Водородная энергетика является приоритетным направлением развития новых отечественных технологий. Хорошо известно, что водород в ближайшие годы станет одним из важных направлений производственной деятельности “Росатома”. Геополитическая ситуация и заметные климатические изменения, которые привели к принятию Парижского соглашения в декабре 2015 г. об ограничении выброса парниковых газов, инциировали ускорение развития водородной энергетики. На сегодняшний день водородные стратегии утверждены в 26 странах мира [1]. Более 50 крупнейших мировых компаний объявили долгосрочные программы развития водородных технологий Начал формироваться глобальный водородный рынок. По итогам 2022 г. портфель водородных проектов в мире превысил 71 млн т в год.

В Энергетической стратегии России на период до 2035 г., принятой в июне 2020 г., водородная энергетика была представлена наравне с традиционными источниками. В октябре 2020 г. утверждается план мероприятий «Развития водородной энергетики в Российской Федерации до 2024 г.». В августе 2021 г. распоряжением Правительства РФ утверждается Концепции развития водородной энергетики в Российской Федерации.

Основными организациями в России, заинтересованные в получении водорода являются ГК «Росатом» и ПАО «Газпром». Атомные электростанции нуждаются в сохранении избытка энергии в виде водорода и дальнейшего его использования. А добывающая компания планирует перерабатывать природный газ в водород, имея необходимые установки в местах использования, например на автомобильных заправках.

В феврале 2023 г. Межведомственной рабочей группой по развитию водородной энергетики в РФ (Правительство РФ, ПАО «Газпром» и ГК «Росатом») была утверждена «Дорожная карта» развития направления «Водородная энергетика» на период до 2030 г., согласно которой к концу 2024 г. промышленность РФ должна вырабатывать 200 тыс. тонн водорода в год и до 12 млн тонн к 2035 г. К 2030 г. Россия намерена занять до 20% мирового рынка водорода. Первые водородные установки планируется запустить в 2024 г. на атомных электростанциях, объектах добычи газа и переработки ископаемых.

В переходе на водород заинтересован и промышленный сектор. Декарбонизацию в металлургии связывают с переходом на прямое восстановление железа (с отказом от коксохимических и доменных процессов, потребляющих уголь и природный газ). Водород – прекрасный восстановитель, и его применение в металлургии превращает её в экологически чистую отрасль. Ещё в 1975 г. в СССР разработали технологию восстановления железа путём продувки водорода через оксид железа.

По сути, в те годы были созданы технологии водородной металлургии, которые Германия только собирается внедрять с 2030 г. [3]. В 1973 г., в тульском филиале ЦНИИчермета им. И.П. Бардина были созданы лаборатория по использованию атомной энергии в чёрной металлургии и лаборатория прямого получения железа в твёрдой фазе. В 2021 г. УК «Металлоинвест» утвердила климатическую стратегию, в которой обязалась добиться полной углеродной нейтральности к 2050 г. за счёт перехода с природного газа на «чистый» водород».

«В долгосрочной перспективе УК «Металлоинвест» намерена перейти на «чистое» топливо, получаемое методом электролиза с применением низкоуглеродных источников электроэнергии — атомных АЭС. Уже сейчас без существенных технологических изменений в оборудовании мы можем заместить газ водородом на уровне до 30%, конечная цель — достичь показателя в 70%» (Ю. Гаврилов, УК «Металлоинвест») [4].

 В феврале 2023 г. структуры «Росатома», «Роснано» и «Газпромбанка» учредили «Национальный союз развития водородной энергетики», целью которого является развитие водородной энергетики в России. В Атлас российских проектов Минпромторга по производству водорода и аммиака вошел 41 пилотный проект не только «Газпрома», «Росатома», НОВАТЭКа, но и таких компаний как: «H2 Чистая энергетика», АФК «Система», «Норникель», «Ростех», ПАО «КАМАЗ», АО «Трансмашхолдинг», Российская академия наук.

Производство водорода в России

Наличие необходимой ресурсной базы, значительного энергетического потенциала, недозагруженных генерирующих мощностей, научного задела в сфере производства, транспортировки и хранения водорода, развитой транспортной инфраструктуры позволяет развивать производство водорода в России самыми различными методами. Газотранспортные «дочки» «Газпрома» в Самаре и Уфе реализуют два инновационных проекта по получению метано-­водородного топлива в качестве топливного газа газоперекачивающих агрегатов на основе адиабатической конверсии метана.

В Архангельской области и на Камчатке изучаются вопросы производства «зеленого» водорода с использованием электроэнергии приливных электростанций. Участниками проекта выступают агентство регионального развития Архангельской области и «НордЭнергоГрупп».

Топливная компания «ТВЭЛ» реализует масштабный проект по созданию в Новоуральске опытно-промышленного производства электролизного оборудования. Специалистами ООО «НПО «Центротех» разработана электролизная установка с применением анионопроводящей матрицы производительностью 50 Нм3/ч.

Это позволяет обеспечить низкое удельное энергопотребление электролизной батареи (не более 4 кВт/ч на один нормальный кубометр производимого водорода), безопасную эксплуатацию установки от нулевого уровня до 115% номинальной производительности [5]. Первые опытно-промышленные установки производства “Центротеха” будут использованы при создании Центра водородного инжиниринга с опытным полигоном на острове Сахалин, стендового испытательного комплекса по производству водорода на Кольской АЭС, водородного заправочного комплекса для обеспечения поездов на водородных топливных элементах на Сахалине, и в других пилотных проектах.

Разработки водородных технологий в СССР

В области разработки и освоения водородных энергетических технологий наша страна имеет большой опыт [6]. Еще в 1930‑е гг. в МВТУ им Н. Э. Баумана велось исследование влияния добавок водорода к бензину для автомобильных двигателей. Практическое применение водорода в качестве моторного топлива началось в блокадном Ленинграде в 1941 г.

