Водень - паливо XXI століття

Однією з актуальних задач сучасного суспільства є пошук альтернативних джерел енергії. Найбільш перспективним у цьому плані вважається водень, багато вчених називають його «паливом XXI століття», здатним вирішити енергетичні та екологічні проблеми, пов'язані як з викидом отруйних речовин в атмосферу, так і з накопиченням двоокису вуглецю, що призводить до порушення біоценозу.

Для перетворення хімічної енергії водню в електрику найбільш ефективним вважається використання паливних елементів, що володіють ККД не менше 50%. В результаті роботи водневих паливних елементів крім електроенергії виробляється тільки тепло і вода (в малих кількостях). Вони не містять рухомих деталей і абсолютно безшумні. Найбільш привабливі елементи з твердим полімерним електролітом (ТПЕ). Галузями їх використання є автомобільний транспорт (до 70 % потенційного ринку), а також системи автономного енергопостачання (включаючи елементи живлення для портативної техніки - міні-комп'ютери, фото- і відеокамери, мобільні телефони тощо).

Мал. 1 . Схема дії водневого паливного елемента з ТПЕ . Сумарна реакція 2Н2 + О2 > 2Н2О.

Вже сьогодні більшість автомобільних компаній представили прототипи автомобілів на паливних елементах з ТПЕ і ведуть інтенсивні розробки в даній області. А нині запущена програма з дослідної експлуатації 40 автомобілів на водневих паливних елементах в різних містах США.

У США починаючи з 2003 року виділяються кошти в розмірі 1,2 млрд. доларів за президентською програмою переходу до водневої енергетики .

Крім транспорту областю застосування паливних елементів може стати децентралізоване енергопостачання . За оцінками, у Німеччині до 2010 р. частка паливних елементів в опаленні та електропостачанні складе 10-30%. Енергоустановки на їх основі електричною потужністю 1,5 кВт і тепловою потужністю 2,9 кВт будуть використовуватися в котеджах і багатоквартирних будинках.

Паливні елементи з ТПЕ знаходять своє застосування і в більш спеціалізованих областях. Наприклад, їх використання в якості енергоустановок може зробити підводні човни безшумними і звести до мінімуму теплові викиди. У космосі паливні елементи використовують з 1960 -х рр..

Мал. 2. Електрохімічна осередок для вивчення водневої реакції. Хімічний факультет МДУ

Для забезпечення споживачів воднем в найближчі роки необхідно створити водневу інфра- структуру (мережа водневих заправних станцій для автомобілів на паливних елементах і т.п.). При реалізації цього завдання незамінні електролізери води з ТПЕ .

Основна перешкода для комерціалізації паливних елементів і електролізерів з ТПЕ полягає у використанні електрокаталізатори на основі платини. Використання даного металу призводить до ряду значних проблем, що обмежують застосування паливних елементів.

По-перше, вартість платини досить висока, і її ресурси недостатні. Сучасні оцінки вартості компонентів паливних елементів дають значення від 200 до 2000 дол США на кВт виробленої енергії. При цьому на кожен кВт необхідно до 2 г платини. Таким чином , двигун середнього автомобіля потужністю 50 кВт коштуватиме 10 000-100 000 дол США і буде використовувати до 100 г платини. Світове виробництво автомобілів досягла в 2004 році 64 млн. одиниць. Для того щоб обладнати всі автомобілі паливними елементами, буде потрібно 6400 тонн платини. Навіть якщо зміст платини буде знижено до теоретичної межі, що становить 0,1 г / кВт, платини буде потрібно набагато більше її річного видобутку (202 тонни в 2004 р.). А кількість платини, необхідне для заміни всіх ДВС на паливні елементи, порівнянно з її світовим запасом (100 000 тонн). При цьому також існує потреба у ПЕ для інших видів транспорту і для домашніх автономних джерел електроенергії.

По-друге, істотним недоліком платини є те, що вона легко і необоротно отруюється окисом вуглецю (СО) і сірководнем (Н2S) - домішками, неминуче присутніми в дешевих паливах, таких як реформінг - газ (продукти конверсії органічного палива) та біо - газ ( біотехнологічний Н2, отриманий з відходів органічного походження за допомогою бактерій).

Мал. 3 Лабораторний водневий паливний елемент. РНЦ Курчатовський інститут

Тому паливні елементи, які використовують платинові каталізатори, не можуть розглядатися як єдина перспектива для широкого використання в енергетиці майбутнього. Необхідно шукати альтернативний каталізатор.

