Ученые Национального исследовательского университета «МЭИ» создали новую технологию получения водорода. Они предложили использовать в качестве сырья конвертерные газы, которые образуются на металлургических производствах при переработке чугуна в сталь.
Как уточняется в оригинальном исследовании, схема работает следующим образом: конвертерный газ, нагретый до температуры 1500–1700 градусов, поступает в реактор, где смешивается с природным газом. В результате температура смеси падает до 900–1000 градусов, а благодаря реакции метана, содержащегося в природном газе, и двуокиси углерода, которой богат газ конвертерный, образуются оксид углерода (СО) и водород (Н2). Кроме того, за счет охлаждения смеси происходит ее очистка: содержащие металл примеси отвердевают и отделяются, после чего возвращаются на производство. Полученный же газ остается лишь дополнительно охладить, получив парогазовую смесь, и направить ее в реактор пароводяной конверсии.
Содержащие металл отходы производства могут использоваться в качестве временного катализатора для ускорения необходимых реакций, а потом возвращаться обратно в технологический процесс.
«Проведенные расчеты показали, что на металлургическом предприятии с объемом производства 10 миллионов тонн конвертерной стали в год можно получить 92 тысячи тонн водорода, себестоимость которого составит не более семи рублей за кубометр, — отмечается в сообщении вуза. — При этом достигается экологический эффект: выделение парниковых газов на предприятии сократится на 947 тысяч тонн в год».
«Москвич», работающий на водороде: как СССР в 1970-х годах создавал прототипы экологически чистых автомобилей
В 1970-х годах многие страны мира столкнулись с проблемой загрязнения окружающей среды, вызванной выхлопами автомобилей. В тот же период СССР начал искать альтернативные источники энергии для автомобилей. Именно тогда были созданы и испытаны экспериментальные автомобили, работающие на водороде или смеси бензина и водорода.
Прототип «Москвича-412», работающего на водороде, был создан в 1976 году специалистами Харьковского института проблем машиностроения. Он был оснащен миниатюрным водородным реактором с катализаторами на основе оксидов различных металлов.
Как это работало? Вода проходила через реактор, где расщеплялась на кислород и водород. Затем водород сжигался в цилиндрах обычного двигателя внутреннего сгорания. Система подачи водорода была установлена параллельно со стандартной бензиновой топливной системой. Водитель контролировал скорость химической реакции, нажимая на педаль акселератора.
В своё время на водород делались большие ставки. В теории всё выглядело интересно: водород содержит почти в три раза больше тепловой энергии на единицу веса, чем все известные ископаемые виды топлива, при этом весит он даже в жидком состоянии примерно в 14 раз легче воды. Этот элемент чрезвычайно быстро смешивается с другими газами, особенно с воздухом в атмосфере. Он прекрасно горит в атмосфере, и в процессе образуется дистиллированный водяной пар, который отлично подходит для окружающей среды. А ещё, и это очень важно — запасы водорода на Земле практически не ограничены.
Перед вами первый в мире самолёт на водороде — Ту-155. Внешне копия хорошо известного Ту-154. И он действительно является модифицированной версией этого лайнера. Много лет стоит на территории Международного авиационно-космического салона (МАКС) в Жуковском. Иногда даже пускают на борт — на экскурсию.
Как видите, это пассажирский салон. То есть на Ту-154 он был бы пассажирским, а здесь понадобился для других целей. Баллоны на полу — для азота, он нужен был для пожарной безопасности: в полёте им постоянно "продували" отсек на случай утечки водорода, поскольку водород крайне взрывоопасен. Задача в том, чтобы свести к минимуму содержание здесь кислорода — без него горение, как известно, невозможно. Кстати, из этих же соображений из бывшего салона убрали электропроводку.
Бак с водородом в соседнем салоне, за спиной у автора снимка. В хвосте. Бак особый — криогенный, то есть в нём содержимое может достаточно долго находиться при минус 253 градусах по Цельсию. К слову, это довольно близко к абсолютному нулю, то есть к такой температуре, ниже которой не бывает во всей Вселенной (это минус 273 градуса). Дело в том, что в таком лютом холоде водород пребывает в жидком состоянии, а именно это и нужно, чтобы его хватило на весь рейс. Бак вмещал 17,5 кубометра жидкого водорода.
Получается, что, собственно, для пассажиров места не оставалось. Впрочем, прежде чем впускать на борт пассажиров, нужно было сначала всё испытать и обкатать. Так что это была летающая исследовательская лаборатория. В первый полёт она отправилась 15 апреля 1988 года. Впоследствии поднималась в воздух ещё как минимум сотню раз. Были в том числе и международные рейсы: Москва – Ганновер и Москва – Братислава – Ницца.
Какие двигатели были у Ту-155
На борту было три двигателя: два классических (на керосине) и один самый интересный — НК-88, разработка Куйбышевского научно-производственного объединения "Труд". Сейчас оно называется Самарский научно-технический комплекс имени Н.Д. Кузнецова. Именно академик Николай Кузнецов и возглавлял команду авиаконструкторов, которые создавали первый в истории водородный авиадвигатель.
