Напередодні «ери водню»

Її початок в нашій країні активно наближають учені. Однак самих лише їхніх зусиль недостатньо.

Сьогодні дослідження в цій галузі мають пріоритетний характер в усьому світі й розвиваються стрімко. В Україні вивченням усього, пов’язаного з воднем, займаються понад десяток інститутів Національної Академії наук.

Торік завершилася велика програма з вивчення фундаментальних проблем водневої енергетики. Один з її керівників, заступник директора Інституту проблем матеріалознавства НАНУ, доктор фізико-математичних наук, член-кореспондент НАНУ Юрій Солонін під­биває підсумки роботи.

«Чиста» наука

— Для успішного розвит­ку водневих технологій потрібні принципово нові, навіть революційні рішення в одержанні, зберіганні й використанні водню, — відзначає вчений. — Дослідження в галузі водневої енергетики проводяться в нашій країні із середини 70-х років. Активно працювали в цьому напрямку Інститут проблем машинобудування ім. А.М.Підгорного, Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М.Францевича, Фізико-механічний інститут ім. Г.В.Карпенка, Інститут газу, Інститут фізичної хімії ім. Л.В.Писаржевського, Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В.І.Вернадського, Інститут хімії високомолекулярних сполук.

У 2006 році в Україні було ухвалено програму «Фундаментальні проблеми водневої енергетики». Заявлено близько 60 проектів, що мають прискорити початок «ери водню». Програма, однак, була не державна, не національна, а тільки на рівні Академії наук. Це, на жаль, зовсім інший рівень фінансування. Спочатку виділялося 3 млн грн на рік, приблизно 50 тис. на проект, потім ще менше. Зрозуміло, за такі гроші не можна розв’язати серйозні питання технічного забезпечення досліджень і зовсім неможливо забезпечити їхнє практичне впровадження. Тому програма й називалася «фундаментальні проблеми», тобто тільки теоретичні.

У світі зараз багато суто технічних питань із упровадження водневої енергетики розв’язано. Усі провідні автомобільні компанії мають концептуальні моделі машин, які працюють на водневих двигунах. Є станції заправлення цих автомобілів. Однак вартість водню поки набагато вище, ніж бензину або природного газу. Щоб нова галузь зіп’ялася на ноги й була комерційно виправданою, треба вийти на новий рівень одержання водню й знизити ціну на нього. Крім того, принципово необхідно перейти від водню, який транспортують у балонах, на тверді накопичувачі, так звані металогідриди. Ці сполуки вміють убирати в себе, як губка, водень за одних умов і віддавати за інших, наприклад після нагрівання. Щоб це було економічно вигідно, такий металогідрид має «усмоктувати» приблизно 6% водню. Увесь світ зараз шукає такі матеріали. Ми теж долучилися до пошуку. Як тільки матеріал буде знайдено — його підхоплять технологи, і справа зрушить.

Є й інші фундаментальні проблеми, наприклад, створення паливних комірок для  перетворення хімічної енергії водню на електричну. Треба знайти такий каталізатор, що замінив би в цих комірках дорогу платину. Тоді відразу ж буде створено дешевий паливний елемент для одержання електроенергії, а отже, світ позбудеться від нафтової залежності. Тобто є багато суто наукових проблем, які й було об’єднано в цю програму.

Атака за десятьма фронтами

— Юрію Михайловичу, термін дії програми завершився в 2010 році. Які її головні результати?

— Їх досить багато. Ми впритул наблизилися до створення потрібних технологій у всьому спектрі проблем, пов’язаних із водневою енергетикою: в одержанні водню, у його зберіганні та застосуванні. Розроблено матеріали, здатні усмоктувати й віддавати достатній обсяг водню — поки до 5%. Ми одержали сплав — накопичувач водню, це результат спільної роботи нашого Інституту проблем матеріалознавства й Львівського механічного інституту.­

Зараз відомо 10 методів одержання водню з різних вихідних матеріалів. Найпоширеніші — метод парофазної переробки (конверсії) метану (природного газу) і термічний метод розкладання вугілля й іншого біоматеріалу. Досить перспективні термохімічні цикли виробництва водню, парофазні методи конверсії його з кам’яного та бурого вугілля й торфу, а також метод підземної газифікації вугілля з одержанням водню.