При значному підвищенні температури можна відмовитися від каталізу платиною. Так, наприклад, високотемпературні паливні елементи і електролізери на основі оксидів металів і кераміки не містять благородних металів. Але вони, по-перше, є недостатньо стійкими до різних впливів, зокрема, механічним, тому розглядаються тільки для стаціонарних установок.

По-друге, їх робоча температура ( ~ 900 ° С) занадто висока і не дозволяє використовувати звичайні конструкційні матеріали, наприклад сталь. І нарешті, дані елементи не пристосовані для роботи в режимі частих запусків - зупинок. Одним із шляхів вирішення проблеми каталізу в низькотемпературних паливних елементах є використання природних каталізаторів - ферментів.

У проекті «Дослідження і розробка неплатинового електрокаталізаторів для водневого електрода паливних елементів і електролізера на основі іммобілізованих ферментів», яким займаються вчені хімічного факультету МДУ ім. М.В. Ломоносова спільно з Федеральним державною установою Російський науковий центр «Курчатовський інститут» ( ФДМ РНЦ «Курчатовський інститут» ), пропонується використовувати ферменти в якості альтернативних електрокаталізаторів для водневих електродів.

Ферменти, відповідальні в природі за окислення -освіта Н2, отримали назву « гідрогенази ». Ферменти - гідрогенази є унікальними і єдиними ефективними неплатинового каталізаторами для водневої реакції. Інших подібних неплатинового каталізаторів поки не знайдено.

Ферменти, які використовують вчені, сьогодні досить дороги. Гідрогенази є продуктами життєдіяльності особливих мікроорганізмів, і для їх виробництва використовуються сучасні методи генетичної інженерії та біохімії . Однак вони є повністю поновлюваним біотехнологічним продуктом, тому при нарощуванні обсягу виробництва ціна ферментів стрімко знижується. Наприклад, сьогодні виробництво ферментів для потреб легкої промисловості, що використовуються в пральних порошках, коштує близько декількох доларів за 1 кг. Таким чином, можна очікувати, що й вартість гидрогеназ істотно знизиться в найближчі роки. Активні роботи в галузі біотехнології гидрогеназ проводяться і в нашій країні, в Інституті загальних проблем біології РАН (м. Пущино).

Відносно платини ситуація зворотна - при збільшенні її споживання ціна значно зросте . Крім того, на відміну від платини, ферменти стійкі до домішок СО і H2S, що містяться в дешевих паливах.

Не випадково ця проблема зацікавила російських вчених хімічного факультету МГУ ім.М.В. Ломоносова. За словами наукового керівника проекту, доктора хімічних наук, професора Аркадія Карякіна, рішення зайнятися даною розробкою прийшло в 2004 році, після наради в Міністерстві науки та освіти, присвяченого співпраці Росії і країн Європейського союзу з водневої енергетики.

Такому кроку передували довгі роки серйозних досліджень. Ідея самого проекту, а саме - використання ферментів як каталізаторів в паливних елементах, є абсолютно пріоритетною розробкою російських вчених. Перші роботи в цьому напрямку були виконані наприкінці 1970 -х - початку 1980 -х рр.. в МГУ при співпраці з Інститутом електрохімії ім. А.Н. Фрумкіна (в даний час це Інститут фізичної хімії та електрохімії). Перші статті з водневої тематики були опубліковані російськими вченими на початку 1980 -х рр..

У той час, як і зараз, інтерес до паливних елементів був пов'язаний з енергетичною кризою, який не мав таких розмірів, як сучасний, і закінчився досить швидко. Увага вчених було направлено на біоелектрокаталіз ферментами - прискорення хімічних реакцій, що протікають на електродах у присутності біологічних компонентів.

Наприкінці 1990 -х рр.. інтерес до паливних елементів виник знову. Спільна робота вчених хімфаку МДУ і біохіміків з Пущино була підтримана грантом у рамках Міжнародної програми сприяння фундаментальним дослідженням ( ІНТАС ) . Таким чином, робота, пов'язана з паливним елементом, було відновлено.

Сучасний енергетична криза змушує поглянути на проблему по -новому, визнавши її актуальність. За різними оцінками, запасів нафти вистачить на 20-50 років, а спад обсягів видобутку нафти очікується протягом найближчих 10 років.