В 1970‑е гг. исследования в области водородных технологий велись в рамках государственной программы «Водородная энергетика», в рамках которой была разработана концепция водородной энергетики с атомным производством водорода. Специалисты понимали, что водородная энергетика позволит создать новый технологический уклад, в котором водород будет играть роль накопителя энергии, энергоносителя и химического реагента в промышленности, а применение атомных технологий позволит обеспечить его экологически чистое производство.

Работы выполнялись Курчатовским институтом в сотрудничестве с ОКБМ и другими исследовательскими, конструкторскими, технологическими и промышленными предприятиями Министерства среднего машиностроения, Министерств общего машиностроения, энергетики, химической промышленности, черной металлургии, авиационной промышленности и Академии наук СССР. Координатором выступала Комиссия по водородной энергетике АН СССР.

Концепция водородной энергетики с атомным производством водорода получила название «Атомно-водородная энергетика» [6]. В России разработаны топливо ВТГР, физика реактора, конструкция модульного реактора, высокотемпературные парогенераторы и теплообменники, циркуляторы с гелиевым теплоносителем, системы пассивной безопасности; технология гелиевого теплоносителя, системы расхолаживания, система преобразования энергии, модели и коды.

Водородные технологии для реализации космической программы получили развитие в конце 1960-х гг. Был создан ракетно-­космический комплекс «Энергия-­Буран» на водороде, энергетические установки для подводных лодок, самолет «ТУ‑155» и др. Позднее были реализованы проекты опытно-промышленных установок с высокотемпературными гелиевыми реакторами (ВГР-50, ВГ-400, ВГМ-200, МВГР-ГТ, ВТГР-10), ставшими основой для проекта по созданию атомной энерготехнологической станции (АЭТС). К концу 1980-х гг. Советский Союз располагал достаточным комплексом технологий по производству и использованию водорода.

Новый этап развития водородной энергетики

Новый этап развития водородной энергетики в России начался в 2000‑е гг. «Росатом» взял курс на водородную энергетику в 2018 г., сделав ее одним из приоритетных направлений своего научно-технического развития [7]. Госкорпорация ведёт разработку собственных ноу-хау по всей цепочке жизненного цикла водорода: разрабатывает линейку электролизеров, установки паровой конверсии метана, работает над проектом атомной энерготехнологической стации с высокотемпературным газовым реактором.

В области хранения и потребления предлагает такие решения, как композитные баллоны и полимерные топливные элементы. Проект «Росатома» по формированию водородного кластера в Сахалинском регионе считается одним из важнейших современных проектов [5].

Сахалин обладает избыточными сырьевыми (природный газ, уголь) и энергетическими ресурсами. Здесь планируется построить завод по производству водорода из природного газа методом паровой конверсии метана.

В рамках второго проекта будет организовано пассажирское железнодорожное сообщение с применением поездов на водородных топливных элементах. На базе Сахалинского госуниверситета будет создан Центр водородного инжиниринга с опытным полигоном будет для апробации отечественного оборудования в реальном секторе экономики [8].

Производство «зеленого» водорода «Росатом» планирует организовать также в Калининградской области путем электролиза воды с использованием ветровой энергии, и в Мурманской области – на электричестве от Кольской АЭС. Проект по отработке технологий электролизного производства водорода на базе Кольской АЭС решит проблему энергопрофицита Мурманской области. Для электролизного производства будут задействованы 1,5 МВт мощности АЭС, в течение 5-7 лет – 4 МВт, к 2030 г. – 500 МВт. 1 МВт эл. м. позволяет выпускать 200 м3 водорода в час. В декабре 2022 г. на Кольской АЭС с помощью электролизной установки производства ООО «Поликом» уже был произведен первый водород для охлаждения турбогенераторов атомной станции. Этот опыт позволил Кольской АЭС стать пилотной площадкой для производства водорода в России.

По технологии паровой конверсии метана «Росатом» планирует производить водород на атомных энерготехнологических станциях с использованием тепла высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов (ВТГР). Разработки ВТГР с гелиевым теплоносителем начались ещё в 1960‑е гг. Сегодня Россия имеет ключевые технологии ВТГР для производства 100 тыс. тонн водорода с одного модуля мощностью 200 МВт.

В опытно-­промышленном производстве отработаны технологии адиабатической конверсии метана, мембранного выделения водорода. С 2018 г. концерн «Росэнергоатом» и «ОКБМ Африкантов» ведут разработку проектных предложений по промышленному производству водорода на АЭТС, сооружение которой ожидается к 2030 г. ВНИИАЭС проводит ТЭО использования автономных модулей по производству и накоплению водорода в составе АЭС. Использование атомных мощностей для производства водорода позволит значительно расширить область применения атомной энергии.

Для успешной эксплуатации АЭС необходимо регулирование отдаваемой в сеть мощности. Простое снижение мощности в определенные временные интервалы понижает коэффициент использования установленной мощности (КИУМ). Средний КИУМ не должен быть ниже 70%, чтобы не обнулить прибыль от работы АЭС. Образующиеся в часы низкой нагрузки излишки электроэнергии АЭС выгоднее пускать на производство водорода. Это позволит атомным станциям маневрировать не мощностью, а продукцией.

Научный руководитель направления научно-технологического развития «Водородная энергетика» ГК «Росатом», академик РАН Н.Н. Пономарев-Степной считает водород крайне перспективным энергетическим агентом, подразумевая его использование не только в качестве компонента промышленных технологий, но и накопителя энергии и промежуточного энергоносителя [9]. По мнению академика, в середине XXI в. потребление водорода возрастет десятикратно. И водородная энергетика сможет обеспечить 20% потребляемой в мире энергии, что позволит сократить выбросы CO2 на 60%.

