Накануне «эры водорода»
Ее наступление в нашей стране активно приближают ученые. Однако только их усилий недостаточно.
Сегодня исследования в этой области носят приоритетный характер во всем мире и развиваются стремительно. В Украине изучением всего, что связано с водородом, занимаются свыше десятка институтов Национальной Академии наук.
В прошлом году завершилась большая программа по изучению фундаментальных проблем водородной энергетики. Один из ее руководителей, заместитель директора Института проблем материаловедения НАНУ, доктор физико-математических наук, член-корреспондент НАНУ Юрий Солонин подводит итоги работы.
«Чистая» наука
— Для успешного развития водородных технологий нужны принципиально новые, даже революционные решения в получении, хранении и использовании водорода, — подчеркивает ученый. — Исследования в области водородной энергетики проводятся в нашей стране с середины 70-х годов. Активно работали в этом направлении Институт проблем машиностроения им. А.М.Подгорного, Институт проблем материаловедения им. И.М.Францевича, Физико-механический институт им. Г.В.Карпенко, Институт газа, Институт физической химии им. Л.В.Писаржевского, Институт общей и неорганической химии им. В.И.Вернадского, Институт химии высокомолекулярных соединений.
В 2006 году в Украине была принята программа «Фундаментальные проблемы водородной энергетики». Заявлено около 60 проектов, призванных ускорить наступление «эры водорода». Программа, однако, была не государственная, не национальная, а только на уровне Академии наук. Это, увы, совсем иной уровень финансирования. Вначале выделялись 3 млн грн в год, примерно 50 тыс. на проект, потом еще меньше. Понятно, за такие деньги нельзя решить серьезные вопросы технического обеспечения исследований и совершенно невозможно осуществить их практическое внедрение. Поэтому программа и называлась «фундаментальные проблемы», то есть чисто теоретические.
В мире сейчас многие сугубо технические вопросы по внедрению водородной энергетики решены. Все ведущие автомобильные компании имеют концептуальные модели машин, работающих на водородных двигателях. Есть станции заправки этих автомобилей. Однако стоимость водорода пока намного выше, чем бензина или природного газа. Чтобы новая отрасль встала на ноги и была коммерчески оправданной, нужно выйти на новый уровень получения водорода и снизить цену на него. Кроме того, принципиально необходимо перейти от водорода, который транспортируют в баллонах, на твердые накопители, так называемые металлогидриды. Эти соединения умеют вбирать в себя, как губка, водород при одних условиях и отдавать при других, например при нагревании. Чтобы это было экономически выгодно, такой металлогидрид должен «впитывать» примерно 6% водорода. Весь мир сейчас ищет подобные материалы. Мы тоже включились в поиск. Как только материал будет найден — его подхватят технологи, и процесс пойдет.
Есть и другие фундаментальные проблемы, например, создание топливных ячеек для преобразования химической энергии водорода в электрическую. Надо найти такой катализатор, который заменил бы в этих ячейках дорогую платину. Тогда сразу же будет создан дешевый топливный элемент для получения электроэнергии, а значит, мир избавится от нефтяной зависимости. То есть существует много чисто научных проблем, которые и были объединены в упомянутую программу.
Атака по десяти фронтам
— Юрий Михайлович, срок действия программы завершился в 2010 году. Каковы ее главные результаты?
— Их довольно много. Мы вплотную приблизились к созданию нужных технологий во всем спектре проблем, связанных с водородной энергетикой: в получении водорода, в его хранении и применении. Разработаны материалы, способные впитывать и отдавать достаточный объем водорода — пока до 5%. Мы получили сплав — накопитель водорода, это результат совместной работы нашего Института проблем материаловедения и Львовского механического института.
Сейчас известно 10 методов получения водорода из разных исходных материалов. Наиболее распространенные — метод парофазной переработки (конверсии) метана (природного газа) и термический метод разложения угля и другого биоматериала. Достаточно перспективны термохимические циклы производства водорода, парофазные методы конверсии его из каменного и бурого угля и торфа, а также метод подземной газификации угля с получением водорода.
