов. Недавние исследования показывают, что водородный метаболизм гораздо более распространен в природе, чем это раньше предполагалось, и в том числе свойственен некоторым глубоководным микроорганизмам, адаптированным к окружающей среде с высоким давлением. Обеспечение высоких гидростатических давлений внутри биореакторов требует гораздо меньших затрат энергии, чем сжатие продуктовых газов, таким образом использование пьезотолерантных или пьезофильных микроорганизмов сможет решить проблему предварительного сжатия биоводорода. Цель проекта заключается в исследованиях и разработке фундаментального базиса для устойчивого производства очищенного водорода с низким углеродным следом из смесей с метаном и/или углекислым газом, включая смеси биологического происхождения, с применением металлогидридов. Исходным продуктом должна быть смесь с давлением ниже 1 МПа с парциальным давлением водорода ниже 0.2 МПа. Должно быть исследовано биологическое производство водорода темновой ферментацией при повышенных гидростатических давлениях для поиска возможности обеспечения достижимости требований к исходной смеси. Водород должен быть очищен с помощью металлогидрида с коэффициентом извлечения свыше 70% и аккумулирован в металлогидридах с использованием низкопотенциального (менее 100 град С) тепла. Продуктом должен быть чистый водород, пригодный для использования в топливных элементах с твердополимерным электролитом, с давлением свыше 1 МПа для использования в качестве первой ступени в дальнейшей компрессии водорода до 35-70 МПа. Новизна проекта подтверждается литературными обзорами, которые показывают, что что в настоящее время наблюдается недостаток исследований посвященных оптимизации эффективности производства низкоуглеродного водорода и его кондиционирования с помощью металлогидридов. Большая часть исследований выполнена на лабораторном уровне с использованием малых количеств металогидридов, и исследования по масштабированию металлогидридных технологий важны для вывода реальных приложений на рынок. Исследования показали, что металлогидридные технологии очистки могут быть более эффективны по сравнению с традиционными методами для низкотемпературных применений. Использование изотермических режимов работы металлогидридных реакторов, рекуперация тепла и использование температуры окружающей среды рассматриваются как перспективные способы для повышения КПД устройств. Биоводородные технологии, особенно темновая ферментация рассматриваются в качестве перспективных для производства биоводорода на коммерческом уровне. Наблюдается недостаток данных по масштабированию технологии до полупромышленного уровня с целью достижения лучших показателей по мощности, жизнеспособности и экономической эффективности производства биоводорода, отмечается, что необходим анализ процесса очистки водорода наряду с процессом ферментации, что важно для использования биоводорода. Команда проекта специализируется на междисциплинарных исследованиях и включает высококвалифицированных специалистов в области возобновляемой и водородной энергетики, а также тепломассопереноса, химии и биологии. Опыт и квалификация команды подтверждаются множеством публикаций в тематической области проекта, а также международным и российским признанием, в состав коллектива входят лауреат Государственной премии РФ для молодых ученых и лауреат 2021 года премии «Глобальная энергия» за выдающийся вклад в развитие альтернативной энергетики. Научно-технических задел команды показывает, что предложенная стратегия является технически осуществимой, таким образом ее помощью можно получить практически значимые результаты.