Ученые КубГУ работают над задачей получения высокочистого водорода
Энергетические ресурсы – главный двигатель человеческого прогресса. Еще до XIX века основным энергоресурсом являлась древесина. После изобретения первой паровой машины – уголь. Далее природный газ, нефть, гидроэнергия, ядерная – процесс потребления семимильными шагами модернизировался из-за человеческих потребностей.
Последние полувековые исследования привели ученых к изучению водорода как одного из самых перспективных энергоресурсов, способного, в теории, заменить все привычные аналоги. Научный коллектив Кубанского государственного университета под руководством кандидата технических наук, старшего научного сотрудника научно-исследовательской части КубГУ, доцента кафедры радиофизики и нанотехнологий Ильи Сергеевича Петриева уже несколько лет трудится над задачей получения дешевого и чистого водорода, путем создания мембранных реакторов парового риформинга углеводородов.
Как водород превзойдет атомную энерегетику?
Начиная говорить о перспективности некоторых энергоресурсов, Илья Сергеевич вспоминает проведенную группой ученых под руководством ректора Московского государственного университета Виктором Антоновичем Садовничим работу. В ней моделируется развитие энергосистем вплоть до 2100-го года. Ученые считают, что в общей доле потребления энергии такие энергоресурсы как уголь, нефть и газ будут значительно уменьшаться, а три ресурса будут неуклонно расти. Это водород, ветроэнергетика и солнечная энергетика. Атомная энергетика при этом не сдает позиций, но и не выходит на потенциально новый уровень. Но как сегодня можно получить тот самый водород, который способен превзойти даже атомную энергетику?
Водород – самый распространенный элемент на нашей планете, но везде находится в связанном виде. К примеру, в воде, в соединении с кислородом. А также в углеводородах – нефть, газ и во всем, что сегодня используется в энергетике. Как отсоединить одно от другого и получить чистый водород?
– Чтобы выделить водород из других соединений и сделать его пригодным для использования, то есть в форме газа, требуются различного рода процессы. Одним из самых известных является электролиз. Два электрода опускают в воду и под действием электрического тока вода раскладывается на водород и кислород. На одном выделяется кислород, на другом - водород. Но этот процесс получения водорода достаточно дорог, и с точки зрения экономики практически нецелесообразен. Вторым и самым распространенным в мире методом, является паровой риформинг углеводородов. Например метана. Его формула CH4. Соответственно, на один углерод приходится аж целых 4 атома водорода, которые при извлечении образуют искомый газ, – рассказывает Илья Петриев.
Как работает паровой риформинг? В реактор при достаточно высокой температуре (300-600оС) подают разогретый газ, например, упоминаемый ранее метан. Параллельно в реакционную зону подается разогретый водяной пар. Все это начинает смешиваться и на катализаторах происходит реакция, в ходе которой происходит получение нескольких сопутствующих компонентов и самого водорода. Для того, чтобы извлечь из этой смеси чистый водород, ученые КубГУ используют разработанные ими мембраны.
Получение самого чистого водорода
Мембраны – это устройства, которые позволяют выборочно пропускать через себя одни вещества, а другие задерживать, накапливая их с одной и другой стороны. Разработанные учеными КубГУ мембраны в основном металлические и делаются на основе палладия с некоторым добавками – например, серебра, меди, золота и др.
– С помощью наших мембран можно селективно извлекать из газовых смесей только водород. Все остальное наши мембраны не пропускают, кроме высокочистого водорода. Селективность этих мембран очень высокая, практически бесконечная. Их также можно использовать для создания мембранных реакторов. Для этого изменяется схема традиционного реактора для риформинга и в него устанавливаются мембраны. После этого повышается скорость реакции, ее продукты быстрее удаляются из реакционной зоны, и сам риформинг проходит значительно быстрее, – комментирует Илья Петриев.
