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.

Наші переваги

Будь набутий у нас товар ви можете повернути, якщо з яких-небудь причин він вам не підійшов або не сподобався.

На всю продавану нами продукцію ми надаємо гарантію терміном мінімум 1 рік (в залежності від виду товару).

Більшість пропонованих нами товарів здатне поліпшити характеристики автомобіля, не порушуючи гарантію на нього.

Більшу частину, пропонованих нами товарів, ми виробляємо особисто! Це дає можливість нашим клієнтам не тільки купувати продукцію за вигідними цінами, а й відразу з'ясовувати всі запитання по установці і використанню пристроїв.

up