С генератором по жизни. Сибирские ученые прокладывают путь к портативной энергетике

Дым от ТЭЦ в буквальном смысле отравляет жизнь. Мечты об экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике во многих странах становятся явью, и у российских ученых тоже есть передовые разработки в этой сфере. Путь к новым источникам энергии открывают топливные элементы. Принцип их действия был сформулирован еще в 1839 году английским ученым Уильямом Робертом Грове, обнаружившим, что процесс электролиза обратим. То есть водород и кислород можно объединить в молекулы воды без горения, но с выделением тепла и электричества. Прибор, в котором удалось провести эту реакцию, ученый назвал «газовой батареей», это и был первый топливный элемент. Так родилась идея превратить энергию топлива в электрическую без промежуточных стадий, избежав потерь: у твердооксидного топливного элемента КПД может достигать 70%, что недостижимо для прочих устройств генерации электроэнергии.

– Среди многообразия топливных элементов, а они бывают низкотемпературные с полимерной мембраной, высокотемпературные с различными щелочными или кислотными электролитами и др., твердооксидные стоят особняком, так как могут использовать в качестве топлива и углеводороды, например, природный газ (метан), – поясняет руководитель проекта, директор Института химии твердого тела и механохимии (ИХТТМ) СО РАН член-корреспондент РАН Александр Немудрый (на снимке). – Правда, метан для начала необходимо перевести в синтез-газ в специальном устройстве – риформере. Что удобно: температуры реакции конверсии метана и работы топливного элемента совпадают – примерно 8000C, поэтому оба процесса можно совместить в одном устройстве – компактном электрохимическом генераторе.

– МТ ТОТЭ можно нагревать достаточно быстро, поскольку трубчатая геометрия компенсирует тепловые шоки, особенно если использовать микротрубки, где тонкие слои и пористая подложка, – комментирует представитель индустриального партнера проекта, генеральный директор ООО „Научно-исследовательский центр «ТОПАЗ»“ Александр Сивак. – Нам всем знакома ситуация: разрядился гаджет, а розетки поблизости нет. Наша разработка позволит решить эту проблему достаточно просто: можно носить в рюкзаке баллончик с газом, в случае необходимости подключать его к устройству, в котором риформер метана в синтез-газ скомбинирован с микротрубчатым модулем, генерирующим электроэнергию, и через пять минут начинать зарядку смартфона или самоката. Ниша портативных генераторов для маломощных устройств сейчас занята литий-ионными аккумуляторами, но у них небольшая энергоемкость, да и время жизни ограничены. А у генератора с МТ ТОТЭ энергоемкость определяется лишь количеством газа, который у нас с собой. Устройство можно включать и выключать по необходимости, баллончик – вновь наполнять газом.

– Мы как химики твердого тела хорошо понимаем электродные процессы. Наши коллеги из Института катализа СО РАН специализируются на каталитических процессах риформинга. Мы привлекли к проекту очень сильную группу под руководством профессора Владимира Собянина, – рассказывает А.Немудрый. – Кроме того, в рамках этого проекта сотрудничаем и с Уральским отделением РАН – специалисты Института химии твердого тела УРО РАН будут разрабатывать новые электродные материалы, а еще одна группа уральских ученых займется вспомогательными материалами, без которых не создать портативный электрохимический генератор: герметиками, интерконнекторами. Что касается коллектива проекта, мы просто вынуждены привлекать молодежь: у нас, как и во многих академических институтах, сотрудники делятся на две группы – 60+ и 30-. Но, не скрою, я нашими молодыми ребятами очень доволен: толковые, работящие, энтузиасты, переполнены научными идеями. Словом, хотят и умеют работать, уже прониклись тематикой проекта и засучили рукава. А осенью мы, как и предусматривают условия гранта РНФ, с огромным удовольствием проведем школу для молодых ученых.

– Огромная проблема: при трансформации научной идеи в рыночный продукт преодолеть так называемую «долину смерти». В мире признано, что есть классические девять уровней технологической готовности проекта, инжиниринг в различных классификациях занимает от четвертого до шестого-седьмого уровней. Причем большая часть технологий «умирает» именно на этом этапе. Технология проходит научные лаборатории, но не может из академического института «перепрыгнуть» в промышленность. Раньше успешно работала связка «академические институты – отраслевые НИИ – предприятия», но за годы перестройки она, к сожалению, разрушилась. Многочисленные попытки построить какие-то новые механизмы к успеху не приводили. До появления проектов РНФ такого рода. Эти проекты – на мой взгляд – прекрасный пример того, как государство должно участвовать в процессе создания технологий и помогать им развиваться. Надеюсь, правительство заметит, оценит и масштабирует опыт Российского научного фонда, – подчеркивает Немудрый.

– После окончания проекта компания НИЦ «ТОПАЗ» должна использовать результаты сделанных нами фундаментальных разработок и к 2027 году вывести на рынок новые изделия, перспективные для ниши маломощных (от 30 до 300 ватт) электрохимических источников питания, необходимых и в домашнем хозяйстве, и для питания автономной электроники, и в качестве изделий двойного назначения. Кроме того, НИЦ «ТОПАЗ» поможет нам решить технологические и инжиниринговые задачи в создании прототипов: скажем, мы изготавливаем единичный микротрубчатый ТОТЭ, но надо же 30 трубочек между собой соединить, подать на них кислород, подвести тепло, снять полученную электроэнергию. Не могу не отметить удачный симбиоз с инжиниринговой компанией, которая берет на себя решение этих проблем. А затем они – конечно, с нашим научным сопровождением – превратят лабораторный прототип в опытный образец, доведут его до производства и начнут выводить на рынок, – добавляет Александр Петрович.

– Укрепление позиций России в мировой энергетике предсмотрено «Энергетической стратегией РФ на период до 2035 года». Мы сейчас догоняем Японию и Германию в области разработки планарных топливных элементов: Институт физики твердого тела РАН готовит стационарные установки на их основе к промышленному производству. В случае с микротрубчатыми твердооксидными топливными элементами у нас есть шанс вырваться вперед: если работы по их применению и ведутся, то исключительно военными, а в научных исследованиях наш уровень вполне соответствует мировому, – комментирует директор ИХТТМ. – Выполнение проекта РНФ приведет не только к решению фундаментальных и прикладных научных задач, но и к созданию новых технологий риформинга, новых электродных материалов и, наконец, перспективных энергетических установок российского производства. А учитывая, что баллончики с газом понадобится где-то заправлять, надеюсь, вскоре речь пойдет и об опережающем создании объектов распределенной инфраструктуры энергетики.

Источник: www.rscf.ru