«Технопром-2022»: как развивать водородные технологии в современных условиях

Участники консорциума Центра компетенций НТИ «Водород как основа низкоуглеродной экономики» Института катализа СО РАН совместно с представителями заинтересованных предприятий и вузов обсудили на международном форуме технологического развития «Технопром-2022» проблемы развития водородных технологий. Выступающие сделали акцент не только на необходимости импортозамещения, но и на важности импортоопережения, на развитии всех отраслей промышленности, применяющих водородные технологии, а также подготовке большого числа востребованных квалифицированных кадров.

Как устроен консорциум Центра компетенций НТИ «Водород как основа низкоуглеродной экономики»

Центр компетенций НТИ «Водород как основа низкоуглеродной экономики» был основан в конце 2021 года. По словам руководителя Центра Павла Снытникова, ФИЦ Институт катализа СО РАН был единогласно выбран в качестве базовой организации для «водородного» Центра.

«Наш институт — единственный в стране, специализирующийся полностью в области катализа и каталитических процессов. Соответственно, не случайно эта организация стала базовой для организации „водородного“ Центра компетенций НТИ, ведь каталитические технологии так или иначе пронизывают все химические технологии, которые фактически составляют основу водородных технологий. Мы говорим не только про водородную энергетику, а про основу для создания новой водородной отрасли в целом», — отметил он.

В консорциум входит 33 организации, из них 10 коммерческих компаний, 10 научных организаций и 13 вузов. «В этом консорциуме проявляется „треугольник Лаврентьева“, когда образование, наука и внедрение составляют единое ядро. Консорциум можно позиционировать как многомерное пересечение таких треугольников, а все работы составляют большое взаимосвязанное пространство», — пояснил Снытников.

Исследования консорциума включают в себя четыре направления. Первое — проект создания водородной заправки, которая могла бы подходить под разные климатические зоны, и в которой были бы реализованы наиболее оптимальные технологии. «Мы решаем не только задачу заправки водородных автомобилей, но также и обратную задачу — за счет разработки новых, стабильных к примесям электрокатализаторов, позволяющих снизить требования по чистоте и качеству водорода для водородных заправок, можно ожидать удешевления процесса получения водорода», — рассказал Павел Снытников.

Проект «Биоводород для генерации электроэнергии» направлен на разработку и испытание макетов электрохимических генераторов на основе твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), которые способны работать на топливных композициях на основе углеводородов и/или оксигенатов, полученных переработкой сырья растительного происхождения.

Проект «Водород для Е-химии и Е-топлива» создан для получения «зеленого» водорода путем электрокаталитического и фотокаталитического разложения воды и/или возобновляемого сырья. Он предполагает развитие технологий использования водорода для фиксации СО2, электрокаталитического синтеза аммиака и получения топлив и ценных химических продуктов из биомассы.

Четвертый проект «Крупнотоннажный водород» связан с решением проблем существующей отрасли. «Здесь сконцентрированы проекты, над которыми мы работаем для модернизации существующих производств, увеличения эффективности получения водорода, выделения и утилизации СО2. Получается цепочка полного цикла», — пояснил Снытников.

Также Павел Снытников отметил возможности Института катализа СО РАН для развития криогенной технологии сжижения водорода. «Сейчас много где обсуждается возможность получения жидкого водорода для транспортировки на дальние расстояния. Институт катализа обладает технологией синтеза катализаторов орто-пара-конверсии водорода, очистки его от микропримесей, что необходимо для создания криогенной технологии. Мы сотрудничаем с МГТУ им. Баумана и готовы представить свои компетенции по строительству такого криогенного комплекса», — подчеркнул он.

Водородные технологии: получение и применение

Как рассказал руководитель направления «Водородная энергетика и применение альтернативного топлива» Объединенной двигателестроительной корпорации Алексей Падучев, в части наземной энергетики компания будет заниматься разработкой промышленных газотурбинных двигателей, работающих на водородсодержащем топливе, либо метан-водородной смеси, либо синтез-газе. В части малой энергетики — разработкой энергоустановок, работающих на топливных элементах.

«Мы планируем применять голубой водород. Этот тип водорода, получаемый из природного газа, который будет наиболее привлекательным в ближайшее время. Единственный вопрос, который нам предстоит совместно решить, это как выделять углекислый газ из метан-водородных смесей и как его утилизировать в дальнейшем», — отметил Падучев.

По его словам, в газотурбинных установках, работающих на водороде, планируется модернизировать камеру сгорания — обеспечить ее работу как на водородсодержащем топливе, так и на метане. Для производства водородсодержащего топлива, компания разрабатывает систему преобразования природного газа со сбором и утилизацией углекислого газа.

«Такие установки будут работать как для привода газоперекачивающих гигантов, так и для привода электрогенераторов в составе газо-турбинных электрических станций. Мы планируем создание демонстратора и проведение опытных испытаний к концу 2025 года. К сожалению, рынка таких энергоустановок в нашей стране пока нет, поэтому достаточно сложно привлекать государственное финансирование. Поэтому мы видим единственный путь — создание кооперации, консорциумов, которые также планируют создавать подобного типа продукты», — сказал Алексей Падучев.