Традиционные риформеры в основном стационарные и находятся на крупных промышленных предприятиях. Мембранная разработка ученых Кубанского государственного университета позволяет значительно уменьшить размеры ректора и сделать его более компактным. Также стоит отметить, что процессы риформинга идут при высоких температурах – от 300 до 600 градусов Цельсия. Обычные мембраны при более низких температурах практически не пропускают водород. Однако разработанные научным коллективом КубГУ мембраны способны пропускать водород при комнатной температуре. Энергоэффективность такого мембранного реактора благодаря понижению температуры кратно увеличивается, как и эффективность самого процесса.
Работать в таких уникальных условиях позволило открытие коллективом пентагональной симметрии в нанокристаллитах палладия в 2019 году.
– Под микроскопом мы рассмотрели маленькие наночастицы из палладия, которые сами синтезировали. Они по форме очень похожи на пятиконечные звезды. Что в них необычного? Классическая кристаллофизика говорит о том, что частицы такой симметрии не могут существовать. Шестигональные – да, но не пятигональные. Практика показывает обратное. За счет необычных структурных особенностей частиц, они обладают крайне высокими показателями каталитической активности и могут ускорять реакцию гораздо лучше, чем обычные палладиевые катализаторы. Мы наносим слой этих пентадвойникованных наночастиц палладия на поверхность мембраны, что позволяет многократно ускорить поверхностные стадии транспорта водорода. Когда водород приближается к мембране, ему нужно из молекулы диссоциировать на атомы. Эти атомы должны проникнуть под поверхность, диффундировать через тело мембраны и оказаться на другой стороне, опять выйти на поверхность, рекомбинировать до молекулы и перейти в газовую фазу на обратной стороне мембраны. Эти процессы ускоряют наши нано-звезды, потому что они имеют большое количество активных центров, где молекулы и атомы могут, по сути, совершить энергетический прыжок, перескочить пониженный энергетический барьер, – комментирует Илья Петриев.
Будущее энергетической промышленности
Мембранные реакторы, разработанные на основе мембран Кубанского государственного университета, по мнению ученых, могут серьезно удешевить получаемый продукт – водород. Благодаря этой разработке водород получается высокочистым – такой, например, используется в топливных элементах. Помимо этого, технология позволяет сделать мембранные реакторы получения водорода более компактными, например, при экспедициях в Арктику, при мобильном подключении к действующему источнику метана вблизи газопровода или же в районах удаленных от существующих коммуникаций с доставкой балонного газа.
Экспериментальный образец разработки ученых Кубанского государственного университета показал полную работоспособность. Для дальнейшего вывода в реальный сектор экономики и промышленность на сегодняшний день требуется масштабирование и наращивание производства. Так, заместитель председателя правительства Российской Федерации Денис Мантуров на Всемирном фестивале молодежи-2024 в ходе работы технологического хаба "От винта!" положительно оценил проект и дал ряд поручений о дальнейшем взаимодействии.
При дальнейшем масштабировании и распространении, изобретение научного коллектива КубГУ способно в перспективе позитивно повлиять на экономику страны. Дешевизна, компактность и эффективность разработки может позволить Российской Федерации стать лидером по поставке водорода на международный рынок. На сегодняшний существенная часть доходов России поступает от продажи углеводородов за рубеж – нефти, газа и так далее. Многие страны активно переходят на водородную энергетику, и преимущество России здесь заключается в том, что при развитии водородной промышленности она не теряет уже существующие рынки. Наиболее динамично развивающимся рынком водорода является азиатский. Уже сейчас КНР готова закупать водород практически в неограниченных количествах. Те же европейские страны в данный момент времени не могут получать водород настолько дешево и пользуется уже упомянутым ранее более дорогим способом электролиза. А при наличии самых больших запасов углеводородов, Россия уже сейчас имеет возможность дешево получать водород для дальнейшей реализации. И такое экономическое и стратегическое преимущество во многом будет возможно благодаря разработке научного коллектива Кубанского государственного университета.