РНЦ «Курчатовский институт

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВОДОРОДНОЙ
ЭНЕРГЕТИКИ
_____________________________________________________________________________
Институт Водородной Энергетики и Плазменных
Технологий РНЦ «Курчатовский институт»
Пл.Курчатова 1, Москва
fat@hepti.kiae.ru
Москва, МИРЭА 5 ноября 2008
ФГУ РНЦ “Курчатовский институт”
Институт водородной энергетики и плазменных технологий
Российский Научный Центр “Курчатовский Институт”
В.Н.Фатеев
ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА – энергетика,
базирующаяся на водороде, как энергоносителе,
относится к критическим технологиям
ЭКОНОМИКА
решение
экологических,
экономических,
социальных проблем и обеспечение устойчивого
развития и энергетической безопасности на
долгосрочную перспективу
Российский Научный Центр “Курчатовский Институт”
ВОДОРОДНАЯ
(ЭНЕРГЕТИКА) –
ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
– основные направления
Новые технологии производства водорода
Применение водорода для производства
энергии
Водородная безопасность, коды и стандарты
Образование (подготовка и переподготовка
специалистов)
Российский Научный Центр “Курчатовский Институт”
Хранение, транспортировка и распределение
водорода
ВОДА
Электролиз, термохимические циклы
Электрическая и тепловая энергия
Ископаемое и
синтетическое
топливо
Биомасса,
биоэтанол
Конверсия
Тепловая энергия
(Высокотемпературные реактора)
Н2
Конверсия
Тепловая энергия
(Высокотемпературные
реактора)
модульный гелиевый реактор
ПРОИЗВОДСТВО ВОДОРОДА
Российский Научный Центр “Курчатовский Институт”
(АЭС, возобновляемые источники энергии)
(15 % Н2)
Газообразный
водород в баллонах
(20-70 МПа)
(5-10 % Н2)
Гидриды металлов
и сплавов
Химические реагенты
(NaBH4, Al и т.п.)
Углеродные
наноструктуры
(до 7 % Н2)
(до 12 % Н2)
(до 20 % Н2 ?)
Газгольдеры
Трубопроводы
(неограниченные
объемы хранения)
(неограниченные
объемы
транспортировки)
ХРАНЕНИЕ И ТРАНСПОРТИРОВКА ВОДОРОДА
Российский Научный Центр “Курчатовский Институт”
Жидкий
водород
Н2
Н2
Двигатели
внутреннего
сгорания
КПД до 40%
Пароперегрев
для турбин
Повышение КПД на
1,5-3%
КПД 40-60%
(до 85 % с утилизацией тепла)
Отсутствие токсичных выбросов
Российский Научный Центр “Курчатовский Институт”
Топливные элементы
ПРИМЕНЕНИЕ ВОДОРОДА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА
ЭНЕРГИИ
- энергопотребление 4.0-4.2 kВт*час/м3 H2 t=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/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)
Российский Научный Центр “Курчатовский Институт”
Электролизеры с ТПЭ
Некоторые достижения в области водородной энергетики в
России
Созданы современные
мембранные технологии и
системы разделения газов,
получения и очистки водорода
Созданы эффективные
каталитические дожигатели и
датчики водорода для обеспечения
водородной безопасности
Российский Научный Центр “Курчатовский Институт”
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
ПЛАЗМЕННАЯ И МЕМБРАННО-КАТАЛИТИЧЕСКАЯ
КОНВЕРСИЯ МОТОРНЫХ ТОПЛИВ В ВОДОРОД
(СИНТЕЗ-ГАЗ)
БЕНЗО – ВОДОРОДНОЕ
КОМБИНИРОВАННОЕ ТОПЛИВО
ДЛЯ
ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО
СГОРАНГИЯ
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
Российский Научный Центр “Курчатовский Институт”
ОЧИСТКА ВЫХЛОПА
ДИЗЕЛЬНОГО
ДВИГАТЕЛЯ
ОТ ОКСИДОВ АЗОТА
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИИ:
объединение двух или всех трех стадий в одном устройстве:
 сдвиг химического равновесия
 повышение степени конверсии
 снижение энергозатрат
Российский Научный Центр “Курчатовский Институт”
мембранно-каталитическая
технология
плазменно-мембранная технология
ПЛАЗМЕННО-РАСПЛАВНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЯ, ТВЁРДЫХ И
ЖИДКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ
CaO
Шлак
CxHy
CaS
Шлак
C + H2
MeO + C
CO + Me
Расплав Металла
O2 + H2O
ОСНОВНЫЕ СТАДИИ ПРОЦЕССА
 Пиролиз углеводородов с получением Н2
CxHy + x/2 O2
хCO +у/2 H2
 Растворение углеводородов в расплаве
 Химическое растворение О2 в расплаве
 Восстановление оксидов металла углеродом
с получением СО
Российский Научный Центр “Курчатовский Институт”
CxHy
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)
Российский Научный Центр “Курчатовский Институт”
Щелочные ТЭ
Твердооксидные ТЭ
основные
разработчики:
Российский Научный Центр “Курчатовский Институт”
РФЯЦ-ВНИИТФ, ФЭИ, РФЯЦВНИИЭФ,
Институт
высокотемпературной
электрохимии
Создана 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.
Твердополимерные ТЭ
Test bench and different types of PEMFC for tests.
