Водородные технологии имеют практические преимущества в транспорте и энергетике. При использовании водорода в топливных элементах вырабатывается электричество, а единственным продуктом реакции является вода, что делает такие решения экологически более чистыми по сравнению с традиционными видами топлива. Кроме того, водород позволяет сочетать быстрое восполнение запаса энергии с высокой дальностью пробега, что особенно важно для коммерческого, грузового и специализированного транспорта. Вместе с тем переход от экспериментальных проектов к реальному применению водородных технологий требует надежных и экономически обоснованных способов получения данного химического элемента.
Значительная часть существующих ограничений связана именно с этапом производства водорода. Сегодня в промышленности преобладают крупнотоннажные централизованные установки, требующие сложной инфраструктуры и значительных капитальных затрат. Для России с ее протяженной территорией, развитой газотранспортной сетью и большими расстояниями между потребителями более рациональным становится локальный подход – производство водорода непосредственно на месте его использования, в том числе в составе водородных заправочных станций.
Ключевым элементом таких станций является реактор получения водорода, в котором природный газ преобразуется в водород в ходе каталитического процесса – паровой конверсии метана. Именно характеристики катализатора во многом определяют эффективность работы установки, ее надежность и срок службы.
При этом стандартные промышленные каталитические материалы, рассчитанные на крупные реакторы, плохо приспособлены к условиям малых установок. В компактных системах они нарушают тепломассообмен, недостаточно устойчивы к механическим нагрузкам и быстрее деградируют при циклической эксплуатации, что существенно ограничивает их применение в составе водородных заправочных станций.
«Совместно с российской компанией ООО “Инзарус”, специализирующейся на разработке мобильных и стационарных водородных заправочных станций, нами создан отечественный катализатор на основе алюмокальцийоксидного носителя и никеля в роли активного компонента – доступного и хорошо изученного материала, широко применяемого в процессах паровой конверсии метана. В отличие от традиционных больших цилиндрических гранул с каналами, катализатор формуется в виде компактных черенков, устойчивых к разрушению при загрузке и эксплуатации, термическому спеканию и дезактивации. Такой подход позволяет эффективно использовать катализатор именно в малотоннажных заправочных станциях», – рассказал руководитель проекта, доцент СПбГЭТУ «ЛЭТИ», заведующий лабораторией материалов и процессов водородной энергетики ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН Вадим Игоревич Попков.
Результаты каталитических испытаний показали, что разработанный материал обладает высокой каталитической активностью и сохраняет стабильность на протяжении длительных циклов работы. Важно, что катализатор демонстрирует повышенную устойчивость к примесям, содержащимся в природном газе, которые в реальных условиях эксплуатации часто приводят к быстрой дезактивации промышленных материалов. По ряду параметров он превосходит известные отечественные и зарубежные коммерческие аналоги, применяемые на крупнотоннажных промышленных установках, несмотря на принципиально иные условия эксплуатации.
Как подчеркивают участники проекта, достижение таких характеристик потребовало точной настройки параметров формования и термообработки материала.
«Мы последовательно подбирали геометрию гранул, пористость и режимы термообработки, поскольку даже незначительные отклонения этих параметров существенно влияют на кинетику реакции и срок службы катализатора», – пояснила старший научный сотрудник лаборатории материалов и процессов водородной энергетики ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, доцент СПбГТИ (ТУ) Анна Николаевна Матвеева.
Создание катализатора ведется в тесной связке с проектированием и разработкой объектов распределенной водородной заправочной инфраструктуры. Мобильные и стационарные водородные заправочные станции создаются совместно с компанией ООО «Инзарус», резидентом фонда «Сколково», специализирующейся в области наукоемких исследований и разработок. Параллельно осуществляется промышленная кооперация с компанией ООО «ПЭТ», расположенной в Санкт-Петербурге и рассматриваемой в качестве будущего производителя разработанных катализаторов.
Такой формат взаимодействия позволяет синхронно адаптировать свойства катализатора и параметры реакторных установок под реальные инженерные решения, обеспечивая непрерывную связь между академической наукой, университетскими исследованиями и промышленным внедрением.
«В перспективе эти разработки позволят развивать отечественную водородную заправочную инфраструктуру вдоль автотрасс, в промышленных зонах и логистических центрах – без зависимости от импорта и с учетом российских условий, задач и приоритетов», – отметил научный сотрудник лаборатории материалов и процессов водородной энергетики ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, ассистент СПбГТИ (ТУ) Шамиль Омарович Омаров.
В ближайших планах – сборка опытно-промышленной установки для масштабирования технологии получения водорода из природного газа и испытания катализатора в условиях, максимально приближенных к реальной эксплуатации. Совместно с инженерами ООО «Инзарус» подбираются геометрия реактора, распределение газовых потоков и температурный профиль будущих установок.
Работа выполнена сотрудниками Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета) и Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» в рамках проекта, поддержанного Фондом содействия инновациям по программе «Старт-1», и реализуется в контексте Десятилетия науки и технологий в России, направленного на развитие прикладных исследований и подготовку научно-технологических решений для реального сектора экономики.
Информация предоставлена СПбГЭТУ «ЛЭТИ»
Источник фото: ru.123rf.com