Крупномасштабное производство водорода на базе технологий атомно-водородной энергетики позволит обеспечить объем производства водорода, сравнимый в энергетическом эквиваленте с традиционным продуктом «Росатома» — электроэнергией.

В следующие десятилетия использование водорода будет увеличиваться в различных видах транспорта, в системах накопления энергии, для резервного и аварийного энергоснабжения, балансировки комплексной энергосистемы, для обеспечения энергией изолированных территорий [10]. АО «Русатом Оверсиз» выступает отраслевым интегратором по развитию коммерческих водородных проектов и продвижению оборудования и перспективных решений по всей цепочке поставок.

Ближайшей перспективой «Росатома» является создание электролизных цехов при АЭС с реакторами типа ВВЭР. Для собственных нужд на всех российских атомных станциях имеются установки по производству водорода типа СЭУ-20 и HySTAT-A-1000D. Для размещения крупного водородного производства подходит Кольская АЭС, на которой можно построить электролизный цех производительностью до 100 тыс. тонн водорода в год. Но у АЭС с реакторами ВВЭР относительно невысокие температуры рабочих тел первого и второго контуров. Поэтому необходима разработка и строительство высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов – ВТГР. Опыт разработок реакторов ВТГР насчитывает более 45 лет.

Высокотемпературные газоохлаждаемые реакторы

В Советском Союзе прекрасно понимали, что нужен универсальный энергоноситель, способный эффективно запасать и передавать энергию ядерных реакторов в пункты её потребления. Поэтому параллельно с развитием атомной энергетики занимались развитием водородной энергетики [3]. Атомные реакторы, выступая первичными источниками энергии, производят тепло и электроэнергию, а также водород, который повсеместно используется в экономике. В результате, конечная экономическая рентабельность атомно-водородной энергетики возрастает по сравнению с обычным атомным реактором.

Высокий КПД и эффективность использования энергии обеспечивают высокие температуры теплоносителя. Технологии для строительства ВТГР уже разработаны. Экспериментальная база имеется в Курчатовском институте, в НИИ НПО «Луч», в ОКБМ [9]. Спроектировать и построить атомную энерготехнологическую станцию с реакторами ВТГР можно в относительно короткие сроки, что позволит добавить водород к списку ключевых продуктов «Росатома». Стоимость водорода при крупномасштабном производстве на базе ВТГР ниже, чем методом электролиза.

Технические проекты АЭТС с ВТГР, высокотемпературные материалы и керамическое топливо уже были разработаны в СССР/России. В 1987 г., когда вышло постановление Совмина СССР «О создании и внедрении в народное хозяйство атомных энерготехнологических комплексов на базе высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов», планировалось создание пяти энерготехнологических комплексов: два опытно-промышленные (г. Кирово-Чепецк, г. Димитровград); три промышленные (г. Котлас, г. Новополоцк, г. Нижнекамск) [11].

В ОКБМ, начиная с 1974 г., были разработаны следующие проекты ВТГР [12]: ВГ-400 на 1 060 МВт и ВГМ на 200 МВт (для производства аммиака), ВГМ-П на 215 МВт (тепло для НПЗ), ГТ-МГР на 600 МВт, МГР-Т на 600 МВт (тепло, электроэнергия, водород для «Росэнергоатома»), RDE на 10 МВт (реактор для Индонезии). С 2021 г. ведется разработка АЭТС 4´200 МВт (водород, аммиак, метанол, карбамид для «Росэнергоатома»).

Проект АЭТС с ВТГР и ХТЧ

В современном проекте по договору с АО «Концерн Росэнергоатом» в состав АЭТС дополнительно включена химико-технологическая установка для производства водорода, который можно хранить, транспортировать и продавать. В ранних проектах ВТГР продуктом являлось тепло. Соединение с промышленным производством осуществлялось системой передачи тепла: одна АЭТС — один потребитель. Современный проект может обеспечить водородом группу потребителей. Водород будет производиться из природного газа и воды методом паровой конверсии с улавливанием СО2. Соединение ВТГР с модулем производства водорода обеспечивается через промежуточный гелиевый контур, передающий тепло с высокой температурой парометановой смеси. Мощность водородной установки — 110 тыс. т водорода в год. Для четырех ВТГР мощность АЭТС составит 440 тыс. т водорода в год.

В работе над проектом задействованы: ФГУП «НИИ НПО «Луч» (разработка технологии производства топлива) и АО «НИИ НПО «Луч» (разработка технологии конверсии метана); АО «ВНИИНМ» (конструктор-технолог UO2, микротвэлов); АО ГНЦ «НИИАР» (реакторные испытания и послереакторные исследования графита); АО «НИИграфит» (разработчик-главный технолог реакторного графита); Институт технической физики (водородная безопасность); АО «ТВЭЛ» (создание промышленного производства топлива); АО «Композит» (разработка элементов РУ из перспективного углеродного материала); НГТУ им. Р.Е.Алексеева (теплогидравлические исследования по РУ).

Завершение доинвестиционной стадии проекта АЭТС, включая техпроект реакторной установки, запланировано на 2024 г., строительство первого блока в 2032 г., завершение строительства АЭТС в составе четырех блоков – в 2035 г. (по данным ОКБМ на совете директоров «Татнефтехиминвест-холдинг», январь 2023 г.).

