К концу этого года Научно-исследовательский институт водородной энергетики (НИИ ВЭ, Екатеринбург) Уральского федерального университета должен продемонстрировать прототип стека твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) из материалов российского производства. Конструктивно стек ТОТЭ представляет собой небольшое устройство с размером единичных элементов, как правило, до 15 х 15 см при вырабатываемой электрической мощности около 2 кВт. Особенностями ТОТЭ являются высокая температура эксплуатации (700 — 800 °С) и максимальная эффективность в сравнении с любыми другими устройствами для генерации электроэнергии. Изготавливаемый в НИИ ВЭ прототип стека имеет пока уменьшенные размеры единичных элементов 5 х 5 см, однако уже в ближайших планах — изготовление стека размером 10 х 10 см.

— Разрабатываемый нами стек может быть использован не только как топливный элемент для выработки электроэнергии путем окисления топлива, но и в качестве электролизера для получения чистого водорода методом электрохимического разложения воды, — рассказал журналу «Эксперт-Урал» директор НИИ ВЭ, кандидат химических наук Павел Першин. — Это высокотемпературное устройство способно эффективно работать при наличии мощных источников тепла, в частности на атомных электростанциях. В ночное время избытки электроэнергии, генерируемой АЭС, могут запасаться в виде водорода, а дневные пики энергопотребления могут сглаживаться за счет выработки дополнительной мощности путем электрохимического окисления ранее запасенного водорода с помощью ТОТЭ. Поэтому в качестве потенциального индустриального партнера мы рассматриваем Госкорпацию «Росатом». Кроме того, такие устройства можно использовать для развития распределенной энергетики, например, в небольших частных домохозяйствах и удаленной местности, куда невозможно провести электросети. В качестве топлива может быть использован не только водород, но и углеводороды, что делает данную технологию крайне привлекательной уже сегодня. Коэффициент полезного действия достигает 60%. В сравнении с традиционными энергетическими системами это хороший показатель. В свою очередь, производство водорода можно локализовать в непосредственной близости от заправочных станций (водород — легкий газ, его трудно транспортировать, поэтому использовать его лучше прямо на месте получения).

Отечественный и «зеленый»

Аналогичные электрохимические устройства в области водородной энергетики уже используются в Германии, Японии и ряде других зарубежных стран. Разработки ведут и несколько российских НИИ. Главным отличием уральского устройства станет то, что используемые компоненты будут состоять из отечественных материалов, начиная с самого сырья и заканчивая корпусом изделия. В составе Института водородной энергетики УрФУ выделена отдельная лаборатория, которая занимается исключительно стеклогерметиками, необходимыми для сборки единичных элементов в готовое устройство.

— Здесь мы говорим, пожалуй, о самом экологичном виде топлива, ведь продукт использования водорода — это чистая вода, — подчеркивает важность водородной энергетики Павел Першин. — Но не стоит забывать, что есть проблемы получения водорода, поскольку он не встречается на земле в чистом виде. Получить чистый водород — большая задача, над которой работают многие ученые мира уже не один десяток лет. Вы наверняка слышали о «цветовой» классификации водорода по виду источника для его производства. «Серый» водород получают из природного газа, «синий» — из полезных ископаемых с применением технологии захвата углекислого газа, «коричневый» — из бурого угля, «зеленый» — из возобновляемых источников энергии. Разрабатываемая нами установка предполагает получение самого экологичного, «зеленого» водорода за счет электролиза воды. Второй вариант — с помощью электролиза водородсодержащих газов.

Молодежный набор

Институт водородной энергетики создан в структуре Химико-технологического института Уральского федерального университета год назад — 1 сентября 2022 года, став базовой площадкой реализации стратегического проекта УрФУ «Материалы и технологии для водородной и ядерной энергетики» в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030». Идейный вдохновитель и научный руководитель НИИ ВЭ — доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии электрохимических производств Химико-технологического института Юрий Зайков. Приоритетное направление деятельности НИИ ВЭ — разработка и синтез новых функциональных материалов и устройств с высокими эксплуатационными характеристиками в области водородной энергетики.

— В состав нашего института были включены две молодежные научные лаборатории — лаборатория водородной энергетики и лаборатория электрохимических устройств и материалов, возглавляемые молодыми докторами наук Андреем Суздальцевым и Дмитрием Медведевым. Кроме того, в прошлом году УрФУ и наш основной партнер — Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН, который является лидером в области электрохимического материаловедения, создали совместную научную лабораторию функциональных материалов на основе стекла, сотрудники которой разрабатывают и исследуют составы стеклогерметиков для твердооксидных электрохимических устройств, — описал организационную структуру НИИ ВЭ его директор. — Но, помимо решения чисто прикладных задач, мы занимаемся и фундаментальными исследованиями физико-химических свойств материалов.

На средства госпрограммы «Приоритет 2030» Институт водородной энергетики приобрел современное научное оборудование — как зарубежного (Германия, Япония, Китай), так и российского производства: оборудование для изготовления единичных твердооксидных элементов, рентгенофазовый анализатор, атомный эмиссионный спектрометр для определения состава вещества. Здесь используют высокотемпературные печи для изготовления сложных оксидных материалов (при температурах от 1300 до 1500 °С).

— В институте работают порядка 80 человек. Примерно половина из них — студенты и молодые аспиранты, принятые к нам на работу по программе «Приоритет 2030». Рассчитываем, что в будущем они продолжат с нами сотрудничать. Очень важно, что для подготовки высококвалифицированных специалистов в области водородной энергетики с этого года в УрФУ внедрена новая образовательная программа магистратуры «Материалы и технологии водородной энергетики», в рамках которой студенты могут проходить у нас практику и получать тот опыт, который необходим для последующей работы непосредственно в лабораториях НИИ ВЭ. Руководителем новой образовательной программы является молодой доктор химических наук Наталия Тарасова, — отметил Павел Першин.