Водородное будущее

Победителем областного конкурса «Ты — инноватор» 2023 года стала кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник кафедры электрохимии химического факультета ЮФУ Анастасия Алексеенко. Она занимается водородной энергетикой — способом производства электроэнергии, самым экологичным в мире. Автор этих строк расспросила инноватора об успехах на этом поприще.

А кому, как не молодым

— Тема водородной энергетики появилась в ЮФУ благодаря нашему научному руководителю, доктору химических наук Владимиру Гутерману, — рассказывает Анастасия, она же сотрудник лаборатории наноструктурных материалов для электрохимической энергетики (лаборатории молодых ученых, созданной на кафедре электрохимии — прим. автора). — Работая в «Самсунге» (это была длительная стажировка в Южной Корее в 2007 году), он занимался темой альтернативных источников энергии. За рубежом эта тема набирала обороты, в России о ней только слышали.

Вернувшись после командировки в Южный федеральный университет, Владимир Ефимович организовал лабораторию по получению материалов для альтернативной энергетики и пригласил заниматься этой темой студентов и аспирантов. Сама тема была новой для кафедры, которая в тот момент занималась проблемами коррозии. Так на кафедре возникла молодежная лаборатория наноструктурных материалов.

Самый экологичный

Сегодня, говоря об альтернативной энергетике, имеется в виду переход от невозобновляемых источников энергии (нефти, газе, угле) к возобновляемым. Сюда относится ветер как источник энергии, солнечные батареи, электростанции, работающие на энергии приливов. Одно из направлений — водородная энергетика. Это способ получения электроэнергии, когда топливом является водород. Этот газ — отличное топливо, в результате использования которого мы имеем электричество и … воду. То есть, это безопасный способ получения энергии для окружающей среды.

Для получения чистого водорода используются специальные установки — электролизеры. Именно таким водородом заряжаются автомобили, которые уже ездят в различных странах. В России есть единичные экземпляры импортного производства в Черноголовке (город Московской области, где расположен Институт проблем химической физики — прим. автора). И уже в России летают квадрокоптеры, на борту которых находятся баллоны с водородом.

Внимание к этому направлению получения альтернативной энергии обращено еще и потому, что все большее распространение получают в мире электромобили на литиевой батарее. Такие устройства имеют ряд недостатков — долгая зарядка, невозможность заряжения при отрицательных температурах. Использование водородного источника энергии позволяет нивелировать указанные недостатки. Зарядка быстрая. Так что с этой стороны проблем не будет. Пока вопрос стоит о стоимости — насколько она будет дороже бензиновой заправки.

Отметим, что вопреки сложившемуся стереотипу, водород не более взрывоопасен, чем другие виды топлива. Он взрывается, когда находится в смеси с кислородом в определенной пропорции. Но для этого его должно быть очень много. Баллоны, в которых перевозят водород, устроены так, что при нарушении их оболочки водород моментально улетучивается, поскольку это самый легкий газ на планете.

Не растворяется ни в чем

Для развития водородной энергетики нужны различные компоненты. Одним из важнейших компонентов для таких устройств является катализатор. Именно его присутствие в электролизерах обеспечивает превращение воды в водород и кислород, а в топливных элементах превращение водорода в электричество и воду. Лидерами по производству таких катализаторов являются — США, Япония, Великобритания. Импорт в Россию таких материалов невозможен, потому они являются предметами импортозамещения. Высокая стоимость таких катализаторов связана с содержанием в них металлов платиновой группы — платина, иридий, палладий, рутений. Условия работы катализатора — высокая кислотность среды, в которой растворяются почти все металлы, потому металлы платиновой группы — вариант идеальный.

Катализатор — вещество, ускоряющее или замедляющее химическую реакцию, само при этом не изменяющееся.

Если использовать, скажем, бесплатиновые катализаторы, протекание реакции уменьшается на два порядка, так что все производители работают с платиносодержащими материалами. Еще одна из актуальных проблем: рециклизация, то есть, еще не научились извлекать этот драгметалл из отработанного катализатора и опять пускать в дело.

Чем меньше частицы — тем больше их поверхность

— Катализаторами для водородной энергетики мы в нашей лаборатории и занимаемся, — говорит Анастасия, — причем от начала до конца: от рождения идеи (как сделать их более эффективными) через применение новых методов синтеза, исследование полученной структуры и электрохимических характеристик, тестирования в лабораторных условиях.

Сегодня в мире для топливных элементов производятся более 20 тонн катализаторов в год. Считается, что к 2030 году это количество увеличится до 90 тонн за счет развития автомобилей на топливных элементах. Но сама платина — металл редкоземельный, потому усилия исследователей направлены на получение наночастиц, поверхность которых позволит использовать меньшее количество платины с той же, если не большей, эффективностью.

Есть и идея повысить эффективность таких катализаторов, чтобы они могли работать «вечно». Над этим мы тоже работаем, уточняет Настя Алексеенко, показывая пузырек с черным веществом. Это углерод (похож на активированный уголь), на поверхности которого находятся частицы платины. В процессе работы катализатора углерод окисляется. Можно попытаться путем использования более стабильного углерода увеличить ресурс работы катализатора и всего устройства.

Результаты. Предварительные

В 2017 году молодые ученые поняли, что у них есть знания, которые можно масштабировать. Была подана заявка на конкурс «Старт» Фонда содействия инновациям. Она была поддержана и помогла открыть предприятие «Прометей РД». На сегодняшний день это единственная в России компания, в которой налажен производственный выпуск катализаторов для водородной энергетики. Сегодня налажен выпуск ряда катализаторов с разным количеством платины, на которые есть спрос у российских компаний-производителей топливных элементов. Есть спрос и от научных групп, которые работают в водородной энергетике. И это радует, говорит Анастасия, потому что в 2017-18 годах этого не было. Все началось с 2022 года, с объявления санкций.

Катализаторы признаны продуктом стратегического значения в США, Великобритании и Японии — в тех странах, где есть их масштабные производства на основе платины. Экспорт продукта запрещен — тем более в РФ.

А крупные российские компании сегодня заинтересованы в водородной энергетике — к примеру, КАМАЗ, АФК-Система и другие. Благодаря этому в учрежденную молодыми учеными компанию «Прометей РД» приходят с заказами на НИОКР (научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки — прим. автора).

— Мы видим повышение интереса к водородной энергетике и на всероссийских конференциях. Появляются доклады о производстве катамаранов на водородных двигателях. Летом на очередной конференции были продемонстрированы макеты небольших поездов на топливных элементах, — рассказывает Настя. — То есть, мы видим, как растет интерес к водородной энергетике. Она не заменит традиционные способы получения энергии, но займет свою нишу. Уже понятно, что для беспилотников — это один из самых перспективных вариантов, потому что на водородных двигателях они могут лететь дольше и у них увеличивается грузоподъемность. При этом сами беспилотники на водородных двигателях бесшумны. На многих территориях необъятной России не везде есть электросети, так что топливные элементы, работающие на водороде, были бы там кстати в качестве источников бесперебойного питания.

Будущее

Если говорить о будущем, то, по словам Насти Алексеенко, коллектив ученых рассматривает возможность изготовления не только катализаторов, но и самих мембранно-электродных блоков, которые вырабатывают энергию. Для развития такого направления потребуется получение новых знаний, опыта и приобретение дорогостоящего специального оборудования.

Настя демонстрирует небольшой блок, объясняя, что в центре между пластинами лежит катализатор. Это небольшая часть того устройства, которое может заставить летать беспилотник. Правда, уточняет она, пластин для полета должно быть больше, а для автомобиля — гораздо больше. Но, как говорится, начало положено.