Электротехнологическую станцию суммарной мощностью 800 МВт для производства «зеленого» водорода за счет использования высокопотенциального тепла «Росатом» планирует построить в Татарстане [13]. Первый энергоблок предполагается ввести в эксплуатацию до 2033 г. В полном объеме она будет реализована к 2035 г. Водород предназначается для внутреннего потребителя, в том числе для нефтеперерабатывающих предприятий Татарстана. Из несколько возможных площадок для строительства АЭТС. пока победу одерживает Менделеевск [14]. Все 400 тыс. т водорода поглотит АО «Аммоний», строительство должно начаться в 2028 г. В 2032 г. планируется начать опытно-промышленную эксплуатацию первого блока, все четыре блока должны заработать к 2035 г. Водород нужен «Аммонию» для производства аммиака. Удобрения мощный экспортный продукт. Этот проект водородной АЭТС „Росэнергоатома“ будет самым большим по мощности в России (вице-президент АО «Русатом Оверсиз» А. Москвин).

В феврале 2024 г. завершился важный этап испытаний топлива высокотемпературного газоохлаждаемого реактора [15]. Реакторные испытания лабораторных образцов топлива ВТГР проводились с 2022 г. в реакторе СМ-3 на площадке АО «ГНЦ НИИАР» (Димитровград) и в реакторе ИВВ-2М на площадке АО «ИРМ» (Заречный, Свердловская область). К концу 2023 г. в реакторе ИВВ-2М одна из партий микротвэлов, разработанных и изготовленных АО «ВНИИНМ», и топливных компактов, разработанных и изготовленных АО «НИИ НПО «ЛУЧ», достигли выгорания 11÷12% тяжелых атомов, что соответствует проектным значениям выгорания для топлива ВТГР. В ходе всего цикла облучения температурные режимы топлива ВТГР поддерживались в диапазоне 1000÷1200°С.

Таким образом, была подтверждена работоспособность созданной конструкции топлива (TRISO-топливо). Многослойное покрытие сферического топливного сердечника надежно удерживает внутри керамической матрицы газообразные продукты деления. На 2024-2025 гг. запланировано проведение комплекса послереакторных исследований облученных образцов топлива ВТГР, а также реакторных экспериментов в предельных и аварийных режимах его эксплуатации. В 2025 г. специалисты АО «НИИ НПО «ЛУЧ» планируют приступить к отработке технологии производства топлива с использованием опытно-промышленной технологической цепочки оборудования по производству топлива ВТГР.

Водородные топливные ячейки

Большинство национальных исследований в мире сегодня касается производства водородных топливных элементов [16], которые преобразуют химическую энергию в электричество и применяются в промышленности для автономной генерации и накопления энергии, на транспорте, в электроэнергетике для обеспечения энергией удаленных и труднодоступных районов.

Разные топливные элементы используют водород при различных температурах и предъявляют разные требования к его чистоте [2]. Низкотемпературные топливные элементы работают на чистом водороде, а высокотемпературные удовлетворяются синтез-газом. Топливный элемент преобразует химическую энергию водорода в электрическую с достаточно высоким КПД.

Технологии топливных элементов разрабатывают несколько исследовательских центров и компаний России:

• Институт катализа СО РАН сотрудничает с российскими производителями топливных элементов — ГК «ИнЭнерджи» и Институтом проблем химической физики РАН, где были разработаны и созданы сверхлегкие топливные элементы для беспилотных летательных аппаратов. Там же ведутся разработки более крупных топливных элементов для автомобильных передвижных платформ.
• Институт проблем химической физики РАН (водородновоздушные топливные элементы с протонообменной мембраной);
• Центр автономной энергетики МФТИ (твердооксидные топливные элементы);
• Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН (твердооксидные топливные элементы);
• Топливная компания «Росатома» «ТВЭЛ» (в том числе «Завод электрохимических преобразователей, НПО «Центротех», Свердловская обл.) (твердооксидные топливные элементы для автономного энергоснабжения удаленных от инфраструктуры объектов).

В АО «Гиредмет» (входит в ГК «Росатом») приступили к разработке технологии прямого получения электричества из водорода без сжигания газа [17]. Топливный элемент проектируемых установок — «сэндвичи» из редкоземельных элементов, которые будут обладать одним из самых высоких КПД — до 60 %. В 2022 г. институт получил субсидию Минпромторга для реализации проекта энергетических установок на базе среднетемпературных твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), которые позволят извлекать энергию из водорода напрямую, минуя сжигание газа, получение пара с последующей подачей на турбину. «Среднетемпературные ТОТЭ позволяют снимать максимальные плотности мощности, а снижение температуры до 600–700 °C по сравнению с высокотемпературными ТОТЭ позволит увеличить срок службы устройств». В 2025 г. «Гиредмет» должен начать продавать водородные среднетемпературные ТОТЭ.

Технологическая водородная долина

В ноябре 2020 г. образовательные и научные организации, занимающиеся разработками в области водородной энергетики, объединились в консорциум «Технологическая водородная долина». Инициатором создания консорциума стал Томский политехнический университет. Помимо ТПУ в него вошли Институт катализа Сибирского отделения РАН, Институт проблем химической физики РАН, Институт нефтехимического синтеза РАН, Самарский ГТУ и Сахалинский госуниверситет. В июне 2021 г. к работе Консорциума водородных технологий присоединились новые компании и университеты [www.energyland.info]: НИТУ «МИСиС», МФТИ, Санкт-Петербургский ГМТУ, Южно-Российский ГПУ им. М.И. Платова, Южный федеральный университет и Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого. В качестве индустриальных партнеров к консорциуму присоединились компании ООО «Инэнерджи» и АО «Энергетические решения».

Всего консорциум объединил более 20 университетов и академических институтов, в том числе Томский консорциум научно-образовательных и научных организаций, а также 16 индустриальных партнеров: «СИБУР», «Северсталь», «Трансмашхолдинг», «Росатом», «Газпром нефть», «ТМК» и другие.
Участники консорциума выделили пять направлений технологических барьеров: получение водорода, очистка, хранение и транспортировка, использование водорода, водородные топливные элементы и смежные области, влияющие на цепочку добавленной стоимости.