Российский Научный Центр “Курчатовский Институт”
Основные разработчики: РНЦ «Курчатовский
институт», ЦНИИСЭТ, Завод «Красная звезда»,
МЭИ (ТУ)
Государственно-частное партнёрство
Твердополимерные ТЭ
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.
Российский Научный Центр “Курчатовский Институт”
НИК НЭП
Установка с твердополимерным ТЭ мощностью 3-5 кВт
ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ»
Топливный
процессор с Pd
мембранами
Действующий
прототип установки
Батарея ТЭ
Российский Научный Центр “Курчатовский Институт”
Разработка Ведется по заказу ОАО «Газпром». Батарея производства «Arcotronics
Fuel Cells» (Италия) закуплена в рамках проекта МНТЦ
Высокая стоимость
Масштабное
применение
металлов
платиновой группы (в первую очередь –
платины)
Недостаточный ресурс
Российский Научный Центр “Курчатовский Институт”
ПРОБЛЕМЫ
Нанотехнологии для водородной
энергетики
наноструктурированные мембраны
и элементы (для систем получения
и очистки водорода, для
водородных сенсоров);
нанопленки, наноструктуры,
нанопокрытия для пассивных
элементов водородной
безопасности.
Российский Научный Центр “Курчатовский Институт”
нанокатализаторы для
электролизеров и топливных
элементов (увеличение удельной
производительности, снижение
расхода металлов платиновой
группы, кардинальное повышение
срока службы);
Моделирование процессов и материалов
водородной энергетики
ВОДНО-ГАЗОВЫЙ РЕЖИМ ТОПЛИВНЫХ
ЭЛЕМЕНТОВ
ГЕНЕРАЦИЯ, РАСПРОСТРАНЕНИЕ, ГОРЕНИЕ,
ВЗРЫВЫ ВОДОРОДА
Российский Научный Центр “Курчатовский Институт”
РОСТ И САМООРГАНИЗАЦИЯ
СТРУКТУР НА ПОВЕРХНОСТИ
Нанотехнологии для водородной
a)
энергетики
Производительность 2 нм3/час
Рабочее давление
Мощность
3 МРа
b)
8,3 kW
Стендовая водородновоздушная ТПЭ ТЭ батарея
мощностью 1 кВт
• Увеличение производительности на 20%
• Снижение расхода металлов платиновой
Промышленный образец
ТПЭ электролизера
группы в 2-3 раза
• Повышение срока службы
электрокатализаторов на 30-50%
Российский Научный Центр “Курчатовский Институт”
Электронные фотографии (х
5000) различных разработанных
нанокатализаторов для
электролизеров и топливных
элементов
Нанопленки и нанокомпозитные материалы: плазменные
методы получения
Технология получения нанопленок и
наноламинатов послойным химическим
осаждением в плазме
Продувка
Динамика коагуляции
Российский Научный Центр “Курчатовский Институт”
Технология синтеза материалов
с использованием эффекта захвата
наночастиц плазмой
Наноматериалы для водородной энергетики
КОМПОЗИТНЫЕ МЕМБРАНЫ НА ОСНОВЕ СПЛАВОВ ПАЛЛАДИЯ И ПОРИСТОЙ
КЕРАМИКИ С НАНОСТРУКТУРНЫМ ПОВЕРХНОСТНЫМ СЛОЕМ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ
Использование
эффектов структурной
эволюции
Рdсодержащих
сплавов
для
повышения
селективности
и
производительности
Мембранно-каталитический реактор
Российский Научный Центр “Курчатовский Институт”
ВЫСОКОЧИСТОГО ВОДОРОДА
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 физически связанной (сорбированной)
форме.
Применение наноуглеродных
материалов, наноструктурных
металлогидридов, модификация
поверхности сорбентов, изменение ее
структуры и пр.) может обеспечить
достижение 10% масс. по водороду.
Российский Научный Центр “Курчатовский Институт”
в химически связанной форме (включая
гидриды металлов);
Водородная безопасность, коды и
стандарты
Проведение теоретических и
экспериментальных исследований в
обеспечение водородной безопасности.
Разработка математических моделей и
программного обеспечения.
60
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
30
Российский Научный Центр “Курчатовский Институт”
100
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!
Российский Научный Центр “Курчатовский Институт”
•
НЕОБХОДИМЫЕ ДЕМОНСТРАЦИОННЫЕ
ПРОЕКТЫ: «ВОДОРОДНАЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ
ЭНЕРГЕТИКА»
Российский Научный Центр “Курчатовский Институт”
О.С.Попель
Проработка демонстрационного проекта использования
водородного аккумулирования энергии на Северной приливной
электростанции (ОАО «НИИЭС» и РНЦ «Курчатовский
институт»)
пресная вода
Блок на
400 кВт
Электричество
водоподготовка
кислород
Электролизер
100 нм3/час
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)
ФГУ РНЦ “Курчатовский институт”
ФГУ РНЦ “Курчатовский институт”
ФГУ РНЦ “Курчатовский институт”
Институт водородной энергетики и плазменных технологий
Институт ядерных реакторов
Институт инновационной энергетики
Российский Научный Центр “Курчатовский Институт”
ПЭС
ФГУ РНЦ “Курчатовский институт”
Институт водородной энергетики и плазменных технологий
Российский Научный Центр “Курчатовский Институт”
БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