Материалы и технологии водородной энергетики

В рамках создаваемой лаборатории предлагается проведение работ по трем направлениям: I. Создание технологии глубокой очистки водорода с помощью микротрубчатых водород-проницаемых мембран на основе палладийсодержащих и никелевых сплавов. II. Разработка лабораторных прототипов каталитических мембранных реакторов (КМР) конверсии углеводородов для получения водорода с использованием микротрубчатых и мультиканальных мембран. III. Разработка лабораторных образцов высокотемпературных твердооксидных электролизеров (микротрубчатых и мультиканальных) для получения водорода. Тематика работ Лаборатории материалов и технологий водородной энергетики соответствует направлению стратегии научно-технологического развития РФ – «Переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, повышение эффективности добычи и глубокой переработки углеводородного сырья, формирование новых источников, способов транспортировки и хранения энергии». Предлагаемые работы являются актуальными в свете реализации принятой в России концепции развития водородной энергетики (распоряжение Правительства Российской Федерации № 2162-р от 5 августа 2021 г.). Водород высокой степени чистоты востребован в целом ряде приложений: в топливных элементах с протонообменной мембраной, устанавливаемых на экологически чистый транспорт; в микроэлектронике и производстве полупроводников; в металлургии для выплавки стали и снижения выбросов углекислого газа; в химической промышленности для получения ценных химических продуктов и т.д. Предлагаемые к разработке технологии и устройства получения водорода имеют ряд преимуществ перед традиционными: I. Разработка (при поддержке и в сотрудничестве с индустриальным партнером – ОАО «Красцветмет») мембранных модулей для сепарации водорода из газовых смесей на основе газоплотных мембран из сплавов палладия позволит: - создать в рамках импортонезависимости конкурентоспособный российский мембранный модуль для глубокой очистки водорода; - с помощью мембранной технологии глубокой очистки водорода, в отличие от других методов (КЦА, криогенный, полимерные мембраны), получить водород чистотой более 99.99 об.%, пригодный для использования в низкотемпературных топливных элементах, устанавливаемых на транспорте, в мобильных и портативных энергоустановках, в том числе, не требующих обслуживания, что востребовано при работе в условиях Сибири и Арктики; - создать дополнительную рыночную нишу потребления палладия в РФ и мире за счет разработки конкурентоспособной технологии глубокой очистки водорода, востребованного современной водородной энергетикой, основанной на использовании топливных элементов (распределенная энергетика, водородная заправка, транспорт, производства полупроводников и т.д.). Следует отметить, что при сравнимых капитальных затратах (CAPEX), даже при использовании дорогостоящего палладия, мембранные установки требуют более низких операционных затрат (OPEX). Компания АО «Красцветмет» разработала эффективные маркетинговые мероприятия для решения проблемы конкурентоспособности палладиевых мембранных блоков. II. Разработка каталитических мембранных реакторов (КМР) парциального окисления метана и конверсии других углеводородов на базе керамических кислородпроницаемых мембран (при поддержке и в сотрудничестве с индустриальным партнером ООО «Инэнерджи») позволяет на 30-40% снизить затраты при получении синтез-газа и водорода по сравнению с традиционной паровой конверсией метана. Использование КМР приводит к снижению расходов за счет отсутствия азота и его оксидов в продуктах конверсии, а также за счет «ухода» от криогенного кислорода. При этом в КМР происходит повышение селективности процесса конверсии углеводорода в синтез газ (СО + Н2) за счет формирования активных форм кислорода на поверхности кислородпроницаемой мембраны. Повышение производительности можно добиться смещением равновесия процесса конверсии за счет селективного удаления водорода из реакционной зоны с помощью водородпроницаемых мембран. III. Применение высокотемпературных твердооксидных электролизеров (ТОЭ) водяного пара (разрабатываемых при поддержке и в сотрудничестве с индустриальным партнером ООО «Инэнерджи») позволяет использовать отработанное тепло (например, после паровых турбин на электростанциях) и снизить затраты на получение водорода до 3 кВт·ч/нм3 H2 против 5-6 кВт·ч /нм3 H2 для традиционных методов электролиза воды. Использование микротрубчатых и мультиканальных электролизеров позволяет увеличить производительность и степень конверсии, обеспечить быстрый запуск и отключение по требованию потребителя, что необходимо для портативных и мобильных устройств.