Исследования и разработки по водородному направлению:

• Учёные НИЯУ МИФИ создали экспериментальную установку для разработки твёрдотельных накопителей водородного топлива, а специалисты Томского политехнического университета разработали технологию получения кубического карбида вольфрама для замены платиновых катализаторов и снижения стоимости получения водородного топлива.
• Специалисты ТПУ придумали метод, значительно ускоряющий пиролиз метана с целью получения водорода [18]. Пиролиз метана – наиболее подходящая технология получения чистого водорода для топливных элементов. Использование барботажного реактора позволяет собрать мелкодисперсный углерод, но это ведет к низкой производительности. Ускорить реакцию позволяют активные радикалы метила и водорода, получаемые за счет дополнительного блока плазмохимической наработки радикалов. Совмещение в конвертере метана плазмохимического источника радикалов и барботажного реактора обеспечивает значительное ускорение реакций и увеличение степени конверсии до 100%.

Также в Томском политехе создали новый материал-накопитель на основе гидрида магния для безопасного хранения водорода [19]. В нем водород хранится в связанном химическом виде. Чтобы выпустить водород из металлогидридной системы, его нужно нагреть. Но у гидрида магния как накопителя водорода есть серьезный недостаток: нагревать его нужно до очень высоких температур. Ученых синтезировали новый материал, который «работает» при более низких температурах – ниже 260 °C. Для этого были использованы металлорганические каркасные структуры на основе хрома. Композит был получен методом механохимического синтеза в планетарных мельницах из гидрида магния и металлоорганических каркасных структур на основе хрома. и представляет собой структуру типа «ядро-оболочка». То есть частицы гидрида магния покрыты наноразмерными частицами хрома. Наночастицы хрома, с одной стороны, оказывают каталитический эффект. Проникновение водорода в композит происходит не через поверхность магния, а через частицы хрома, поскольку для взаимодействия с ним требуется меньше энергии из-за снижения энергии диссоциации молекул водорода.

Ученые из Центра компетенций НТИ «Водород как основа низкоуглеродной экономики» Института катализа СО РАН разработали дешевые фотокатализаторы на основе диоксида титана и оксидов меди [20]. Они оказались на 50% более активными, чем платиновые и позволяют получать водород из глицерина под видимым светом.

«Нанесение оксидов меди на поверхность диоксида титана приводит к значительному увеличению активности катализатора под видимым светом. Активность полученного фотокатализатора на 50% превышает активность диоксида титана, модифицированного платиной». Для получения водорода под действием света могут использоваться различные субстраты, в том числе глицерин. Эффективность катализатора составила 0,16%. У платины этот показатель меньше.

В НИЦ «Курчатовский институт» разработки и исследования водородных энергетических систем ведутся с 1970-х гг. [21]. В 1978 г. в Курчатовском институте было создано специальное подразделение – Институт водородной энергетики и плазменных технологий. Исследования проводились по ряду ключевых направлений водородной энергетики, в частности:

• элементы водородной (атомно-водородной) энергетики, в том числе – плазменные, обеспечивающие повышение энергетической эффективности;
• топливных элементов и электролизеров с твердым полимерным электролитом;
• мембранных и мембранно-каталитических систем получения и очистки водорода;
• наноструктурных электрокатализаторов;
• обеспечения водородной безопасности.

Плазменные и плазменно-каталитические технологии (ПКТ) включают в том числе:

• Пиролиз природного газа (метана). ПКТ пиролиза природного газа для производства водорода в составе атомно-водородного комплекса на основе ВТГР или солнечной энергетической установки.
• Хранение водорода в микрокапиллярах
• Технология хранения водорода при высоких давлениях в капиллярных емкостях из высокопрочных сортов стекла и кварца является альтернативой баллонам из стали и композитных материалов для хранения водорода и других газов.
• Разработки электрохимических систем: водородных топливных элементов и электролизеров для получения чистого водорода. В Центре имеется задел по электрохимическим системам с твердым полимерным электролитом, разработки по электрокатализаторам. Разработана методика синтеза наноструктурных электрокатализаторов на основе металлов платиновой группы с уменьшенным содержанием благородных металлов.

В лаборатории сорбционных процессов ИФХЭ РАН разработали новый адсорбент для аккумулирования водорода [22]. Получен патент на металл-органическую каркасную структуру (МОКС) бензолтрикарбоксилата иттрия (III) Y-BTC. МОКС представляет собой адсорбент, который имеет пористую структуру с узким распределением пор по размерам. Он может применяться для адсорбционного аккумулирования и селективного разделения веществ, в том числе для хранения и транспортировки водорода. Металл-органические каркасные структуры на основе редкоземельных элементов обладают хорошей химической и гидротермальной стабильностью, а также большой удельной поверхностью — до 850 м2/г.

Специалисты Центра технологических компетенций «Полимерные композиционные материалы» ООО «НПО «Центротех» разработали и испытали опытные образцы металлокомпозитных баллонов различного объема для хранения и транспортировки водорода с рабочим давлением 700 атм (68,9 МПа) [23]. Специально разработанный внутренний герметизирующий слой баллона – лейнер изготовлен из алюминиевого сплава, а упрочняющая обмотка баллона выполнена с использованием углеродного волокна, выпускаемого предприятием Композитного дивизиона.