Разрабатываются иные, более перспективные методы получения водорода из воды с использованием неорганических восстановителей — электроотрицательных металлов — Al, Mg, Ca, Sr, B, Ga, In, Zn, Cd, Li, Na, K и их сплавов с добавкой металлов-активаторов. Такие сплавы названы энергоаккумулирующими веществами (ЭАВ). Они удобны в обращении, так как позволяют получать из воды любое количество водорода. Предполагается, что ЭАВ в будущем смогут заменить природный газ. Украинские ученые, принимавшие участие в программе, получили хорошие результаты в исследовании таких материалов.
Отдельная обширная тема — разработка катализаторов для получения водорода из органического сырья — продукта переработки биомассы. Это направление в последние годы рассматривается как одно из самых перспективных. К сожалению, при переработке биомассы наряду с водородом могут образовываться значительные количества монооксида углерода (СО), который необходимо утилизировать, превращать в другие, менее вредные соединения. Катализаторы должны иметь определенные эксплуатационные характеристики: высокую производительность и селективность активной фазы, термостабильность пористой структуры, низкое газодинамическое сопротивление. Созданные нашими учеными материалы удовлетворяют эти требования. Большую работу по этой теме провели сотрудники Института физической химии им. Л.В.Писаржевского.
Еще один перспективный метод — процесс каталитической паровой переработки этанола. В работах последних лет показана перспективность применения в этом процессе биметаллических катализаторов. Можно также получить водород из угля (как каменного, так и бурого) и даже из торфа. Исследованиями в этом направлении занимаются в Институте угольных энерготехнологий НАНУ. Здесь создан комплекс экспериментальных установок, разработаны новые методики для паровой газификации твердых видов топлива и получения водорода. Из каменных и бурых видов угля, а также из метана получен водород чистотой от 96 до 98%.
— Какие технологии наиболее перспективны?
— Один из самых перспективных способов получения водорода — фотоэлектрохимическое разложение воды под действием солнечного света. Первыми такую ФЭХ-ячейку придумали Фудзисима и Хонда в 1972 году. Однако до сих пор не удается сделать этот процесс экономически выгодным. Исследования в этом направлении ведутся широко, в том числе и в нашем Институте проблем материаловедения, а также в Институте общей и неорганической химии им. В.И.Вернадского. Уже разработан процесс, в котором водород, полученный в ФЭХ-ячейке, не выделяется в виде газа, его нужно было бы собирать — он сразу «упаковывается» в металлогидрид. Эффективность преобразования солнечной энергии в химическую энергию водорода достигла 8%.
— Самый известный способ получения водорода, пожалуй, — гидролиз воды, ее разложение при пропускании электрического тока. Этот метод развивается?
— Да, но он тоже требует больших затрат энергии. Главным направлением снижения энергозатрат при электролизе воды является поиск новых материалов для электродов и электролитов. Разработаны методы модификации стеклоуглеродного электрода углеродными нанотрубками с нанесенными наночастицами металлов (Ni, Co, Pd). При использовании таких модифицированных электродов эффективность электрохимического выделения Н2 из водных растворов значительно повышается.
Кстати, наряду с водой, как одним из главных источников получения водорода, все большее внимание привлекает сероводород. Это обусловлено низкими затратами энергии на электролитическое выделение Н2 из H2S и большими запасами этого соединения в природе — в воде морей и океанов, в природном газе. Сероводород также получается в качестве побочного продукта нефтеперерабатывающей, химической, металлургической промышленности. Уже реализован проект по электрохимической переработке сероводорода с одновременным получением водорода и других коммерчески важных продуктов, что позволило существенно повысить рентабельность процесса.
Еще один метод получения водорода дают плазменные технологии. С их помощью можно газифицировать даже самое низкокачественное углеродное сырье, например твердые бытовые отходы, а в случае опасных отходов — оплавить их и покрыть стекловидной массой. Это позволяет безопасно хранить их в почве или использовать как строительный материал. Работы по получению водорода плазменными методами при переработке угля, торфа, древесины и этилового спирта выполнены в Институте газа НАН Украины.
В качестве источника термической плазмы используются плазмотроны — устройства, генерирующие плазменную струю. Такое оборудование впервые разработано в Институте газа в 2006 году. А в 2008-м создан плазмотрон мощностью до 160 кВт, позволяющий вывести метод на промышленный уровень. Сырьевой базой могут быть разрезы Александрийского буроугольного месторождения в Кировоградской области. Годовой объем переработки угля можно довести до 3 млн т, а производства водорода — до 1 млрд куб. м.
