НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Росс

ийск

ий Н

аучн

ый

Цен

тр “

Курч

атов

ский

Инс

титу

т”

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

_____________________________________________________________________________

В.Н.ФатеевИнститут Водородной Энергетики и Плазменных

Технологий РНЦ «Курчатовский институт»Пл.Курчатова 1, Москва

[email protected]Москва, МИРЭА 5 ноября 2008

Росс

ийск

ий Н

аучн

ый

Цен

тр “

Курч

атов

ский

Инс

титу

т”

ФГУ РНЦ “Курчатовский институт”Институт водородной энергетики и плазменных технологий

Росс

ийск

ий Н

аучн

ый

Цен

тр “

Курч

атов

ский

Инс

титу

т”

ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА – энергетика, базирующаяся на водороде, как энергоносителе, относится к критическим технологиям

ВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКА (ЭНЕРГЕТИКА) – решение экологических, экономических, социальных проблем и обеспечение устойчивого развития и энергетической безопасности на долгосрочную перспективу

Росс

ийск

ий Н

аучн

ый

Цен

тр “

Курч

атов

ский

Инс

титу

т”

ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА– основные направления

Новые технологии производства водорода

Хранение, транспортировка и распределение водорода

Применение водорода для производства энергии

Водородная безопасность, коды и стандарты

Образование (подготовка и переподготовка специалистов)

Росс

ийск

ий Н

аучн

ый

Цен

тр “

Курч

атов

ский

Инс

титу

т”

ВОДА

Ископаемое и синтетическое топливо

Биомасса, биоэтанол

Электролиз, термохимические циклыЭлектрическая и тепловая энергия(АЭС, возобновляемые источники энергии)

КонверсияТепловая энергия(Высокотемпературные реактора)

КонверсияТепловая энергия(Высокотемпературные реактора)

Н2

модульный гелиевый реактор

ПРОИЗВОДСТВО ВОДОРОДА

Росс

ийск

ий Н

аучн

ый

Цен

тр “

Курч

атов

ский

Инс

титу

т”

ХРАНЕНИЕ И ТРАНСПОРТИРОВКА ВОДОРОДА

Н2Жидкий водород

(15 % Н2)

Газообразный водород в баллонах

(20-70 МПа)

(5-10 % Н2)

Гидриды металлов и сплавов

(до 7 % Н2)

Химические реагенты (NaBH4, Al и т.п.)

(до 12 % Н2)

Углеродные наноструктуры

(до 20 % Н2 ?)

Газгольдеры

(неограниченные объемы хранения)

Трубопроводы

(неограниченные объемы

транспортировки)

Росс

ийск

ий Н

аучн

ый

Цен

тр “

Курч

атов

ский

Инс

титу

т”

ПРИМЕНЕНИЕ ВОДОРОДА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭНЕРГИИ

Н2

Двигатели внутреннего

сгоранияКПД до 40%

Пароперегрев для турбин

Повышение КПД на 1,5-3%

Топливные элементыКПД 40-60%

(до 85 % с утилизацией тепла)Отсутствие токсичных выбросов

Росс

ийск

ий Н

аучн

ый

Цен

тр “

Курч

атов

ский

Инс

титу

т”

Разработаны и производятся электролизеры с производительностью до 2 м3/час и давлением до 30 атм (их усовершенствование в рамках GenHyPEM FP 6 Project) и

разрабатывается электролизер на 10 м3/час, 130 атм (проект ФАНИ)

Электролизеры с ТПЭ

- энергопотребление 4.0-4.2 kВт*час/м3 H2 t=90C- Чистота водорода > 99.99%- Достигнутый расход платиновых металлов в каталитических слоях: 2,0-3.0 mg/cm2

- Срок службы > 20000 часов

Росс

ийск

ий Н

аучн

ый

Цен

тр “

Курч

атов

ский

Инс

титу

т”

Некоторые достижения в области водородной энергетики в Некоторые достижения в области водородной энергетики в РоссииРоссии

Созданы современные мембранные технологии и системы разделения газов, получения и очистки водорода

