В Уральском федеральном университете (УрФУ) близится к завершению первый этап разработки высокотемпературного топливного элемента, работающего на водороде. Прототип уральских ученых, созданный совместно с коллегами из Института высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН в ходе программы «Приоритет 2030», будет представлен до конца года. Что именно он из себя представляет, в чем преимущество водородной энергетики и почему интерес к ней растет — в материале URA.RU. Отечественная разработка Для разработки технологий и материалов в сфере водородной энергетики в УрФУ был создан Научно-исследовательский институт водородной энергетики (НИИ ВЭ), научным руководителем которого стал доктор химических наук, профессор и заведующий кафедрой Технологии электрохимических производств Химико-технологического института УрФУ Юрий Зайков. По словам директора НИИ ВЭ Павла Першина, сегодня в институте заняты разработкой высокотемпературного электрохимического устройства, работающего на водороде. «Мы работаем над высокотемпературными технологиями, которые будут применяться в области именно водородной энергетики. Это устройство может работать как электролизер для получения чистого водорода путем разложения воды. То есть подавая на электролизер ток, на выходе мы будем получать водород. Также стек может быть использован как топливный элемент для получения энергии путем окисления водородного топлива», — отмечает Першин. Разработка ученых может эффективно работать при наличии мощных источников тепла — например, АЭС. Ночью избытки генерируемой на ней электроэнергии могут быть накоплены в виде водорода, а днем, в пиковые моменты потребления, запасенный водород используется для выработки дополнительной энергии. Она получается от электрохимического окисления с помощью твердооксидного топливного элемента (ТОТЭ). Также устройство можно использовать в небольших домохозяйствах или на удаленной местности, куда сложно провести электросети. Исследователи уже завершили разработку и создание высокотехнологичных материалов, из которых в будущем будут создаваться ТОТЭ. Это полностью отечественные компоненты, созданные УрФУ совместно с Институтом высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН. Ранее такие элементы России приходилось закупать из-за рубежа. Материалы нового поколения Павел Першин указывает, что топливные элементы на водороде уже известны науке, но современное оборудование и технологии позволяют усовершенствовать их конструкцию. Благодаря этому у энергоустановки повышается КПД. «Пока это первый прототип. Устройство, которое мы должны показать, называется стек. Он состоит из единичных элементов (пластин) площадью 25 квадратных сантиметров, которые складываются друг на друга и соединяется вместе», — говорит Першин. В дальнейшем исследователи планируют работать над увеличением площади единичных элементов стека, а также над совершенствованием его материалов. Кроме того, в УрФУ с 2023 года внедрена образовательная программа магистратуры «Материалы и технологии водородной энергетики». Ее студенты проводят фундаментальные исследования в области неорганического материаловедения для создания инновационных материалов. Вода вместо выхлопов Интерес к водороду возрос во всем мире из-за бурного развития «зеленой» энергетики. Она намного экологичнее бензина или угля. «Мы все знаем минусы угля и газа. Это доступно, но неэкологично. Атомная промышленность развивается активно, но АЭС не везде можно строить. Водородная энергетика рассматривается как альтернативная. Но при этом ее преимущество — это экология. Потребляя водород в качестве топлива, на выходе мы будем получать только воду», — отмечает Першин. «Зеленый» водород получается при его выработке с использованием энергии солнца, воды или ветра — такое топливо вообще не выделяет парниковые газы. Но в градации водородной энергетики он также может быть «серым», «голубым», «оранжевым» и даже «бирюзовым» — эти цвета отражают способы получения газа. Например, «серый» водород выделяется из природного газа с выделением углекислого. «Голубой» отличается от серого тем, что парниковый газ улавливается, а не попадает в воздух. «Бирюзовый» водород еще чище: природный газ тут разлагается на водород и твердый углерод, который можно использовать в металлургии. А «оранжевый» водород выделяют с помощью энергии от АЭС. В теории водород можно получать из воды, разлагая ее составляющие элементы (водород и кислород). Но пока создавать такое топливо невыгодно экономически. Самым доступным сырьем здесь остается природный газ, нефть и другие углеводороды. Альтернатива электричеству и бензину Кроме того, водород отличается высокой энергоэффективностью. По этому параметру он превосходит бензин. «Если КПД бензинового двигателя внутреннего сгорания составляет 30-35%, то у водородных установок КПД может дойти где-то до 60%. Поэтому если рассматривать водород как топливо для автомобилей будущего, то в плане КПД он обладает преимуществом», — указывает Павел Першин. Водородная установка не боится холода в отличие от аккумуляторов. Поэтому разработками в сфере водорода активно интересуются автомобильные компании: Toyota, Hyundai, «КамАЗ» и т. д. Например, с 2014 года в Японии производят водородный автомобиль Toyota Mirai, который может проехать свыше 500 км на 8 килограммах водорода. А «КамАЗ» готовится в 2024 году презентовать отечественный автобус на водороде. Ему одной заправки хватит на 250 км пути.

прочитать статью полностью