Розробляються інші, перспективніші методи одержання водню з води з використанням неорганічних відновлювачів — електро­негативних металів — Al, Mg, Ca, Sr, B, Ga, In, Zn, Cd, Li, Na, K та їхніх сплавів із доданням металів-активаторів. Такі сплави названо енергоакумулювальними речовинами (ЕАР). Вони зручні у використанні, бо дозволяють одержувати з води будь-яку кількість водню. Передбачається, що ЕАР згодом зможуть замінити природний газ. Українські вчені, які брали участь у програмі, мають добрі результати в дослідженні таких матеріалів.

Окрема велика тема — розробка каталізаторів для одержання водню з органічної сировини — продукту ­переробки біомаси. Цей напрям в останні роки розглядається як один із найперспективніших. На жаль, під час переробки біомаси поряд із воднем можуть утворюватися значні кількості монооксиду вуглецю (СО), який  необхідно утилізовувати,  перетворювати на інші, менш шкідливі сполуки. Каталізатори повинні мати певні експлуатаційні характеристики: високу продуктивність і селективність активної фази, термостабільність пористої структури, низький газодинамічний опір. Створені нашими вченими матеріали відповідають цим вимогам. Велику роботу із цієї теми виконали співробітники Інституту фізичної хімії ім. Л.В.Писаржевського. Ще один перспективний метод — процес каталітичної парової переробки етанолу. У роботах останніх років показано перспективність застосування в цьому процесі біметалічних каталізаторів. Можна також одержати водень із вугілля (як кам’яного, так і бурого) і навіть із торфу. Дослідженнями в цьому напрямку займаються в Інституті вугільних енерготехнологій НАНУ. Тут створений комплекс експериментальних установок, розроблені нові методики для парової газифікації твердих видів палива й одержання водню. Із кам’яних і бурих видів вугілля, а також із метану отримано водень чистотою від 96 до 98 %.

— Які технології найперспективніші?

— Один із найперспективніших способів одержання водню — фотоелектрохімічне розкладання води під дією сонячного світла. Першими таку ФЕХ-комірку придумали Фудзісіма й Хонда в 1972 році. Однак досі не вдається зробити цей процес економічно вигідним. Дослідження в цьому напрямку ведуться широко, у тому числі й у нашому Інституті проблем матеріалознавства, а також в Інституті загальної та неорганічної хімії ім. В.І.Вернадського. Уже розроблений процес, у якому водень, отриманий у ФЕХ-комірці, не виділяється у вигляді газу, його треба було б збирати — він відразу «упаковується» у металогідрид. Ефективність перетворення сонячної енергії на хімічну енергію водню досягла 8%.

— Найвідоміший спосіб одержання водню, мабуть, — гідроліз води, її розкладання після пропущення електричного струму. Цей метод розвивається?

— Так, але він теж вимагає великих витрат енергії. Головним напрямком зниження енерговитрат під час електролізу води є пошук нових матеріалів для електродів і електролітів. Розроб­лено методи модифікації скловуглецевого електрода вуглецевими нанотрубками з нанесеними наночастинками металів (Ni, Co, Pd). За використання таких модифікованих електродів ефективність електрохімічного виділення  Н2 із водяних розчинів знач­но підвищується.

До речі, поряд із водою як одним із головних джерел одержання водню усе більшу увагу привертає сірководень. Це обумовлено низькими витратами енергії на електролітичне виділення Н2 з H2S і великими запасами цієї сполуки в природі — у воді морів та океанів, у природному газі. Сірководень  також виходить як побічний продукт нафтопереробної, хімічної, металургійної промисловості. Уже реалізований проект з електрохімічної переробки сірководню з одночасним одержанням водню та інших комерційно важливих продуктів, що дозволило істотно підвищити рентабельність процесу.

Ще один метод одержання водню дають плазмові технології. З їхньою допомогою можна газифікувати навіть найбільш низькоякісну вуглецеву сировину, наприклад тверді побутові відходи, а у випадку небезпечних відходів — оплавити їх і вкрити склоподібною масою. Це дозволяє безпечно зберігати їх у ґрунті або використовувати як будівельний матеріал. Роботи з одержання водню плазмовими методами під час переробки вугілля, торфу, деревини й етилового спирту виконані в Інституті газу НАН України.

Як джерело термічної плазми використовуються ­плазмотрони — пристрої, які  генерують плазмовий струмінь. Таке обладнання вперше розроблене в Інституті газу в 2006 році. А в 2008-му створений плазмотрон потужністю до 160 кВт, що дозволяє вивести метод на промисловий рівень. Сировинною базою можуть бути розрізи Олександрійського буровугільного родовища в Кіровоградській області. Річний обсяг переробки вугілля можна довести до 3 млн т,  а виробництва водню — до 1 млрд куб. м. 