Созданы высокоэффективные системы и установки (на основе плазменной конверсии углеводородов) получения водорода производительностью 10-1000 м3/час, в частности для инфраструктуры обеспечения водородом экологически чистого транспорта

Созданы эффективные каталитические дожигатели и датчики водорода для обеспечения водородной безопасности

Росс

ийск

ий Н

аучн

ый

Цен

тр “

Курч

атов

ский

Инс

титу

т”

ПЛАЗМЕННАЯ И МЕМБРАННО-КАТАЛИТИЧЕСКАЯ КОНВЕРСИЯ МОТОРНЫХ ТОПЛИВ В ВОДОРОД

(СИНТЕЗ-ГАЗ)

ОЧИСТКА ВЫХЛОПА ДИЗЕЛЬНОГОДВИГАТЕЛЯ ОТ ОКСИДОВ АЗОТА

БЕНЗО – ВОДОРОДНОЕ КОМБИНИРОВАННОЕ ТОПЛИВО ДЛЯДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНГИЯ

БОРТОВОЙ ГЕНЕРАТОР ВОДОРОДАДЛЯ ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА ВОДОРОДНОГО ТРАНСПОРТА- СУДА, ЛОКОМОТИВЫ(ПЕРСПЕКТИВА)

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СУЩЕСТВУЮЩЕЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ ПРОИЗВОДСТВА, ХРАНЕНИЯ, ТРАНСПРТИРОВКИ И ЗАПРАВКИ ЖИДКИХ МОТОРНЫХ ТОПЛИВ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ВОДОРОДОМ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОГО ТРАНСПОРТА

КОМПАКТНЫЙ ПЛАЗМЕННЫЙ КОНВЕРТОР

Росс

ийск

ий Н

аучн

ый

Цен

тр “

Курч

атов

ский

Инс

титу

т”

мембранно-каталитическая технология

объединение двух или всех трех стадий в одном устройстве: сдвиг химического равновесия повышение степени конверсии снижение энергозатрат

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИИ:

плазменно-мембранная технология

Росс

ийск

ий Н

аучн

ый

Цен

тр “

Курч

атов

ский

Инс

титу

т”

ПЛАЗМЕННО-РАСПЛАВНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЯ, ТВЁРДЫХ И ЖИДКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ

Пиролиз углеводородов с получением Н2

Растворение углеводородов в расплаве Химическое растворение О2 в расплаве

Восстановление оксидов металла углеродом с получением СО

ОСНОВНЫЕ СТАДИИ ПРОЦЕССА

Шлак

CaS

O2 + H2O

CxHy C + H2 MeO + C CO + Me

Расплав Металла

CxHy + x/2 O2 хCO +у/2 H2

CxHy

CaO Шлак

Росс

ийск

ий Н

аучн

ый

Цен

тр “

Курч

атов

ский

Инс

титу

т”

Щелочные ТЭЩелочные ТЭ

Легендарный Фотон - 10 кВт (УЭХК) Электромобиль “ВАЗ-2111 - АНТЭЛ-2”

(АвтоВАЗ, РКК «Энергия», УЭХК)

Энергомодуль энергоустановки «ЭЛТЭГ» электрической мощностью 5,2 кВт (6,0 кВт тепловой) на основе щелочных ТЭ (НИК НЭП)

Росс

ийск

ий Н

аучн

ый

Цен

тр “

Курч

атов

ский

Инс

титу

т”

Твердооксидные ТЭосновные разработчики: РФЯЦ-ВНИИТФ, ФЭИ, РФЯЦ-ВНИИЭФ, Институт высокотемпературной электрохимииСоздана 1,5 кВ пилотная установка на основе модулей трубчатой конструкции, которая прошла успешные испытания в течение 500 часов. Ведутся разработки в рамках нового Госконтракта по подготовке производства твердооксидных ТЭ. Созданы батареи планарных ТЭ мощностью до 50 Вт.

Росс

ийск

ий Н

аучн

ый

Цен

тр “

Курч

атов

ский

Инс

титу

т”

Твердополимерные ТЭОсновные разработчики: РНЦ «Курчатовский институт», ЦНИИСЭТ,

Завод «Красная звезда», МЭИ (ТУ)

Test bench and different types of PEMFC for Test bench and different types of PEMFC for teststests..

