Металлогидриды вместо баллонов

Ученые Томского политехнического университета разработали твердотельные накопители водорода на основе отечественного сырья. Это металлогидридные установки со сплавом титана и железа, стоимость производства сплава в три раза ниже, чем у импортных аналогов

При поддержке федеральной программы Минобрнауки России «Приоритет-2030» было проведено оснащение лаборатории, в которой проводится полный цикл создания материалов — накопителей водорода — от получения слитка до изучения характеристик сорбции и десорбции водорода на лабораторной установке. Оказалось, что томские металлогидридные установки способны сорбировать и десорбировать водород в течение тысяч циклов с потерей эффективности не более 5‒10%.

Безопасные и вместительные

В настоящее время водород чаще всего хранят в баллонах под давлением 150 или 350 бар. Однако из-за высокого давления нужны повышенные меры безопасности. Поэтому ученые ищут альтернативные способы, и один из самых перспективных — использование гидридов металлов. Таких соединений очень много, некоторые способны накапливать и выделять водород единожды, другие можно использовать многократно.

О перспективах применения этого способа хранения «Стимулу» рассказали в Центре водородных технологий. ЦВТ создан для развития и консолидации технологических решений в водородной энергетике и занимается формированием в России рынка водородных технологий.

 Одна система хранения, которая содержит примерно 100 кг металлогидридного материала, способна заменить семь баллонов водорода под давлением 150 бар. По занимаемой площади томская установка меньше такого количества баллонов, однако она тяжелее и пока пригодна только для стационарного использования

«Хранение водорода в гидридах металлов в последнее время приобретает все большую актуальность. Сферы применения систем хранения на основе таких соединений могут быть разнообразными, однако из-за их большого веса наиболее целесообразно использовать их в стационарном исполнении. К особенностям метода можно отнести возможность безопасного хранения водорода высокой чистоты при низком давлении (до 40 бар) с очень высокой объемной плотностью (до 150 килограммов на кубометр по сравнению с 39 килограммами на кубометр для водорода при 700 бар). Метод основывается на способности газообразного водорода вступать в химическую реакцию со многими металлами (Mg) или сплавами металлов (FeTi, TiMn2, LaNi5, Mg2Ni), образуя твердые соединения», — пояснил эксперт ЦВТ.

По его словам, при проектировании систем хранения на основе гидридов металлов самое важное — выбор металлического соединения (сплава), именно от него зависят как технические, так и экономические характеристики системы в целом. В последнее время большое внимание уделяют сплаву титан-железо (TiFe), поскольку его применение позволяет снизить стоимость конечной системы более чем в пять раз. Это связано с тем, что цена TiFe гораздо ниже, чем, например, LaNi₅ на основе редкоземельного лантана, который также часто используют в металлогидридных системах хранения. Сплав TiFe имеет хорошие водородсорбционные свойства, поскольку водородоемкость гидрида в массовых процентах составляет 1,86%, а, к примеру, у LaNi₅ это значение равно 1,49%.

За рубежом этой тематикой активно занимаются в Индии, Италии, Китае, ЮАР. В последнее время интерес к TiFe возрос, увеличилось и количество публикаций с исследованиями данного сплава.

Создать системы для массового производства

«Разработка накопителей на отечественной сырьевой базе и создание собственных систем хранения водорода — это задел для обеспечения технологического суверенитета России в области водородной энергетики. В настоящее время во многих странах мира продолжает расти интерес к водородным технологиям благодаря развитию альтернативных и возобновляемых источников энергии, которые в перспективе будут способны заместить традиционные ископаемые топлива, помочь снизить количество вредных выбросов в атмосферу, перейти к устойчивой и экологичной энергетике. Команда ученых Томского политеха работает над созданием систем накопления низкоуглеродной энергии на накопителях водорода для многоразового стационарного использования на основе сплавов лантан-никеля и титан-железа», — рассказал «Стимулу» доцент отделения экспериментальной физики ТПУ Виктор Кудияров.

По его словам, сплав лантана и никеля — один из наиболее изученных в мире металлогидридов, его широко применяют для накопления водорода, но при этом такой сплав — один из самых дорогих. На его основе томские ученые создали систему безопасного хранения водорода, для которой не нужны высокие температуры и давление.

Однако часть сырья для сплава приходится закупать за рубежом, поэтому перед исследователями встала задача синтезировать металлогидриды из отечественной сырьевой базы. Удалось создать сплав титана и железа, а также разработать лабораторную установку хранения водорода с накопителями из этого сплава. Стоимость такого сплава примерно в три раза ниже, чем сплавов на основе лантана и никеля.

 Сейчас накопители используются в виде мелкодисперсных порошков, вместо этого планируется создать накопители-компакты с добавками для повышения теплопроводимости, что приведет к увеличению объемов хранения водорода

«Пока это только лабораторный опытный образец, он представляет собой теплообменную установку, внутри у нее металлогидридный реактор, погруженный в теплоноситель, — поясняет Виктор Кудияров. — Металлогидридный реактор — это объединенные между собой полые металлические камеры, внутрь которых помещен мелкодисперсный порошок из сплава титан-железа. Чтобы система аккумулировала водород, температуру теплоносителя снижают и удерживают примерно на уровне 20 градусов. А чтобы водород десорбировать и использовать, требуется нагреть теплоноситель до 50‒80 градусов».

Одна система хранения, которая содержит примерно 100 кг металлогидридного материала, способна заменить семь баллонов водорода под давлением 150 бар. По занимаемой площади томская установка меньше такого количества баллонов, однако она тяжелее и пока пригодна только для стационарного использования.

«Подобные системы хранения водорода могут применяться в связке с возобновляемыми источниками энергии в труднодоступных населенных пунктах (станции на распределительных узлах газопроводов, отдаленные поселки где-нибудь в Якутии). В настоящее время там используются дизельные электрогенераторы. Можно установить солнечные панели или ветрогенераторы, часть энергии направлять на жизнеобеспечение поселка, а часть — на накопление энергии в виде водорода. Когда солнечный день станет совсем коротким или наступит полярная ночь, источником энергии станет накопленный водород», — поясняет Виктор Кудияров.

В настоящее время ученые продолжают совершенствовать свои системы. Сейчас накопители используются в виде мелкодисперсных порошков, вместо этого планируется создать накопители-компакты с добавками для повышения теплопроводимости, что приведет к увеличению объемов хранения водорода. Кроме того, в дальнейшем необходимо разработать дизайн накопителей.

«Наша цель — создать масштабные системы хранения водорода на отечественной сырьевой базе, пригодные для массового производства», — отметил руководитель отделения экспериментальной физики ТПУ Андрей Лидер.

Интерес к работе ученых Томского политеха уже проявили коммерческие заказчики, и в следующем году установка будет передана индустриальным партнерам.