Российский Научный Центр Курчатовский Институт НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ _____________________________________________________________________________. - презентация

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

2 Российский Научный Центр Курчатовский Институт 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 Российский Научный Центр Курчатовский Институт 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 Российский Научный Центр Курчатовский Институт ВОДА Ископаемое и синтетическое топливо Биомасса, биоэтанол Электролиз, термохимические циклы Электрическая и тепловая энергия (АЭС, возобновляемые источники энергии) Конверсия Тепловая энергия (Высокотемпературные реактора) Конверсия Тепловая энергия (Высокотемпературные реактора) Н2Н2 модульный гелиевый реактор ПРОИЗВОДСТВО ВОДОРОДА

5 Российский Научный Центр Курчатовский Институт ХРАНЕНИЕ И ТРАНСПОРТИРОВКА ВОДОРОДА Н 2 Жидкий водород (15 % Н 2 ) Газообразный водород в баллонах (20-70 МПа) (5-10 % Н 2 ) Гидриды металлов и сплавов (до 7 % Н 2 ) Химические реагенты (NaBH 4, Al и т.п.) (до 12 % Н 2 ) Углеродные наноструктуры (до 20 % Н 2 ?) Газгольдеры (неограниченные объемы хранения) Трубопроводы (неограниченные объемы транспортировки)

6 Российский Научный Центр Курчатовский Институт ПРИМЕНЕНИЕ ВОДОРОДА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭНЕРГИИ Н2Н2 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

7 Российский Научный Центр Курчатовский Институт Разработаны и производятся электролизеры с производительностью до 2 м 3 /час и давлением до 30 атм (их усовершенствование в рамках GenHyPEM FP 6 Project) и разрабатывается электролизер на 10 м 3 /час, 130 атм (проект ФАНИ) Электролизеры с ТПЭ - энергопотребление kВт*час/м 3 H 2 t=90 C - Чистота водорода > 99.99% - Достигнутый расход платиновых металлов в каталитических слоях: 2,0-3.0 mg/cm 2 - Срок службы > часов

8 Российский Научный Центр Курчатовский Институт Некоторые достижения в области водородной энергетики в России Созданы современные мембранные технологии и системы разделения газов, получения и очистки водорода Созданы высокоэффективные системы и установки (на основе плазменной конверсии углеводородов) получения водорода производительностью м 3 /час, в частности для инфраструктуры обеспечения водородом экологически чистого транспорта Созданы эффективные каталитические дожигатели и датчики водорода для обеспечения водородной безопасности

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

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

11 Российский Научный Центр Курчатовский Институт ПЛАЗМЕННО-РАСПЛАВНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЯ, ТВЁРДЫХ И ЖИДКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ Пиролиз углеводородов с получением Н 2 Растворение углеводородов в расплаве Химическое растворение О 2 в расплаве Восстановление оксидов металла углеродом с получением СО ОСНОВНЫЕ СТАДИИ ПРОЦЕССА Шлак CaS O 2 + H 2 O C x H y C + H 2 MeO + C CO + Me Расплав Металла C x H y + x/2 O 2 хCO +у/2 H 2 CxHyCxHy CaO Шлак

12 Российский Научный Центр Курчатовский Институт Щелочные ТЭ Легендарный Фотон - 10 кВт (УЭХК) Электромобиль ВАЗ 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 Российский Научный Центр Курчатовский Институт Твердооксидные ТЭ основные разработчики : РФЯЦ-ВНИИТФ, ФЭИ, РФЯЦ- ВНИИЭФ, 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.

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

15 Российский Научный Центр Курчатовский Институт 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. Государственно-частное партнёрство Твердополимерные ТЭ Государственно-частное партнёрство Твердополимерные ТЭ НИК НЭП

16 Российский Научный Центр Курчатовский Институт 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 Батарея ТЭ Действующий прототип установки Топливный процессор с Pd мембранами

17 Российский Научный Центр Курчатовский Институт ПРОБЛЕМЫ Высокая стоимость Масштабное применение металлов платиновой группы (в первую очередь – платины) Недостаточный ресурс

18 Российский Научный Центр Курчатовский Институт Наноте хнолог ии для водоро дной энергет ики 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 Российский Научный Центр Курчатовский Институт Моделирование процессов и материалов водородной энергетики ГЕНЕРАЦИЯ, РАСПРОСТРАНЕНИЕ, ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВЫ ВОДОРОДА ВОДНО-ГАЗОВЫЙ РЕЖИМ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ РОСТ И САМООРГАНИЗАЦИЯ СТРУКТУР НА ПОВЕРХНОСТИ

20 Российский Научный Центр Курчатовский Институт 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 Производительность 2 нм3/час Рабочее давление 3 МРа Мощность 8,3 kW Нанотехнологии для водородной энергетики a) b)

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

22 Российский Научный Центр Курчатовский Институт 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 Российский Научный Центр Курчатовский Институт Применение наноуглеродных материалов, наноструктурных металлогидридов, модификация поверхности сорбентов, изменение ее структуры и пр.) может обеспечить достижение 10% масс. по водороду. Технологии хранения водорода Наноматериалы для водородной энергетики в виде сжатого газа ( 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.

24 Российский Научный Центр Курчатовский Институт 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 Российский Научный Центр Курчатовский Институт ПЕРЕХОД К ВОДОРОДНОЙ ЭКОНОМИКЕ США НИОКР и демонстрационные проекты – гг. Коммерциализация (начальная стадия) – гг. Создание инфраструктуры, развитие рынков – гг. Переход к водородной экономике – гг. РОССИЯ (финансируемые проекты) НИОКР гг. Коммерциализация (начальная стадия) гг. Создание инфраструктуры, развитие рынков - ????? Переход к водородной экономике - ????? Государственная поддержка проектов останется доминирующей до 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 Российский Научный Центр Курчатовский Институт НЕОБХОДИМЫЕ ДЕМОНСТРАЦИОННЫЕ ПРОЕКТЫ: «ВОДОРОДНАЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА» О.С.Попель

27 Российский Научный Центр Курчатовский Институт Схема водородного технологического комплекса (применительно к ПЭС) ПЭС Электролизер 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) пресная вода водоподготовка 100 нм 3 /час Электричество Блок на 400 кВт кислород 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»)

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