НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

1. ФГУ РНЦ “Курчатовский институт” Институт водородной энергетики и плазменных технологий НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ _____________________________________________________________________________ В.Н.Фатеев Институт Водородной Энергетики и Плазменных Технологий РНЦ «Курчатовский институт» Пл.Курчатова 1, Москва fat@hepti.kiae.ru Москва, МИРЭА 5 ноября 2008 Российский Научный Центр “Курчатовский Институт”

2. 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

3. 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)

4. ВОДА Электролиз, термохимические циклы Электрическая и тепловая энергия (АЭС, возобновляемые источники энергии) Ископаемое и синтетическое топливо Н2 Конверсия Тепловая энергия (Высокотемпературные реактора) Конверсия Тепловая энергия (Высокотемпературные реактора) Биомасса, биоэтанол модульный гелиевый реактор ПРОИЗВОДСТВО ВОДОРОДА

5. Н2 Газообразный водород в баллонах (20-70 МПа) (5-10 % Н2) Жидкий водород (15 % 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) ХРАНЕНИЕ И ТРАНСПОРТИРОВКА ВОДОРОДА

6. Н2 Двигатели внутреннего сгорания КПД до 40% Пароперегрев для турбин Повышение КПД на 1,5-3% Топливные элементы КПД 40-60% (до 85 % с утилизацией тепла) Отсутствие токсичных выбросов ПРИМЕНЕНИЕ ВОДОРОДА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭНЕРГИИ

7. Электролизеры с ТПЭ - энергопотребление 4.0-4.2 kВт*час/м3 H2t=90C- Чистота водорода > 99.99%- Достигнутый расход платиновых металлов в каталитических слоях: 2,0-3.0 mg/cm2 - Срок службы > 20000 часов Разработаны и производятся электролизеры с производительностью до 2 м3/часи давлением до 30 атм (их усовершенствование в рамках GenHyPEM FP 6 Project) иразрабатывается электролизер на 10 м3/час, 130 атм (проект ФАНИ)

8. Некоторые достижения в области водородной энергетики в России Созданы высокоэффективные системы и установки (на основе плазменной конверсии углеводородов) получения водорода производительностью 10-1000 м3/час, в частности для инфраструктурыобеспечения водородом экологически чистого транспорта Созданы современные мембранные технологии и системы разделения газов, получения и очистки водорода Созданы эффективные каталитические дожигатели и датчики водорода для обеспечения водородной безопасности

9. ПЛАЗМЕННАЯ И МЕМБРАННО-КАТАЛИТИЧЕСКАЯ КОНВЕРСИЯ МОТОРНЫХ ТОПЛИВ В ВОДОРОД (СИНТЕЗ-ГАЗ) • БЕНЗО – ВОДОРОДНОЕ • КОМБИНИРОВАННОЕ ТОПЛИВО • ДЛЯ • ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО • СГОРАНГИЯ • ОЧИСТКА ВЫХЛОПА • ДИЗЕЛЬНОГО • ДВИГАТЕЛЯ • ОТ ОКСИДОВ АЗОТА • БОРТОВОЙ ГЕНЕРАТОР ВОДОРОДА • ДЛЯ ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА • ВОДОРОДНОГО ТРАНСПОРТА • - СУДА, ЛОКОМОТИВЫ • (ПЕРСПЕКТИВА) КОМПАКТНЫЙ ПЛАЗМЕННЫЙ КОНВЕРТОР ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СУЩЕСТВУЮЩЕЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ ПРОИЗВОДСТВА, ХРАНЕНИЯ, ТРАНСПРТИРОВКИ И ЗАПРАВКИ ЖИДКИХ МОТОРНЫХ ТОПЛИВ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ВОДОРОДОМ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОГО ТРАНСПОРТА

10. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИИ: мембранно-каталитическая технология плазменно-мембранная технология • объединение двух или всех трех стадий в одном устройстве: • сдвиг химического равновесия • повышение степени конверсии • снижение энергозатрат

11. CxHy CxHy C + H2 MeO + C CO + Me ПЛАЗМЕННО-РАСПЛАВНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЯ, ТВЁРДЫХ И ЖИДКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ CaO Шлак CaS Шлак Расплав Металла ОСНОВНЫЕ СТАДИИ ПРОЦЕССА O2 + H2O • Пиролиз углеводородов с получением Н2 • Растворение углеводородов в расплаве • Химическое растворение О2 в расплаве • Восстановление оксидов металла углеродом с получением СО CxHy+ x/2 O2хCO +у/2 H2

12. Щелочные 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)

13. Твердооксидные ТЭ основные 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. Созданыбатареи планарных ТЭ мощностью до 50 Вт.

14. Твердополимерные ТЭ Основные разработчики: РНЦ «Курчатовский институт», ЦНИИСЭТ, Завод «Красная звезда», МЭИ (ТУ) Test bench and different types of PEMFC for tests.

15. Государственно-частное партнёрство Твердополимерные ТЭ НИК НЭП 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.

16. 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 Топливный процессор с Pd мембранами Действующий прототип установки Батарея ТЭ

17. ПРОБЛЕМЫ Высокая стоимость Масштабное применение металлов платиновой группы (в первую очередь – платины) Недостаточный ресурс

18. Нанотехнологии для водородной энергетики 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.

19. Моделирование процессов и материалов водородной энергетики ВОДНО-ГАЗОВЫЙ РЕЖИМ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ РОСТ И САМООРГАНИЗАЦИЯ СТРУКТУР НА ПОВЕРХНОСТИ ГЕНЕРАЦИЯ, РАСПРОСТРАНЕНИЕ, ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВЫ ВОДОРОДА

20. Нанотехнологии для водородной энергетики a) b) Производительность 2 нм3/час Рабочее давление 3 МРа Мощность 8,3 kW 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

21. Нанопленки и нанокомпозитные материалы: плазменные методы получения Технология синтеза материалов с использованием эффекта захвата наночастиц плазмой Технология получения нанопленок и наноламинатов послойным химическим осаждением в плазме Продувка Динамика коагуляции

22. 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

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

24. 60 100 200 30 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.

25. 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!

26. НЕОБХОДИМЫЕ ДЕМОНСТРАЦИОННЫЕ ПРОЕКТЫ: «ВОДОРОДНАЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА» О.С.Попель

27. Схема водородного технологического комплекса (применительно к ПЭС) 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») пресная вода водоподготовка кислород ПЭС Блок на 400 кВт Электролизер 100 нм3/час • Кратковременное хранение водорода • абсорбция • баллоны • ожижение • нанотехнологии и др. Электричество Инфраструктура хранения, транспорта и потребления водорода (топливные элементы, ДВС, каталитические системы генерации тепла, станции водородной заправки)

28. Acknowledgement to FASI (Rosnauka)THANK YOU FOR YOU ATENTION ФГУ РНЦ “Курчатовский институт” Институт водородной энергетики и плазменных технологий БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