Ученые Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург) синтезировали новые электрокатализаторы на базе никеля, меди и углеродного волокна. для эффективного получения из воды чистого кислорода в медицинских целях и водорода для энергетики [24]. Они покрыли углеродные микротрубки композитами на основе никеля (Ni) и меди (Cu). Авторам удалось создать очень тонкие покрытия с наночастицами металлов: толщина трубок составила 1,2 нм в случае системы Ni-углерод и около 0,5 нм в случае Ni-Cu-углерод. Площадь электрохимически активной поверхности материалов удалось увеличить с 265 до 1400 см2 для никелевого и до 780 см2 для никель-медного катализаторов. Улучшения электрокаталитических свойств удалось получить как за счет уменьшения размера кристаллитов, так и за счет добавки меди, снижающей энергию связи металл-водород, что ослабляет диффузионные ограничения реакции. Это позволит выделять водород более эффективно.

Физики из Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля (ИБХФ РАН) (Москва) исследовали новый катализатор, где использованы свойства Янус-структур (у них верхний и нижний ряды атомов состоят из разных элементов, они двулики) для получения водорода из воды [25]. Ученые взяли соединения на основе серы, молибдена, селена и теллура для проведения компьютерного моделирования фотокалитических реакций в присутствии монослойных кристаллических полупроводников с Янус-структурой. Наиболее перспективным кандидатом для производства солнечного водорода оказался материал на основе соединения SMoTe (где S — сера, Mo — молибден, а Te — теллур). Прогнозируемая эффективность преобразования солнечной энергии в водород составила 54% и 67,1% для нейтральной и кислой сред соответственно, что существенно превышает общепринятый предел для коммерциализации, равный 18%. В работе принимали участие исследователи Института геологии и минералогии СО РАН (Новосибирск), Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН (Красноярск) и Сибирского федерального университета (Красноярск) и Новосибирского государственного университета.

Проанализировав свойства конструкционных и функциональных материалов, которые включают высокопрочные стали, стали с никелевым покрытием, алюминиевые сплавы, графен и стеклокерамические покрытия, специалисты пришли к выводу, что материалы на основе хрома и никеля имеют достаточно высокую стойкость к водороду как при обычных, так и при повышенных температурах. Перспективно также использование алюминиевых сплавов, которые могут применяться в авиационных конструкциях. Также было установлено, что для повышения стойкости к водороду традиционных аустенитных сталей при нанесении высокотемпературных покрытий лучше использовать методы плазменного и магнетронного напыления пленок, для низкотемпературных – гальванический и химический способы нанесения.

Специалисты Самарского ГТУ создают новую систему хранения водорода, в которой его молекулы химически связаны с органическими носителями – бензинтолуолами [27]. Технологии химического связывания являются экономными и более безопасными. За счет обратимой реакции водород связывается бензинтолуолами и другими органическими молекулами, которые получают из нефти. Эта жидкость является негорючей, транспортировать ее можно при атмосферном давлении и при любой температуре. Выделять водород из этой смеси можно на распределительных станциях и внутри специальных перспективных двигателей.

Ученые ФИЦ угля и углехимии СО РАН (УУХ СО РАН) разработали способ получения водородаокислением частиц алюминия в воде под воздействием лазерного излучения [28]. Специалистам удалось в 2 раза сократить энергозатраты на получение водорода с помощью разложения воды.
В качестве сырья они использовали суспензию из воды и нанопорошка алюминия, которую облучали лазером. Частицы алюминия покрыты оксидной оболочкой, облучение разрушает ее, вода контактирует с металлическим ядром и происходит химическая реакция с выделением водорода; Побочный продукт – оксид алюминия можно использовать для производства адсорбентов и керамических материалов, а также в качестве носителя катализаторов (Я.Крафт, научный сотрудник УУХ СО РАН).

ФИЦ УУХ СО РАН входит в консорциум Центра компетенций Национальной технологической инициативы «Водород как основа низкоуглеродной экономики» на базе Института катализа СО РАН. Ранее Ученые из Института катализа СО РАН разработали катализаторы на основе искусственных минералов для применения в твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), протонно-обменных мембран (ПОМ) и каталитических реакторов.

Химики Санкт-Петербургского университета разработали способ получения водорода из промышленных химических отходов, образующихся при получении ацетилена из карбида кальция [29]. В результате гидролиза карбида кальция для получения ацетилена образуется остаток. В химической промышленности ежегодно образуется около 23 млн тонн такого остатка. Ученые СПбГУ разработали способ, позволяющий превратить этот отход в водород. Нагревание карбидного шлама с определенными металлами приводит к выделению водорода. Ученые проверили условия реакции таких металлов, как цинк, железо, алюминий, магний и кальций. Наилучшие результаты были достигнуты при использовании цинка и кальция.

Григорьев С.А., Спасов Д.Д. Смирнов С. А. представили доклад «Моделирование электрохимических характеристик каталитических слоёв на основе сложных углеродных наноструктур», в котором проведена оценка устойчивости электрокатализаторов в ходе УСТ и показаны преобладающие механизмы деградации электрокатализаторов на основе различных носителей. Показано, что повышенную устойчивость в ходе УСТ проявляют электрокатализаторы на основе наноструктурных носителей.

В докладе «Разработка технологических основ защиты от водородного охрупчивания сталей» Дасаева М.Р., Соколова И.С. Татауллина М.Р., приведены результаты исследования основ формирования барьерных микромасштабных покрытий с целью предотвращения водородного охрупчивания сталей. Установлено, что благодаря PVD-покрытиям снижается проницаемость для водорода, повышается износостойкость и коррозионная стойкость

Авторы доклада: «Разработка перспективных энергетических комплексов для производства электроэнергии и водорода с минимальными выбросами вредных веществ в атмосферу» Киндра В.О., Опарин М.В., Островский М.А. и Зуйкин Р.Е.представили результаты исследования технологической схемы кислородно-топливного энергетического комплекса для совместного производства электроэнергии и водорода; технологической схемы тринарной энергоустановки на метано-водородной смеси; технологической схемы АЭС с водородным аккумулированием энергии;

Мезин С.В., Молодов И.М., Парамонов И. В. в докладе «Имитационное моделирование электростанции на основе возобновляемых источников энергии с водородно-воздушным аккумулированием энергии» проанализировали проект автономного энергоснабжения с целью обеспечения балансовой надёжности энергоснабжения при возмущениях мощности потребления энергии. Модель должна предусматривать проведение оптимизации состава и размеров оборудования с целью улучшения технико-экономических показателей.

