Водородное погружение
Двадцатого октября магистранты кафедры возобновляемых источников энергии Губкинского университета побывали с экскурсией на производственной площадке московской компании «ИнЭнерджи», работающей в сфере водородной энергетики, после чего встретились со специалистами Центра компетенции по технологиям новых и мобильных источников энергии, который действует на базе Института проблем химической физики РАН.
Не зря говорят, что лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать. Представление о том, что водородная энергетика - это нечто эфемерное, существующее только в виде перспективных проектов, быстро рассеялось. В беседе с ребятами сотрудник центра компетенции Илья Шолин остановился на основных проблемах, с которыми сталкиваются учёные и инженеры при работе с водородными источниками энергии, и продемонстрировал несколько опытов.
От стратегии...
Водородная энергетика делится на два больших направления. В первом водород используется как источник энергии, во втором - как средство её хранения. В нашей стране принята Концепция развития водородной энергетики, и ею занялись крупные госкорпорации. «Газпром» рассматривает водород как источник энергии. Идея в том, чтобы от природного газа, при сжигании которого в основном образуется СО2, перейти к сжиганию водорода. Однако для этого сначала нужно в водород преобразовать метан, каким-то образом связав углерод. В свою очередь для «Росатома» водород является средством хранения энергии. Каким образом? С помощью электролизёров можно излишки энергии АЭС преобразовать в водородное топливо, а его уже - использовать тогда и там, где потребуется энергия.
Если смотреть относительно функций топливного элемента, то электролизёр обеспечивает обратное преобразование. Он превращает воду в молекулярный водород. Комплект из электролизёра, хранилища водорода и топливного элемента представляет собой аккумулятор.
В случае «Росатома» речь идёт не только о том, чтобы продавать запасённую в виде водорода энергию. Атомщики готовы использовать водород для производственной оптимизации. Дело в том, что ночью АЭС загружены слабо, но по технологическим причинам останавливать и перезапускать атомные энергоблоки нельзя, так что их ночная работа малоэффективна. Поэтому «Росатом» планирует при электростанциях строить крупные электролизные производства, системы хранения водорода и его преобразования в электроэнергию. Это позволит по ночам запасать топливо, а днём его тратить. Выровняв таким образом нагрузку на турбогенераторы АЭС, можно снизить единичную мощность атомного реактора.
...к её реализации
Ребятам интересно было взглянуть на лабораторное оборудование, которое используется при обучении в сфере водородной энергетики и для проведения опытов. Это сами топливные элементы, баллончики для хранения газа, электролизёры разной мощности.
Несмотря на ознакомительный характер занятия, Илья Шолин раскрыл некоторые тонкости, касающиеся устройства топливных элементов с протонопроводящей мембраной. Например, к камере с водородом подводятся две трубки. Через одну из них подаётся водород, а вторая служит для периодической продувки топливного элемента. Зачем?
Мембрана топливного элемента непроницаема для электронов. При этом сквозь неё в одну сторону проходят ионы водорода, а в обратном направлении просачивается азот. Постепенно в камере с водородом увеличивается концентрация азота, отчего вырабатываемая элементом мощность падает.
Продувка как раз и помогает справиться с этим явлением. Второй патрубок водородной камеры присоединяют к клапану, который периодически открывается для выпуска газа. После каждого такого выпуска в камере восстанавливается высокая концентрация водорода, а с ней возобновляется и мгновенная электрическая мощность, вырабатываемая топливным элементом.
Искусство компромиссов
Проблемы хранения и транспортировки водорода заставляют учёных и инженеров искать и принимать непростые решения. В жидком виде водород занимает весьма малый объём, но на сжижение газа уходит много энергии. Кроме того, время хранения жидкого водорода ограничено из-за его постепенного нагревания и испарения. На сжатие водорода для хранения при высоком давлении тоже требуется много энергии. Да при этом ещё нужны специальные высокопрочные баллоны из композитных материалов. Но даже при давлении в сотни атмосфер объёмная плотность энергии оставляет желать лучшего по сравнению с таковой у бензина и дизельного топлива.
и измерения их характеристик
Если же говорить о связанном состоянии водорода (иначе говоря, о гидрировании металлов, сплавов и интерметаллических соединений), то здесь возникают накладные расходы в виде дополнительной массы, которую приходится перевозить при транспортировке связанного водорода. Это особенно нежелательно для авиации. Кстати, водород в связанном виде обычно используется в лабораторных экспериментах, и Илья Шолин показал магистрантам баллончики, в которых газ содержится в форме гидрида металла. Когда давление превышает 12 атмосфер, газ переходит в связанную форму (баллончик заряжается), а когда оно падает ниже этого порога, водород выделяется в виде газа. Для зарядки этих баллончиков используются портативные электролизёры HydroFill Pro размером с двухлитровую банку.
Теорию - в практику
Курсовые и выпускные работы магистрантов кафедры ВИЭ нацелены на решение актуальных производственных задач. Так, второкурсник Артём Кортиков исследует возможности производства водорода на НПЗ с применением возобновляемых источников энергии. Водород там необходим для удаления из нефтепродуктов загрязняющих сернистых и азотистых соединений.
«Ещё до экскурсии я знал, что водородная энергетика активно развивается, - поделился впечатлениями другой магистрант второго года обучения, Никита Вахонин. - Но меня удивило, что в России существует столь высокотехнологичное предприятие, которое успешно занимается топливными элементами. На экскурсии я убедился, что водородная энергетика имеет большие перспективы в самых разных областях, от товаров народного потребления до тяжёлой промышленности.
Даниил Рега удивлён другому: «Оказывается, водородная энергетика - это не только про большие производства, заводы и машины, но и про миниатюрные устройства для домашнего использования. Вот, например, производимые компанией эргономичные устройства с приятным дизайном. Аккумуляторы на десять литров водорода, похожие на обычные батарейки; миниатюрные топливные элементы, которые помещаются на ладони; простые электролизёры - достаточно налить в них дистиллированную воду и включить шнур в розетку...»
Кстати, для глубокого погружения в водородную тематику не обязательно учиться в магистратуре. Центр компетенции проводит технологический конкурс «Первый элемент», на котором школьники соревнуются в гонках самостоятельно спроектированных и построенных моделей электромобилей, работающих на водородном топливном элементе.
Читайте другие наши материалы
