Тема № 6. Исследование
и разработка новых технологий хранения водорода
1. Исполнитель: Российская академия наук.
Головная организация – Объединенный
институт высоких температур РАН.
2. Состояние исследований и разработок в области реализации соответствующего
направления.
Аккумулирование и хранение
водорода в твердофазном связанном состоянии: в металлогидридах и композитных
наноструктурных материалах, в том числе на основе металлуглеродных и
каталитических наноструктур – наиболее безопасно и для многих приложений
наиболее эффективно. Исследования и разработки таких новых технологий
охватывают как создание и исследование новых металлогидридных систем, так и
систем на основе новых водородопоглощающих материалов.
В настоящее время
металлогидридные технологии разрабатываются для применений в ряде областей
новой техники: при создании систем хранения и очистки водорода,
термосорбционных преобразователей тепловой энергии, термокомпрессоров водорода,
систем водородного аккумулирования электроэнергии, компактных энергоисточников
для бытовой электроники и др. В созданных к настоящему времени
низкотемпературных обратимых МеНу системах хранения весовое содержание
доступного водорода не превышает 2% при его объемной плотности превышающей
плотность жидкого водорода. Для крупномасштабных и транспортных систем
аккумулирования низкое массовое содержание Н2 является серьезным
барьером, на преодоление которого направлены усилия отечественных и зарубежных
специалистов. Основная задача этих исследований – создание поглощающих материалов
с весовым содержанием Н2 более 2-3%. Существенно большего весового
содержания Н2 (до 5% вес) удается достичь для высокотемпературных обратимых
металлогидридных систем. Однако, для их функционирования необходимы источники
высокопотенциального тепла, что снижает экономическую эффективность таких
систем аккумулирования. Важной задачей разработок в этой области является
снижение уровня требуемых температур при одновременном увеличении сорбционной
емкости водородопоглощающего материала. Другая особенность металлогидридных
систем аккумулирования Н2 – большие времена зарядки, т.е. относительно
низкая плотность потока энергии в устройстве, определяемая не только
микрокинетикой сорбции водорода частицами сплава, но и, главным образом,
процессами тепломассопереноса в мелкодисперсной пористой системе твердые
частицы-газ при наличии реакции сорбции с большими тепловыми и объемными
эффектами. Ограничения производительности (мощности) металлогидридных систем,
связанные с процессами тепломассопереноса в среде металлогидрида, становятся
особенно существенными при наличии в газообразном водороде малых примесей
неабсорбируемых газов, что в практических применениях встречается часто. В этой
связи важнейшими задачами при создании эффективных устройств для хранения водорода в твердофазном связанном
состоянии являются разработки новых поглощающих материалов (в том числе композитных,
каталитических и наноструктурных) с улучшенной кинетикой сорбции и повышенной
емкостью по водороду, а также новых
методов интенсификации процессов тепломассопереноса в мелкодисперсных
водородопоглощающих системах, оптимизации на этой основе конструкций
соответствующих устройств и создание новых типов аккумуляторов водорода. Важным
аспектом проблемы является разработка методов и систем обеспечения безопасности
при хранении водорода в составе энергоустановок различных типов.
Решение указанных проблем
приведет к радикальному расширению практического использования аккумулирующих
устройств с применением водопоглощающих материалов в автотранспорте и автономной
энергетике для целей безопасного хранения Н2 на борту транспортных
средств и в составе автономных и транспортабельных энергоустановок на базе
топливных элементов.
3. Цель и основные задачи исследований в области реализации соответствующего
направления.
Исследования по теме
направлены на комплексное решение базовых проблем, определяющих возможность
создания и использования эффективных аккумуляторов водорода для различных
применений и прежде всего – для аккумулирования и безопасного хранения водорода
в стационарных условиях и на транспортных установках:
исследования и разработка
новых интерметаллических соединений, сплавов каталитических и композитных
систем с улучшенной кинетикой сорбции,
обеспечивающих аккумулирование водорода в количестве более (2-3)% от насыпного
веса материала при температурах от 20°С до 100°С и давлениях, не превышающих 100 атм.
Создание базы данных о их физико-химических свойствах;
исследования и разработка
новых интерметаллических, каталитических и композитных материалов, обеспечивающих
аккумулирование водорода в количестве до 8-10% от веса материала при
температурах не выше 400°С. Создание базы данных о их
физико-химических свойствах;
исследования и разработки
новых композитных материалов, поглощающих свыше 8% вес. водорода при высоких
давлениях и технологии их практического использования;
исследования процессов
тепломассопереноса при сорбции/десорбции водорода в мелкодисперсных
водородопоглощающих средах и модельных
экспериментальных аккумуляторах водорода, разработка адекватных математических
моделей, обеспечивающих возможность оптимизации конструкции и режимов работы
аккумуляторов водорода, в том числе при наличии в водороде неабсорбируемых
газовых примесей;
создание экспериментальных
систем аккумулирования и очистки водорода с использованием интерметаллических,
каталитических и композитных материалов, их испытания и исследование процессов
аккумулирования и выделения водорода, анализ патентной информации и разработка
ТЗ на создание опытно-промышленных изделий;
разработка методов и средств
обеспечения безопасности систем хранения водорода;
разработка математических
моделей, моделирование и анализ схемных решений и эффективности комбинированных
систем хранения водорода, анализ патентной информации и разработка предложений
по патентной защите разработок.
По всем указанным
направлениям выполняется анализ существующих технологий и конкурентоспособности
разрабатываемой продукции с определением элементов существенной новизны и
целесообразности патентования разрабатываемых технологических процессов,
материалов и оборудования, а также анализ перспективного рынка разрабатываемых
технологий и оборудования.