Реалізацією проекту «Дослідження і розробка неплатинового електрокаталізаторів для водневого електрода паливних елементів і електролізера на основі іммобілізованих ферментів » вчені хімфаку МГУ займаються у співпраці з ФДМ РНЦ «Курчатовський інститут», а саме - з Інститутом водордной енергетики і плазмових технологій (ІВЕПТ).

Мал.4 Збірка паливного елемента потужністю 1 кВт. РНЦ «Курчатовський інститут» входять до складу цього центру.

Протягом останніх 20 років в ІВЕПТ ведеться розробка та оптимізація паливних елементів і електролізерів з ТПЕ. Так, наприклад, розроблені високоефективні каталізатори на вуглецевому носії для систем з ТПЕ з питомою поверхнею платини більше 100 м2 / г, оригінальні технології виготовлення мембранно- електродних блоків, що забезпечують оптимізовану структуру електрокаталітичної шару при витраті платини порядку 0,1 мг/см2. На сьогоднішній день в паливному елементі з ТПЕ досягнуті робочі щільності струму порядку 1,6 А/см2 при напрузі 0,7 В.

Характерне напруга електролізера при щільності струму 1 А/см2 становить 1,63-1,64 В. Створені паливні елементи потужністю 1 кВт і електролізери продуктивністю до 2 м3/год водню (робочий тиск до 30 атм). Масштаби, досвід і наявність стендів, спеціально створених для експериментів з паливними елементами і електролізерами, роблять можливим проведення широкомасштабних випробувань нових неплатинового електрокаталізаторів. Крім того, в Курчатовському інституті розробляються каталітичні композиції на основі ферментів і іонообмінного полімеру, а також методи їх нанесення на ТПЕ - мембрану.

Важливу роль в процесі реалізації ідеї зіграв виграний конкурс з Федеральної цільової науково- технічній програмі «Дослідження і розробки за пріоритетними напрямами розвитку науки і техніки» по пріоритетному напрямку «Енергетика та енергозбереження». На думку Аркадія Карякіна, при тому стані науки, в якому вона опинилася після перебудови, таке цільове фінансування є величезною підмогою і каталізатором для отримання нових наукових результатів: «Наш уряд почав фінансувати перспективні роботи, що принципово важливо. Це значно прискорює наші дослідження»

Мал. 5 Структура гідрогенази з Desulfovibrio Fructosovorans . Маса ферменту 90 кДа , що в 450 разів більше маси атома платини.

Раніше проводилося переважно фундаментальне вивчення біоелектрокаталіза гидрогеназой методами традиційної електрохімії . Зараз ведуться дослідження і оптимізація ферментних електродів для роботи в реальних паливних елементах з ТПЕ.

Проведені роботи закріпили лідерство за російськими вченими в даній області. Участь у міжнародних конференціях з водневим ферментам і водневої енергетики показує безперечний пріоритет російських розробок .

Активна співпраця з колегами з Університету ім. Ж. Фур'є в м. Греноблі (Франція) дозволяє налагодити спільне використання отриманих напрацювань по різних переносникам електродів, створювати найбільш прогресивні системи для електрохімічного окислення водню за допомогою ферментів.

Використання неплатинового каталізаторів на основі ферментів - це завдання колективу вчених хімфаку МДУ і їх пріоритет. Ніхто не бере на себе сміливість стверджувати , що вся енергетика піде по даному напрямку, але це один із шляхів , по якому не пройти не можна, інакше наше суспільство безнадійно відстане. Це розуміють всі, як у нас в країні, так і за кордоном. Більш того, водневі ферментні електроди можуть знайти застосування і для переробки органічних відходів з отриманням корисної електроенергії.

В даний час в рамках проекту ФЦНТП проводиться вивчення стабільності водневих електродів. Перед вченими стоїть завдання добитися збереження активності біокаталізаторів при підвищених температурах (до 90° С), які потрібні для автомобільних паливних елементів. Наступним етапом стане випробування пілотного зразка водневого електрода на стенді в ІВЕПТ РНЦ «Курчатовський інститут».

Останнім часом потік наукових робіт в області паливних ферментних електродів різко збільшується. Наукові дослідження ферментів, пов'язаних з воднем, що фінансуються європейськими країнами, завжди відрізнялися масштабністю, такими вони збереглися і протягом останніх років. Однак прогрес західних колег лежить у площині вивчення фундаментальних властивостей ферментів і їх метаболізму в мікроорганізмах. В області ж створення ферментних електродів, якими займаються російські вчені, наша країна є абсолютним лідером.