За почти два столетия наука далеко продвинулась в создании топливных элементов. Когда-то они использовались преимущественно в космической отрасли, а в XXI веке прочно вошли и в наш быт. Скажем, в Японии и Германии электрогенераторы с планарными (плоскими) твердооксидными топливными элементами уже начали завоевывать рынок: с такой установкой дом можно и осветить, и обогреть. А в случае успешной реализации проекта РНФ «Формирование научно-технологического задела по созданию энергоустановки, совмещенной с каталитическим риформером и сочетающей компактность, высокую эффективность и быстроту запуска» у российских производителей появится шанс занять свою нишу в портативной энергетике и сформировать рынок источников питания для мобильных устройств.
– Среди многообразия топливных элементов, а они бывают низкотемпературные с полимерной мембраной, высокотемпературные с различными щелочными или кислотными электролитами и др., твердооксидные стоят особняком, так как могут использовать в качестве топлива и углеводороды, например, природный газ (метан), – поясняет руководитель проекта, директор Института химии твердого тела и механохимии (ИХТТМ) СО РАН член-корреспондент РАН Александр Немудрый (на снимке). – Правда, метан для начала необходимо перевести в синтез-газ в специальном устройстве – риформере. Что удобно: температуры реакции конверсии метана и работы топливного элемента совпадают – примерно 8000C, поэтому оба процесса можно совместить в одном устройстве – компактном электрохимическом генераторе.
Как уже упоминалось, твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) бывают различной геометрической формы. Планарные могут годами работать, не отключаясь, но быстро разогреть их до 800 градусов не получится – тепловой шок приведет к разрушению устройства. Именно поэтому в ИХТТМ в 2014 году предложили использовать другой вид ТОТЭ – микротрубчатые (МТ ТОТЭ). Проведя первые эксперименты с МТ ТОТЭ и получив первые результаты, ученые поняли перспективность новых источников электроэнергии для портативной энергетики.
– МТ ТОТЭ можно нагревать достаточно быстро, поскольку трубчатая геометрия компенсирует тепловые шоки, особенно если использовать микротрубки, где тонкие слои и пористая подложка, – комментирует представитель индустриального партнера проекта, генеральный директор ООО „Научно-исследовательский центр «ТОПАЗ»“ Александр Сивак. – Нам всем знакома ситуация: разрядился гаджет, а розетки поблизости нет. Наша разработка позволит решить эту проблему достаточно просто: можно носить в рюкзаке баллончик с газом, в случае необходимости подключать его к устройству, в котором риформер метана в синтез-газ скомбинирован с микротрубчатым модулем, генерирующим электроэнергию, и через пять минут начинать зарядку смартфона или самоката. Ниша портативных генераторов для маломощных устройств сейчас занята литий-ионными аккумуляторами, но у них небольшая энергоемкость, да и время жизни ограничены. А у генератора с МТ ТОТЭ энергоемкость определяется лишь количеством газа, который у нас с собой. Устройство можно включать и выключать по необходимости, баллончик – вновь наполнять газом.
Однако за кажущейся простотой этой идеи стоит масса нерешенных фундаментальных проблем.
Химикам нужно решить две глобальные научные задачи. Во-первых, изучить факторы, влияющие на эффективность генерации электроэнергии с помощью МТ ТОТЭ, и, поняв их, разработать новые электродные материалы. Во-вторых, топливо для таких устройств должно быть общедоступным, чтобы организовать сеть «заправок» для баллончиков. Если рассматривать метан, необходимо его легко конвертировать внутри устройства в водородсодержащий синтез-газ. Словом, задачи настолько многоплановые, что силами одного института не обойтись.
– Мы как химики твердого тела хорошо понимаем электродные процессы. Наши коллеги из Института катализа СО РАН специализируются на каталитических процессах риформинга. Мы привлекли к проекту очень сильную группу под руководством профессора Владимира Собянина, – рассказывает А.Немудрый. – Кроме того, в рамках этого проекта сотрудничаем и с Уральским отделением РАН – специалисты Института химии твердого тела УРО РАН будут разрабатывать новые электродные материалы, а еще одна группа уральских ученых займется вспомогательными материалами, без которых не создать портативный электрохимический генератор: герметиками, интерконнекторами. Что касается коллектива проекта, мы просто вынуждены привлекать молодежь: у нас, как и во многих академических институтах, сотрудники делятся на две группы – 60+ и 30-. Но, не скрою, я нашими молодыми ребятами очень доволен: толковые, работящие, энтузиасты, переполнены научными идеями. Словом, хотят и умеют работать, уже прониклись тематикой проекта и засучили рукава. А осенью мы, как и предусматривают условия гранта РНФ, с огромным удовольствием проведем школу для молодых ученых.
Проект РНФ рассчитан на четыре года – с 2021-го по 2024-й. Сначала химики будут решать вышеупомянутые фундаментальные и прикладные задачи, а поняв, как максимально эффективно конвертировать метан в синтез-газ и энергию топлива – в электроэнергию, приступят к созданию стендов и лабораторных макетов нового устройства. А здесь на сцену выйдет индустриальный партнер проекта ООО „Научно-исследовательский центр «ТОПАЗ»“ (НИЦ «ТОПАЗ»).