4. Ожидаемые результаты исследований и целевые ориентиры технических и
экономических параметров.
Будут разработаны и созданы:
интерметаллические
соединения и композитные материалы с улучшенной кинетикой сорбции,
обеспечивающие обратимую абсорбцию доступного водорода свыше 2-3% вес. при
температурах от 20°С до 100°С и давлениях ниже 100 атм.;
интерметаллические
соединения и композитные материалы, обеспечивающие обратимую абсорбцию
доступного водорода в количестве до 8-10% вес. при температурах не выше 400°С;
новые технологические
процессы получения водородопоглощающих материалов, в том числе
нанокристаллических интерметаллидов и каталитических систем с повышенной
емкостью и улучшенной кинетикой сорбции;
исследованы процессы
тепломассопереноса при сорбции/десорбции в водородопоглощающих средах и
модельных экспериментальных аккумуляторах водорода, разработаны адекватные
математические модели и коды, обеспечивающие возможность оптимизации
конструкции и режимов работы аккумуляторов водорода, в том числе при наличии в
водороде малых неабсорбируемых газовых примесей;
созданы экспериментальные
системы аккумулирования и очистки водорода для использования в автономной
энергетике и транспорте в сочетании с топливными элементами и первичными
источниками водорода различной производительности, разработаны методы и
средства обеспечения безопасности при их эксплуатации в составе энергоустановок
на базе топливных элементов, проведены их испытания и разработаны ТЗ на
создание опытно-промышленных изделий;
выполнено
экспертно-аналитическое и технико-экономическое исследование разрабатываемых
технологий в сравнении с передовым зарубежным уровнем и анализ перспективного
рынка;
5. Научно-техническая новизна, отличительные характеристики и
особенности результатов исследований.
Новые поглощающие материалы
и технологии аккумулирования водорода, в т.ч. при наличии в нем непоглощаемых
газовых примесей, обеспечивающие содержание Н2 более 3 % вес. при Т < 100°С и (8-10)% вес. при Т < 400°С, новые адекватные
математические модели и коды для оптимизации конструкций аккумуляторов
водорода, новые типы, схемы и режимы работы аккумуляторов, методы и средства
обеспечения безопасности при их эксплуатации в составе энергоустановок на базе
топливных элементов.
Промышленных аналогов не
существует.
6. Соисполнители работ.
Для выполнения комплекса
исследований и разработок привлекаются следующие организации-соисполнители: ИОХ
РАН, ИФТТ РАН, ИФМ УрО РАН, ИК СО РАН, ИХТТМ СО РАН, ИОНХ РАН, ИПМЕХ РАН, ИМЕТ
РАН, МГУ, НИХФИ, ИПХФ РАН (НЦЧ). Указанные организации проводят активные
исследования в области получения новых водородопоглощающих материалов –
интерметаллических соединений, наноструктурных, каталитических и композитных
материалов, с использованием различных технологических процессов, а также
выполняют комплексные исследования их физико-химических свойств, сорбционной
емкости по водороду и кинетики процессов при различных эксплуатационных
режимах. Выполнение широкого фронта поисковых и технологических исследований на
первой стадии НИОКР позволит в течение достаточно короткого времени (II-IV кв.)
создать необходимую базу данных и осуществить выбор наиболее перспективных
материалов и направлений технологических разработок для последующих этапов
работы.
Содержание исследований, выполняемых соисполнителями.
Выполняемые работы |
Организация |
Цена тыс. дол. США |
Разработка металлогидридных и металл-углеродных
материалов на основе Mg, РЗМ, Al, Ti, V, Ni с
весовым содержанием выше 2-3% металлуглеродных нанокомпозитов (свыше 3,5%)
при температурах ниже 3000 С. |
ИПХФ (НЦЧ) РАН |
280,7 |
Создание материалов для аккумулирования и
безопасного хранения водорода с весовым содержанием до 3,5% при рабочих температурах
менее 4000 С. |
ИОНХ РАН |
105,3 |
Носители водорода на основе нанокристаллических
интерметаллидов Исследования и разработка новых
водородоаккумулирующих интерметаллических, композитных, нанокристаллических и
каталитических систем с возможностью обратимой сорбции/десорбции водорода при
постоянном давлении и температуре не выше 4000 С в количестве
более 5% вес. |
ИФМ УрО РАН |
175,4 |
Синтез металлогидридов, обеспечивающих хранение
водорода в количестве более 5% вес. при температурах менее 4000 С. |
ИК СО РАН |
140,3 |
Механохимический синтез новых материалов,
аккумулирующих водород, в количествах более 7 вес. %, при температуре менее
4000 С, и исследование их адсорбционных характеристик |
ИХТТМ СО РАН |
140,4 |
Исследования предельной сорбционной емкости
перспективных материалов-аккумуляторов водорода, исследования и разработка
технологии создания и использования аккумулирующих сред, поглощающих более 5%
вес. водорода при высоких давлениях. |
ИФТТ
РАН
|
280,7 |
Разработка прочностных и ресурсных моделей
материалов и элементов оборудования для хранения водорода в условиях
возможного новодораживания и циклических нагружений. |
ИП
Мех РАН
|
70,2 |
7. Стоимость работ и обоснование запрашиваемого обеспечения реализации
работ:
Объем
финансирования, необходимый для обеспечения выполнения работ по теме на 2004
год составляет 2814 тыс. долларов США, в том числе на закупку специального
оборудования – 526,3 тыс. долларов США. Структура цены прилагается.