— Допустимо, ми одержали газоподібний водень. Як його відокремити від інших газів?

— Це вже не проблема. У світі створені протонпровідні полімерні мембрани з таким розміром пор, що вони пропускають тільки атоми водню, а інші гази затримують. Декілька досліджень українських учених присвячені вивченню таких мембран, їхній оптимізації та підвищенню якості поділу газової суміші. 

Кому ноу-хау?

— Наступний етап — отриманий водень треба зуміти зберегти, причому в компактних пристроях…

— Створення нових матеріалів, здатних оборотно зв’язувати (акумулювати) значні кількості водню, принципове для розвитку водневої енергетики. Дослідження показали, що перспективними матеріалами для зв’язування й зберігання водню є так звані металорганічні каркаси (МОК) — пористі кристалічні сполуки, утворені на основі комплексів перехідних металів.  Установлено здатність сорбентів такого типу поглинати до 7,5 вагових відсотків водню, тобто досягаються величини, близькі до потрібних. Крім того, для деяких сполук характерна висока селективність адсорбції водню в порівнянні з іншими газами, що може бути надзвичайно важливим у процесах очищення водню для паливних елементів. В інших дослідженнях, наприклад учених з Інституту металофізики ім. Г.В.Курдюмова, для зберігання водню використовували сплави на основі магнію й титану.

— Допустимо, ми одержали водень, відокремили його від інших газів, зберегли у вигляді метало­­­гідриду. Як тепер його «вийняти» зі сплаву?

— Водень почне виділятися з металогідриду, наприклад, під час нагрівання. Виходить нікель-металогідридний акумулятор. За невеликого тиску він убирає в себе водень, а за нагрівання до 150—200 С (температура ви­х­­лопних газів) легко видає назад.

Що тут важливо? Якщо водень зберігати у вигляді газу в балоні, то тиск у ньому становитиме 500—600 атмо­сфер. Тобто під капотом авто буде справжня бомба. А металогідрид вбирає таку ж кількість водню, але тиск у баку становитиме 10 атмо­сфер. Причому під час видачі газу тиск у баку зберігатиметься рівноважним до пов­ного звільнення металу від  водню. Це набагато безпечніше.

— Юрію Михайловичу,­ які проекти готові до практичного впровад­ження?

— У нас є добрі розробки. Але все-таки це локальні відкриття й ноу-хау, а в цьому випадку може йтися тільки про створення водневої енергетики в цілому. Хто купить наші метали й пристрої? Адже поки ринку для них немає. А наших коштів зовсім недостатньо ні на доведення відкриттів, ні на патентування. Ми зараз ідемо шляхом створення демонстраційних моделей. Показуватимемо їх на міжнародних конференціях і виставках, можливо, знайдеться­ компанія, що готова виводити на ринок наші розробки. Крім того, ми спробуємо ініціювати ухвалення вже державної програми з водневої енергетики.

— Як ви вважаєте, на якому рівні водневої енергетики ми перебуваємо порівняно з іншими країнами?

— За фундаментальними дослідженнями — на одному рівні із провідними державами. Публікуємося в західних журналах, беремо участь у міжнародних конференціях. А технологічно відстаємо. При переході від фундаментальних досліджень до дослідно-конструкторських робіт і далі, до виробництва, фінансування має збільшуватися на порядок. А цього немає.

До речі

Дослідники з Массачусетського технологічного інституту в Кембриджі вперше змогли наблизитися до створення потенційно дешевого і практичного штучного «листя», яке дозволяє розщеплювати воду на водень і кисень. Новий пристрій являє собою кремнієву пластинку роз­міром із гральну  карту, вкриту з обох боків шарами двох різних каталізаторів. Кремній поглинає сонячне світло й передає енергію каталізаторам, які у свою чергу використовують її для розщеплення води на молекули водню й кисню.

Довідка «УТГ»

Honda FCX — автомобіль із силовою установкою на водневих паливних елементах.

На прототипі 2007 року ВПЕ встановлений вертикально в центральному тунелі в підлозі автомобіля. Його потужність — 100 кВт. У баках для зберігання водню застосовані нові абсорбувальні матеріали. Їхня ємність — 5 кг (171 літр) водню за тиску 350 атмо­сфер. Цього достатньо для пробігу 570 км. Максимальна швидкість автомобіля 160 км/год.

Honda на додачу до автомобіля представила домашню енергетичну станцію (HES). Установка виробляє водень із побутового природного газу. Її паливні елементи генерують 5 кВт електроенергії для побутових потреб і тепло для обігріву будинку. Частина водню йде на заправлення автомобіля.