НИИЭФА предложил новый подход к созданию металлогидридных систем хранения водорода [31]. В проекте «Разработка технологии плазменного осаждения металлогидридных пленок и конструкции пленочного аккумулятора водорода» главной задачей являлось создание прототипа пленочного металлогидридного аккумулятора водорода, отличающегося от традиционного порошкового подхода низкими инерционностью и температурой выделения водорода. Пленочные накопители состоят из тончайших металлических пленок. Они составят конкуренцию газовым, баллонным системам, и будут выигрывать у них по безопасности эксплуатации.

В отличие от металлического порошка, обладающего низкой теплопроводностью, тонкую металлическую ленту можно быстро нагреть, пропустив через нее ток. Это делает ленточные накопители намного более удобными, чем порошковые, и позволяет увеличить КПД водородного генератора. Насыщенные водородом пленки можно вырастить путем напыления водород-­активного металла в атмосфере водорода, в результате чего сразу получается продукт, готовый к установке в топливный картридж.

Томский политех по договору с НИИЭФА создал опытный образец автоматизированного комплекса по наводораживанию и десорбции материалов с улучшенными параметрами: повышенными давлением (до 50 атм.) и температурой (до 900°C), что открывает новые возможности по повышению уровня насыщения пленочных материалов водородом.

Специалисты Уральского государственного технического университета нашли применение теплу, которое выделяется при работе твердооксидного топливного элемента [32]. Оно пошло на производство водорода. В процессе выработки электричества топливный элемент разогревается до нескольких сотен градусов. Чтобы получить двойную пользу от работы топливного элемента, его совместили с водородным реактором. В нем алюминиевая пудра смешивается с водой в присутствии щелочи. Для стабильного хода реакции и большего выхода водорода пудру нужно нагреть — на это и расходуется тепло от топливного элемента. Подобрав соотношение алюминия и воды и создав оптимальную температуру, ученым удалось добиться генерации водорода со скоростью 15 миллилитров

Ученые Южно-Российского государственного политехнического университета разработали уникальную энергетическую установку, которая позволяет получать “зеленый” водород и электроэнергию из воды [33]. Им удалось свести схему “солнечный элемент — электролизёр — топливный элемент” к одному устройству. В течение дня устройство работает как фотоэлектрический преобразователь: под воздействием солнечного света вода разлагается на кислород и водород. Ночью устройство может работать как топливный элемент, используя водород в качестве топлива для выработки электроэнергии.

Исследователи Южного федерального университета получили новые наноразмерные катализаторы, способные получать «зеленый водород» путем расщепления воды в присутствии солнечного света [34]. Такие возможности стали доступны благодаря уникальным сферическим наночастицам с полым ядром и оболочкой в составе катализаторов, эффективно улавливающие падающий солнечный свет и снижающие скорость рекомбинации фотогенерированных носителей заряда. Вначале исследователи синтезировали идеальную сферическую наночастицу титансодержащих металлорганических каркасных структур. Затем была разработана технология получения структурированной частицы «ядро-оболочка». Частичное разложение сферической Ti-MOF приводит к образованию полой структуры типа «ядро-оболочка» благодаря различию структуры внутреннего и наружного слоев.

Существует два наиболее распространенных и промышленно освоенных способа хранения водорода: в сжатом (компримированном) и сжиженном виде. Сжижение, а также хранение и транспортировка водорода в жидком виде — технологически сложный и дорогостоящий процесс. Для повышения экономической эффективности исследуются альтернативные способы хранения водорода в металлогидридах и в химически связанном виде (жидкие органические носители водорода и аммиак) [2]. Серьезным вопросом является и транспортировка водорода. Если в природный газ добавлять до 20% водорода, эту метановодородную смесь можно транспортировать по традиционным трубопроводам. Еще одним хорошим носителем является аммиак, он содержит много водорода и может экспортироваться в жидком виде.

Аммиак состоит из одного атома азота и трех атомов водорода, а его энергетическая плотность почти вдвое выше, чем у жидкого водорода. Жидкий аммиак содержит 17~18% водорода по массе. Его легче перевозить и распределять. Чтобы выделить водород из аммиака, достаточно прибегнуть к процессу электролиза, энергию для которого обеспечит любой возобновляемый источник энергии. Основной проблемой, сдерживающей использование аммиака в качестве топлива, является образование оксидов азота, представляющих опасность для здоровья человека. Эту проблему может решить переход к селективному каталитическому сжиганию аммиака до азота и воды.

ФГБУН «ФИЦ “Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН” разработало катализатор селективного окисления аммиака до азота [35]. Катализатор представляет собой алюминат меди со структурой шпинели и оксид меди при их соотношениях от 0.1 до 100 в форме гранул со средним размером пор 3-16 нм. Синтез катализатора селективного окисления аммиака до азота проводят путем гидротермальной обработки водной суспензии и азотнокислой меди при 150°C. В стехиометрической смеси аммиака и кислорода при температуре 400°С достигается полная конверсия аммиака и максимальный выход азота ~ 97%.

Заключение

Развитие водородной энергетики — перспективное направление, закрепленное в Энергетической стратегии России до 2035 г. Исследования и разработки ведутся в самых разных областях: производства и потребления водорода, его хранения и транспортировки, водородных систем накопления энергии, создания топливных элементов и водородных двигателей для различных видов транспорта, прямого восстановления железа в металлургии и многое другое.