По словам руководителя направления Частного учреждения «Наука и инновации» Госкорпорации «Росатом» Мирона Боргулева, «якорный проект и основная ставка в водородной энергетике» госкорпорации — это атомная энерготехнологическая станция на высокотемпературном охлаждаемом реакторе. Это тип реактора, который охлаждается не водой, а гелием в первом контуре и дает очень высокотемпературный пар порядка 750−850 °C и выше. «Сейчас ведутся работы над новыми материалами, которые позволят поднять температуру пара до 1000−1100 °C. На это предусмотрены большие средства. Мы полагаем, что в 2030-х годах этот реактор мы сможем запустить. На нем конверсия метана не потребует сжигания. Это приведет к уменьшению углеродного следа», — отметил он.

Мирон Боргулев добавил, что в Госкорпорации «Росатом» нет криогенных технологий, но есть другие технологии хранения и транспортировки водорода — в частности, металл-гидридное хранение водорода в сплавах хоть и дороже, но имеет свои преимущества в области безопасности. «Что касается транспортировки, мы разрабатываем композитные баллоны, и наша технология позволяет их делать практически бесконечными, то есть трубопроводы. Так же мы рассматриваем аммиак как носитель, и решаем эту проблему совместно с Институтом катализа СО РАН и нашим ядерным центром в Сарове», — сказал Боргулев.

Руководитель пресс-службы Института проблем химической физики РАН, на базе которого создан Центр компетенций НТИ «Новые мобильные источники энергии», Алексей Паевский рассказал о том, что флагманом их Центра стали водородные технологии для транспорта. В ИПХФ РАН занимаются твердополимерными топливными элементами для использования их на транспорте. «Наверное, у нас самые лучшие небольшие топливные элементы для беспилотников и автотранспорта. Мы часто показываем нашу платформу, сделанную совместно с компанией „Эвокарго“. Еще одна важная вещь, которую мы сделали — это первая в России работающая водородная заправка», — сказал Паевский.

Проблемы импортозамещения

В связи с политической ситуацией и закрытием границ водородная отрасль оказалась без комплектующих, в частности, мембран для твердополимерных топливных элементов. «Компонентов у твердополимерного топливного элемента немного, но две вещи не импортозамещены. Первая проблема — газодиффузионный слой, вторая — мембраны. Есть много научных команд, которые могут решить эти проблемы, но надо выйти на промышленный уровень», — сказал Алексей Паевский.

Росатом уже работает в этом направлении импортозамещения. «Мы сильны в материалах и комплектующих, и этот момент стал наиболее востребованным в связи с закрытием границ. Оказалось, что многие амбициозные проекты по водородным технологиям упираются в материалы, которых в стране пока нет. Все планы по твердополимерным топливным элементам начали рушиться, ведь вся мембрана вдруг оказалась американская. Мы пытаемся импортозаместить эти комплектующие», — рассказал Мирон Боргулев. По его словам, в России есть предприятия, способные изготовить материалы для мембран.

В разработке мембранных технологий Госкорпорация «Росатом» идет двумя путями. Один путь — это классическое импортозамещение на фторидных технологиях. Второй путь — более долгий, но, по словам спикера, в перспективе более выигрышный, — это разработка технологий следующего поколения с использованием модифицированных мембран. Работа по второму направлению начата и показывает первые результаты.

Еще одно направление, вызывающее трудности, — экспорт водорода. По словам Паевского, водородные стратегии до недавнего прошлого в основном ориентировались на экспорт: «Сейчас об экспорте придется на время забыть и переориентироваться на внутренний рынок. Нам кажется, главным драйвером водородных технологий в стране станет транспорт — в первую очередь общественный, потом грузовой, возможно, беспилотный. Есть проект водородной магистрали Москва — Казань, а дальше и Китай».

Проблему эксперт видит в том, что российские коллеги, разрабатывающие прототипы водородных автомобилей, делали их не с российскими, а с западными топливными элементами, и теперь им придется менять их. Есть также и другие проблемы, связанные с комплектующими для заправок.

Образование для водородной отрасли

Центр компетенций НТИ «Водород как основа низкоуглеродной экономики» активно готовит кадры в сфере водородной энергетики, и планирует довести подготовку до 500 специалистов в год.

«Очень важно для образовательного направления, что у нас в консорциуме 13 вузов. Совместно с этими вузами мы планируем запустить пять образовательных программ для бакалавриата и магистратуры и более 40 программ дополнительного образования. Стоит отметить, что у нас есть вузы разной направленности. Есть МГУ, НГУ, которые дают фундаментальное образование, и прикладные, как Альметьевский государственный нефтяной институт», — рассказала заместитель руководителя Центра НТИ по образовательному направлению Екатерина Козлова.

По ее словам, консорциуму Центра нужны кадры в разных направлениях водородных технологий — получении, хранении, транспортировке водорода, его использовании, водородного транспорта, безопасности. «Наша цель — не просто готовить ученых и исследователей, а именно научных лидеров, которые могут коммерциализовать эти разработки», — подчеркнула она.

Несмотря на то, что Центр НТИ начал работать в декабре прошлого года, сейчас подготовлено уже более 40 специалистов. «В этом году нам надо подготовить 60 специалистов, но в целом мы хотим дойти до 500 специалистов в год. Мы разработали программу дополнительного образования „Водородная и химическая технология“ совместно с ВятГУ. Мы планируем ее внедрить для обучения наших студентов и сотрудников партнеров консорциума», — отметила Козлова.