Росс

ийск

ий Н

аучн

ый

Цен

тр “

Курч

атов

ский

Инс

титу

т”

В 2006 году в рамках федеральной программы выпущен опытный образец энергоустановки на основе твердополимерных топливных элементов (10 кВт)

– РНЦ «Курчатовский институт», ЦНИИ СЭТ, МЭИ. Проект выполнялся при участии НИК НЭП. Новый Госконтракт, направленный на подготовку

производства так же ведется при поддержке бизнесс-структур.

Государственно-частное партнёрствоТвердополимерные ТЭ

НИК НЭП

Росс

ийск

ий Н

аучн

ый

Цен

тр “

Курч

атов

ский

Инс

титу

т”

Установка с твердополимерным ТЭ мощностью 3-5 кВт ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ»

Разработка Ведется по заказу ОАО «Газпром». Батарея производства «Arcotronics Fuel Cells» (Италия) закуплена в рамках проекта МНТЦ

Батарея ТЭ

Действующий прототип установки

Топливный процессор с Pd

мембранами

Росс

ийск

ий Н

аучн

ый

Цен

тр “

Курч

атов

ский

Инс

титу

т”

ПРОБЛЕМЫ

Высокая стоимостьМасштабное применение металлов

платиновой группы (в первую очередь – платины)

Недостаточный ресурс

Росс

ийск

ий Н

аучн

ый

Цен

тр “

Курч

атов

ский

Инс

титу

т”

Нанотехнологии для водородной энергетики

нанокатализаторы для электролизеров и топливных элементов (увеличение удельной производительности, снижение расхода металлов платиновой группы, кардинальное повышение срока службы);

наноструктурированные мембраны и элементы (для систем получения и очистки водорода, для водородных сенсоров);

нанопленки, наноструктуры, нанопокрытия для пассивных элементов водородной безопасности.

Росс

ийск

ий Н

аучн

ый

Цен

тр “

Курч

атов

ский

Инс

титу

т”

Моделирование процессов и материалов водородной энергетики

Stoichiometric ratio of anode flow, rel.

2 4 6 8 10 12

Sto

ichi

omet

ric ra

tio o

f cat

hode

flow

, rel

.

2

3

4

5

6

ГЕНЕРАЦИЯ, РАСПРОСТРАНЕНИЕ, ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВЫ ВОДОРОДА

ВОДНО-ГАЗОВЫЙ РЕЖИМ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

РОСТ И САМООРГАНИЗАЦИЯ СТРУКТУР НА ПОВЕРХНОСТИ

Росс

ийск

ий Н

аучн

ый

Цен

тр “

Курч

атов

ский

Инс

титу

т”

Электронные фотографии (х 5000) различных разработанных

нанокатализаторов для электролизеров и топливных

элементов

Стендовая водородно-воздушная ТПЭ ТЭ батарея

мощностью 1 кВт

• Увеличение производительности на 20%• Снижение расхода металлов платиновой группы в 2-3 раза• Повышение срока службы электрокатализаторов на 30-50%

Промышленный образец ТПЭ электролизера

Производительность 2 нм3/час

Рабочее давление 3 МРа

Мощность 8,3 kW

Нанотехнологии для водородной энергетики a)

b)

Росс

ийск

ий Н

аучн

ый

Цен

тр “

Курч

атов

ский

Инс

титу

т”

Нанопленки и нанокомпозитные материалы: плазменные Нанопленки и нанокомпозитные материалы: плазменные методы полученияметоды получения

Технология получения нанопленок и наноламинатов послойным химическим

осаждением в плазме

Технология синтеза материалов с использованием эффекта захвата

наночастиц плазмой

Продувка

Динамика коагуляции

Росс

ийск

ий Н

аучн

ый

Цен

тр “

Курч

атов

ский

Инс

титу

т”

Наноматериалы для водородной энергетики КОМПОЗИТНЫЕ МЕМБРАНЫ НА ОСНОВЕ СПЛАВОВ ПАЛЛАДИЯ И ПОРИСТОЙ