У разработчиков сразу возникла большая проблема с закипанием водорода: он начинает вскипать уже в форсунках, появляются "вредные" низкочастотные пульсации. В итоге был создан теплообменник-газификатор
Александр Камалин
Администратор Энциклопедии военной авиации
НК-88 тоже газотурбинный, но у него, к примеру, вместо обычного насоса высоконапорный турбонасос, как у ракетных двигателей. Сначала жидкий водород идёт в теплообменник, где нагревается и переходит в газообразное состояние, а уже потом в камеру сгорания. На выходе получается вода (в виде пара) и очень много тепла. Примерно втрое больше, чем при сгорании керосина.
— Сжиженный природный газ гораздо проще получить, чем сжиженный водород. У него более высокая температура — около минус 170 градусов, это уже совсем другая категория. В эпоху, когда этот самолёт разрабатывался, попахивало нефтяным кризисом, и человечество, в общем-то, массово переходило на газ, — рассказал инженер-математик, эксперт по машиностроению, владелец сообщества "Суровый технарь" Сергей Иванов.
Полёты на водороде были экспериментом, и он оказался успешным, считает эксперт. Почему же за этим не последовало начало новой эры в авиации? По мнению специалистов, мир на тот момент был совершенно не готов к такому историческому моменту. Да и сейчас нельзя сказать, что готов.
— Есть проблема с добычей водорода: в чистом виде его практически нет. В основном его добывают из газа, но КПД выработки составляет около 70%. Это означает, что 30% энергии, содержащейся в природном газе, теряются. И зачем нам тогда водород, если мы можем сразу использовать природный газ? Другой путь — электролиз, но этот вариант значительно дороже. К этому можно также добавить нежелание монополистов нефтяной промышленности лишиться своего рынка, — рассказала Лайфу администратор Энциклопедии военной авиации Александр Камалин.
А по мнению инженера-энтузиаста Владислава Айтакаева, который много лет интересуется Ту-155, во всём виноват распад Советского Союза.
По этой причине у нас очень много проектов затормозилось, даже более консервативных, таких как Ил-96, например. А такие революционные проекты совсем ушли на второй план. Я считаю, просто не было средств на создание соответствующей инфраструктуры
Специалисты Сколтеха, Института кристаллографии имени Шубникова РАН и зарубежных научных центров нашли материалы, способные удерживать в себе в четыре раза больше водорода, чем аналоги. В будущем их можно будет использовать в энергетике для накопления водорода и его эффективной и безопасной транспортировки на большие расстояния.
Как объясняют авторы, они открыли два соединения — гептагидрид цезия (CsH7) и нонагидрид рубидия (RbH9). Оба способны удерживать атомы водорода в пустотах между атомами металлов, из которых состоят их кристаллические решетки. Сам принцип не нов, однако соединения на основе цезия и рубидия отличаются повышенной «вместительностью»: как сообщает Сколтех, в них помещаются семь либо девять атомов водорода на один атом металла.
Мы рассчитываем, что это будут первые столь насыщенные водородом материалы, устойчивые при атмосферном давлении, хотя для строгого подтверждения нужны дополнительные эксперименты. Как бы то ни было, доля атомов водорода в этих веществах выше, чем в любых известных гидридах, существующих при нормальных давлениях.
— Дмитрий Семенок. Один из авторов исследования, выпускник аспирантуры Сколтеха по программе «Науки о материалах».
Синтезировали новые соединения при помощи вещества под названием боран аммиака (BH3-NH3), которое богато водородом. Оно реагирует с цезием и рубидием с образованием их солей, которые после при высокой температуре разлагаются на моногидриды цезия или рубидия и большое количество водорода. Далее при давлении 100 тысяч атмосфер (почти в 100 раз больше, чем на дне глубочайшей на планете Марианской впадины) водород «втискивается» в пустоты кристаллической решетки, образуя полигидриды.
Научный коллектив собирается продолжить эксперименты с новыми соединениями, чтобы доказать, что они способны оставаться стабильными при более низком давлении — вплоть до атмосферного.
Специалисты Института высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН и Уральского федерального университета разработали материал на основе карбоната бария (BaCO3) и оксида олова (SnO2), который способен проводить протоныи, предположительно, эффективно отфильтровывать из газовой и водной среды изотопы водорода — протий, дейтерий и тритий. Материал может найти применение в ядерной энергетике.
По словам авторов разработки, открытие они совершили практически случайно. Изначальная цель была в создании электролита для твердооксидного топливного элемента. Для этого ученые синтезировали керамический материал из соединений бария, олова и металла лютеция — их порошки смешали, нагрели до 1150 градусов, спрессовали в «таблетки» и спекли в печи при 1550 градусах для достижения высокой плотности.
В процессе исследований выяснилось, что полученный материал в среде тяжелой воды (насыщенной тяжелыми изотопами водорода) работает эффективнее, чем в обычной. Такая особенность нехарактерна для подобного класса соединений. Мы предполагаем, что его можно использовать в ядерной энергетике в качестве материала для мембран, которые отфильтровывали бы изотопы водорода для их правильной утилизации или возвращения обратно в реактор.