При происходящих геополитических трансформациях и обостряющейся климатической повестке развитие водородного направления для нашей страны приобретает особую значимость. Россия просто не может отказаться от создания водородной энергетики из соображений технологической безопасности. Наша страна обладает уникальным сочетанием факторов, включая значительные запасы природного газа, научно-технологические заделы, транспортную инфраструктуру, ядерные технологии, открывающие широкие перспективы на водородном направлении. Кроме огромных неиспользованных ресурсов на водород имеется перспективный внутренний спрос.

В «Росатоме» водородная энергетика является одним из приоритетных направлений научно-технологического развития. Госкорпорация активно работает над созданием собственных технологий во всех сферах – производстве, транспортировке. хранении и потреблении водорода, организует пилотные проекты для создания модели эффективного обращения с водородом.

Производство водорода только на уже действующих российских генерирующих объектах может позволить России претендовать в горизонте до 2030 г. на весомую долю глобального рынка водородного топлива [5]: занять 3–5% его объема к 2030 г., и 10–15% к 2050 г. «Сейчас страна занимает такую долю в атомных технологиях и вполне может рассчитывать на такую же в водородных». Россия может поставлять миру столько же водорода, сколько она поставляет природного газа —10% от мирового масштаба производства. энергетика – Новое водородное направление в стратегии «Росатома» позволит госкорпорации получать новый продукт — водород. Масштаб проводимых исследований и разработок позволяет надеяться на прорывные решения и ожидать достижения поставленных целей в более ближней перспективе.

Источники:

1. https://delprof.ru/ Аналитика Водородная энергетика 2023: тренды и перспективы рынка чистой энергетики
2. https://energy.skolkovo.ru/ Водородная экономика – путь к низкоуглеродному развитию
3. dzen.ru В Европе мечтают о водородной энергетике, переход к которой Россия начала более 30 лет назад
4. dprom.online Производство водорода: удастся ли России создать отрасль с нуля?
5. nauka.tass.ru› В Росатоме разработали инновационную установку для производства водорода
6. https://energypolicy.ru/ Водородная энергетика России: состояние и перспективы А. Мастепанов, ак. РАЕН, Аналитическимй центр энергетической политики и безопасности ИПНГ РАН
7. atomvestnik.ru› С. Жизнин Более экологичной альтернативой ВИЭ может стать водородная энергетика
8. Судостроение.info В Сахалинской области центр водородного инжиниринга.
9. https://archive.atomicexpert.com Н. Н. Пономарев-Степной, Водород — новый ключевой продукт Росатома
10. atomvestnik.ru› Ю. Долгова, Водородная энергетика — одно из стратегических направлений технологического развития России
11. http://tef.tatar›  Основные документы на период до 2035 года и до 2050 г., по развитию водородной энергетики в России
12. http://tef.tatar/ Петрунин В.В. Производство водорода на АЭТС, 6.04.2023 г., г. Казань
13. rt.rbc.ru› В Татарстане планируют построить атомную электростанцию
14. business-gazeta.ru› Водородную АЭС за 300 миллиардов построят в Менделеевске
15. http://atominfo.ru О. Семенова Ученые Росатома завершили испытания топлива ВТГР
16. issek.hse.ru›news Глобальный рынок водородной энергетики
17. tehregions.ru «Гиредмет» разработает технологию прямого получения электричества из водорода
18. nauka.tass.ru М. Терещенко Метод, ускоряющий пиролиз метана с целью получения водорода
19. news.tpu.ru В ТПУ создали новый материал для безопасного хранения водорода
20. h2nti.ru Ученые из водородного центра НТИ создали дешевые…
21. energyret.ru В.Н. Фатеев ets, Разработки и исследования водородных энергетических систем в НИЦ «Курчатовский институт»,
22. naked-science.ru В ИФХЭ РАН разработали новый адсорбент для хранения водорода и селективного разделения газов
23. neftegaz.ru› «НПО «Центротех» опытные образцы металлокомпозитных баллонов для хранения и транспортировки водорода
24. scientificrussia.ru Никель-медные покрытия микротрубок для выделения водорода и кислорода из воды
25. https://scientificrussia.ru Российские физики изучили новый катализатор для расщепления воды на кислород и водород
26. pstu.ru› Ученые Пермского Политеха определили ряд лучших материалов для водородной энергетики
27. ria.ru› И. Шилов Ученые СГТУ придумали, как сделать водородную энергетику более эффективной
28. energosmi.ru Российские ученые разработали способ получения водорода, который затрачивает вдвое меньше энергии, чем электролиз
29. spbu.ru Ученые СПбГУ создали способ получения водорода из отходов химического производства
30. elibrary.ru› Тезисы конференции в НИУ МЭИ «Технологии будущего»
31. strana-rosatom.ru Пленочный аккумулятор водорода НИИЭФА
32. е-plus.media Уральские ученые научили топливные элементы приносить двойную пользу
33. nauka.tass.ru Российские ученые создали уникальную энергоустановку для получения “зеленого” водорода и электроэнергии из воды
34. scientificrussia.ru Ученые ЮФУ разработали новые фотоэлектрокатализаторы для получения «зеленого» водорода из воды

При подготовке материала использована информация сайтов: energypolicy.ru, nauka.tass.ru, ujnosahalinsk.bezformata.com, atominfo.ru, energyret.ru, naked-science.ru, vedomosti.ru, aoata.ru, neftegaz.ru, eepir.ru, scientificrussia.ru, mashnews.ru, rusatom-overseas.com, ria.ru, economics.hse.ru, m.minobrnauki.gov.ru, /energy.skolkovo.ru

Автор: Т.А. Девятова
Источник: http://www.proatom.ru/