КЕРАМИКИ С НАНОСТРУКТУРНЫМ ПОВЕРХНОСТНЫМ СЛОЕМ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОЧИСТОГО ВОДОРОДА

Использование эффектов структурной эволюции Рd-содержащих сплавов для повышения селективности и производительности

Мембранно-каталитический реактор

Росс

ийск

ий Н

аучн

ый

Цен

тр “

Курч

атов

ский

Инс

титу

т”

Применение наноуглеродных материалов, наноструктурных металлогидридов, модификация поверхности сорбентов, изменение ее структуры и пр.) может обеспечить достижение 10% масс. по водороду.

Технологии хранения водородаНаноматериалы для водородной энергетики

в виде сжатого газа (200 - 700 атм и более);

в жидком виде в криогенных условиях;

в виде жидких углеводородов, спиртов с возможностью коверсии на борту транспортного средства;

в химически связанной форме (включая гидриды металлов);

в физически связанной (сорбированной) форме.

Росс

ийск

ий Н

аучн

ый

Цен

тр “

Курч

атов

ский

Инс

титу

т”

Водородная безопасность, коды и стандарты

Проведение теоретических и экспериментальных исследований в обеспечение водородной безопасности. Разработка математических моделей и программного обеспечения.

Разработка и создание новых методов и технических средств обеспечения пожаровзрывобезопасности водородных технологий и систем. (Датчики, дожигатели с наноструктурными катализаторами)

Научное сопровождение разработки национальных стандартов и кодов водородной безопасности и их гармонизация с международными нормативными документами.

200

100

60

30

Росс

ийск

ий Н

аучн

ый

Цен

тр “

Курч

атов

ский

Инс

титу

т”

ПЕРЕХОД К ВОДОРОДНОЙ ЭКОНОМИКЕ• США• НИОКР и демонстрационные проекты – 2000-2030 гг.• Коммерциализация (начальная стадия) – 2004-2015 гг.• Создание инфраструктуры, развитие рынков – 2005-2038 гг.• Переход к водородной экономике – 2022-2045 гг.• РОССИЯ (финансируемые проекты)• НИОКР 2000-2009 гг.• Коммерциализация (начальная стадия) - 2009-2015 гг.• Создание инфраструктуры, развитие рынков - ?????• Переход к водородной экономике - ?????

Государственная поддержка проектов останется доминирующей до 2015-2020 гг.!Отсутствие эффективной мотивации регионов и бизнес-структур; отсутствие программы демонстрационных проектов водородной энергетики в регионах и России в целом – может привести к отставанию в темпах перехода к водородной экономике!

Росс

ийск

ий Н

аучн

ый

Цен

тр “

Курч

атов

ский

Инс

титу

т”

НЕОБХОДИМЫЕ ДЕМОНСТРАЦИОННЫЕ ПРОЕКТЫ: «ВОДОРОДНАЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ

ЭНЕРГЕТИКА»О.С.Попель

Росс

ийск

ий Н

аучн

ый

Цен

тр “

Курч

атов

ский

Инс

титу

т”

ПЭС

Электролизер

Кратковременное хранение водорода

•абсорбция•баллоны•ожижение•нанотехнологии и др.

Инфраструктура хранения, транспорта и потребления водорода

(топливные элементы, ДВС, каталитические системы генерации тепла, станции водородной заправки)

пресная вода

водоподготовка

100 нм3/час

Электричество

Блок на 400 кВт

кислород

ФГУ РНЦ “Курчатовский институт”Институт водородной энергетики и плазменных технологий

ФГУ РНЦ “Курчатовский институт”Институт инновационной энергетики

ФГУ РНЦ “Курчатовский институт”Институт ядерных реакторов

Проработка демонстрационного проекта использования водородного аккумулирования энергии на Северной приливной

электростанции (ОАО «НИИЭС» и РНЦ «Курчатовский институт»)

Росс

ийск

ий Н

аучн

ый

Цен

тр “

Курч

атов

ский

Инс

титу

т”

БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ

ФГУ РНЦ “Курчатовский институт”Институт водородной энергетики и плазменных технологий