— Георгий Старостин. Младший научный сотрудник научной лаборатории водородной энергетики УрФУ.
Как отмечает Георгий Старостин, механизм фильтрации еще предстоит детально изучить. Этим научный коллектив и планирует заняться в ближайшее время.
Ученые Уфимского университета науки и технологий вместе с коллегами из Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники открыли 67 соединений галогенов, которые в перспективе можно будет использовать в солнечной и водородной энергетике.
Чтобы получить новые соединения, ученые воспользовались квантово-механическим моделированием. Это метод, который позволяет в результате выполнения сложных расчетов точно описать электронные свойства систем из тысяч атомов. Результатом работы стало обнаружение 67 перспективных веществ. Как показали исследования, некоторые из соединений потенциально могут расщеплять воду на кислород и водород под действием солнечного света — и значит, могут использоваться в солнечной и водородной энергетике.
Так, соединения цинка, хлора и йода, а также цинка, йода и брома показали эффективность превращения солнечной энергии в энергию связей молекул водорода 22%, то есть из 100 ватт солнечной энергии вещества смогут получать 22 ватта водородной. Максимально возможная в наши дни эффективность составляет 30%.
Ученые обнародовали базу обнаруженных веществ, чтобы их мог исследовать и применять в своих разработках любой желающий.
Старший научный сотрудник кафедры физики плазмы Национального исследовательского ядерного университета МИФИ Степан Крат создал первую в мире аналитическую модель накопления водорода в стенках термоядерных реакторов. В будущем это позволит еще на один шаг приблизиться к созданию промышленной термоядерной установки.
Как ученый рассказал «Энергии+», за основу он взял существующие модели транспорта частиц в твердых телах и дополнил их еще одним условием: ввел в описываемую систему фактор подвижной границы.
В термоядерном реакторе существует так называемая первая стенка — это набор элементов в вакуумной камере, где удерживается раскаленная плазма. Под действием мощного потока частиц плазмы облицовка камеры частично разрушается. Так как ее материал в никуда исчезнуть не может, распыленные частицы облицовки транспортируются по всей установке, оседают обратно на стенку и там откладываются — как бы нарастают слоями. В этих слоях может накапливаться выделяющийся из плазмы водород, в том числе его радиоактивный изотоп тритий, что способно повлечь за собой угрозу радиационной безопасности.
— Степан Крат. Старший научный сотрудник Национального исследовательского ядерного университета МИФИ.
Специалист учел фактор первой стенки, добавил еще несколько физических условий и получил модель, при помощи которой можно предсказывать, на каких именно участках стенок реактора и насколько интенсивно будет накапливаться водород. Это позволит, в том числе, грамотнее планировать циклы ремонта стенок и продлить срок бесперебойной работы установки.
Сейчас автор вместе с научным коллективом работает над совершенствованием прогностической модели.
Ученые Института катализа имени Борескова Сибирского отделения РАН создали уникальные катализаторы для получения водорода из муравьиной кислоты (CH₂O₂). Вместо наночастиц активного металла в них используются его изолированные атомы — это позволяет снизить стоимость и увеличить эффективность.
Специалисты взяли готовые триазиновые каркасы — соединения, состоящие из углерода, водорода и химически активных групп азота, которые способны связывать и присоединять к себе атомы активных металлов. Каркасы погрузили в раствор соли металла палладия и нагрели. В итоге атомы металла закрепились на каркасе.
По словам авторов разработки, по сравнению с аналогами новые катализаторы обладают большей эффективностью и требуют меньшего расхода дорогостоящих активных компонентов.
Наш подход увеличивает эффективность полученных соединений. Так, моноатомные катализаторы позволяют нарастить выход водорода из муравьиной кислоты с 94% до 98–100%. Причем этот водород чище: в нем меньше остаточное содержание монооксида углерода (CO), что позволяет достигать более высоких показателей в процессе дальнейшего использования и переработки.
— Дмитрий Булушев. Старший научный сотрудник Института катализа СО РАН.
Полученные катализаторы продолжают совершенствовать.
16-01-24г. ZeroAvia, пионер в области авиационных технологий с нулевым уровнем выбросов, заключила партнерское соглашение с Verne, лидером в области решений по криосжатому водороду, чтобы изучить потенциал криосжатого водорода для аэропортов и самолетов.
Это сотрудничество направлено на продвижение использования водорода в качестве экологически чистого авиационного топлива, решая проблемы как хранения, так и транспортировки.
Эта инициатива является важным шагом на пути к сокращению углеродного следа авиации и переходу к более экологически чистому будущему авиаперевозок.
Криосжатый H2 может снизить затраты, ускорить заправку топливом и увеличить дальность полета на 40% по сравнению с криогенным жидким H2.
Для справки: ZeroAvia 19-12-23г запустила в первый полёт, самый большой в мире самолет с водородно-электрическим двигателем 19-местном Dornier 228.