— Допустим, мы получили газообразный водород. Как его отделить от других газов?
— Это уже не проблема. В мире созданы протонпроводящие полимерные мембраны с размером пор, пропускающих только атомы водорода и задерживающих остальные газы. Ряд исследований украинских ученых посвящен изучению таких мембран, их оптимизации и повышению качества разделения газовой смеси.
Кому ноу-хау?
— Следующий этап — полученный водород надо суметь сохранить, причем в компактных устройствах…
— Создание новых материалов, способных обратимо связывать (аккумулировать) значительные количества водорода, принципиально для развития водородной энергетики. Исследования показали, что перспективными материалами для связывания и хранения водорода являются так называемые металлорганические каркасы (МОК) — пористые кристаллические соединения, построенные на основе комплексов переходных металлов. Установлена способность сорбентов такого типа поглощать до 7,5 весовых процентов водорода, то есть достигаются величины, близкие к желаемым. Кроме того, для некоторых соединений характерна высокая селективность адсорбции водорода по сравнению с другими газами, что может быть чрезвычайно важным в процессах очистки водорода для топливных элементов. В других исследованиях, например ученых из Института металлофизики им. Г.В.Курдюмова, для хранения водорода использовали сплавы на основе магния и титана.
— Допустим, мы получили водород, отделили его от других газов, сохранили в виде металлогидрида. Как теперь его «достать» из сплава?
— Водород начнет выделяться из металлогидрида, например, при нагревании. Получается никель-металлогидридный аккумулятор. При небольшом давлении он вбирает в себя водород, а при нагревании до 150—200 С (температура выхлопных газов) легко выдает обратно.
Что здесь важно? Если водород хранить в виде газа в баллоне, то давление в нем составит 500—600 атмосфер. То есть под капотом авто будет настоящая бомба. А металлогидрид вбирает такое же количество водорода, но давление в баке 10 атмосфер. Причем при выдаче газа давление будет сохраняться равновесным до полного освобождения металла от водорода. Это намного безопаснее.
— Юрий Михайлович, какие проекты готовы к практическому внедрению?
— У нас есть хорошие разработки. Но все же это локальные открытия и ноу-хау, а в данном случае речь может идти только о создании водородной энергетики в целом. Кто купит наши металлы и устройства? Ведь пока рынка для них нет. А наших средств совершенно недостаточно ни на доводку открытий, ни на патентование. Мы сейчас идем по пути создания демонстрационных моделей. Будем их показывать на международных конференциях и выставках, возможно, найдется компания, готовая выводить на рынок наши разработки. Кроме того, мы попытаемся инициировать принятие уже государственной программы по водородной энергетике.
— Как вы считаете, на каком уровне водородной энергетики мы находимся по сравнению с другими странами?
— По фундаментальным исследованиям — на одном уровне с ведущими государствами. Публикуемся в западных журналах, участвуем в международных конференциях. А технологически отстаем. При переходе от фундаментальных исследований к опытно-конструкторским работам и далее, к производству, финансирование должно увеличиваться на порядок. А этого нет.
Кстати
Исследователи из Массачусетсского технологического института в Кембридже впервые смогли приблизиться к созданию потенциально дешевых и практичных искусственных «листьев», позволяющих расщеплять воду на водород и кислород. Новое устройство представляет собой кремниевую пластинку размером с игральную карту, покрытую с обеих сторон слоями двух различных катализаторов. Кремний поглощает солнечный свет и передает энергию катализаторам, которые в свою очередь используют ее для расщепления воды на молекулы водорода и кислорода.
Справка «УТГ»
Honda FCX — автомобиль с силовой установкой на водородных топливных элементах.
На прототипе 2007 года ВТЭ установлен вертикально в центральном тоннеле в полу автомобиля. Его мощность — 100 кВт. В баках для хранения водорода применены новые абсорбирующие материалы. Их емкость — 5 кг (171 литр) водорода при давлении 350 атмосфер. Этого достаточно для пробега 570 км. Максимальная скорость автомобиля 160 км/ч.
Honda в дополнение к автомобилю представила домашнюю энергетическую станцию (HES). Установка производит водород из бытового природного газа. Ее топливные элементы генерируют 5 кВт электроэнергии для бытовых нужд и тепло для обогрева дома. Часть водорода направляется на заправку автомобиля.