Поисковыми работами ИХТТМ СО РАН по микротрубчатым твердооксидным топливным элементам заинтересовалась российская Группа компаний «ИнЭнерджи», специализирующаяся на электрохимических технологиях и индустриальных решениях на их основе. С учетом собственных разработок «ИнЭнерджи» в лице НИЦ «ТОПАЗ» решила выступить долгосрочным индустриальным партнером института для исследований по тематике МТ ТОТЭ. Соответственно, когда зашла речь об участии в конкурсе Российского научного фонда на проведение исследований лабораториями мирового уровня с целью реализации приоритетов научно-технологического развития РФ, вопрос о поиске индустриального партнера для ИХТТМ не стоял, им стал НИЦ «ТОПАЗ», планирующий сформировать собственное производство и вывести на мировой рынок одноименный портативный электрохимический генератор на основе МТ ТОТЭ.
– Огромная проблема: при трансформации научной идеи в рыночный продукт преодолеть так называемую «долину смерти». В мире признано, что есть классические девять уровней технологической готовности проекта, инжиниринг в различных классификациях занимает от четвертого до шестого-седьмого уровней. Причем большая часть технологий «умирает» именно на этом этапе. Технология проходит научные лаборатории, но не может из академического института «перепрыгнуть» в промышленность. Раньше успешно работала связка «академические институты – отраслевые НИИ – предприятия», но за годы перестройки она, к сожалению, разрушилась. Многочисленные попытки построить какие-то новые механизмы к успеху не приводили. До появления проектов РНФ такого рода. Эти проекты – на мой взгляд – прекрасный пример того, как государство должно участвовать в процессе создания технологий и помогать им развиваться. Надеюсь, правительство заметит, оценит и масштабирует опыт Российского научного фонда, – подчеркивает Немудрый.
К сотрудничеству индустриального партнера стимулирует даже сама схема гранта: финансирование идет с двух сторон, от РНФ и от компании, причем по мере развития проекта государственное финансирование снижается, а частное – возрастает.
– После окончания проекта компания НИЦ «ТОПАЗ» должна использовать результаты сделанных нами фундаментальных разработок и к 2027 году вывести на рынок новые изделия, перспективные для ниши маломощных (от 30 до 300 ватт) электрохимических источников питания, необходимых и в домашнем хозяйстве, и для питания автономной электроники, и в качестве изделий двойного назначения. Кроме того, НИЦ «ТОПАЗ» поможет нам решить технологические и инжиниринговые задачи в создании прототипов: скажем, мы изготавливаем единичный микротрубчатый ТОТЭ, но надо же 30 трубочек между собой соединить, подать на них кислород, подвести тепло, снять полученную электроэнергию. Не могу не отметить удачный симбиоз с инжиниринговой компанией, которая берет на себя решение этих проблем. А затем они – конечно, с нашим научным сопровождением – превратят лабораторный прототип в опытный образец, доведут его до производства и начнут выводить на рынок, – добавляет Александр Петрович.
Рынок портативных электрохимических генераторов, несомненно, огромен. Например, обычному гражданину портативный генератор пригодится хоть по дороге на дачу, хоть при поездке на электрическом самокате. Нетрудно догадаться, что успешная работа коллектива проекта обеспечит создание целой отрасли новых источников электропитания и устройств, предназначенных для мобильного применения. А использование высококалорийного топлива позволит получить на порядок более высокую весовую энергоемкость для автономных устройств по сравнению с лучшими типами литий-ионных аккумуляторов.
– Укрепление позиций России в мировой энергетике предсмотрено «Энергетической стратегией РФ на период до 2035 года». Мы сейчас догоняем Японию и Германию в области разработки планарных топливных элементов: Институт физики твердого тела РАН готовит стационарные установки на их основе к промышленному производству. В случае с микротрубчатыми твердооксидными топливными элементами у нас есть шанс вырваться вперед: если работы по их применению и ведутся, то исключительно военными, а в научных исследованиях наш уровень вполне соответствует мировому, – комментирует директор ИХТТМ. – Выполнение проекта РНФ приведет не только к решению фундаментальных и прикладных научных задач, но и к созданию новых технологий риформинга, новых электродных материалов и, наконец, перспективных энергетических установок российского производства. А учитывая, что баллончики с газом понадобится где-то заправлять, надеюсь, вскоре речь пойдет и об опережающем создании объектов распределенной инфраструктуры энергетики.
Что приятно, кусочек от этого пирога достанется и родному для Института химии твердого тела и механохимии СО РАН региону – Новосибирской области. В Новосибирске давно работает завод «НЭВЗ-Керамикс», специализирующийся на синтезе соединений и компонентов топливных элементов. Сейчас он активно сотрудничает с Институтом физики твердого тела по производству материалов для планарных ТОТЭ. И Александр Петрович Немудрый уверен, что на такой базе можно производить и необходимые компоненты для микротрубчатых твердокосидных топливных элементов, которые вполне могут через несколько лет стать будущим мобильной, компактной и экологически чистой энергетики.
