Upload
nuru
View
96
Download
14
Embed Size (px)
DESCRIPTION
ФГУ РНЦ “Курчатовский институт” Институт водородной энергетики и плазменных технологий. НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ _____________________________________________________________________________ В.Н.Фатеев - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
Росс
ийск
ий Н
аучн
ый
Цен
тр “
Курч
атов
ский
Инс
титу
т”
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
_____________________________________________________________________________
В.Н.ФатеевИнститут Водородной Энергетики и Плазменных
Технологий РНЦ «Курчатовский институт»Пл.Курчатова 1, Москва
[email protected]Москва, МИРЭА 5 ноября 2008
Росс
ийск
ий Н
аучн
ый
Цен
тр “
Курч
атов
ский
Инс
титу
т”
ФГУ РНЦ “Курчатовский институт”Институт водородной энергетики и плазменных технологий
Росс
ийск
ий Н
аучн
ый
Цен
тр “
Курч
атов
ский
Инс
титу
т”
ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА – энергетика, базирующаяся на водороде, как энергоносителе, относится к критическим технологиям
ВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКА (ЭНЕРГЕТИКА) – решение экологических, экономических, социальных проблем и обеспечение устойчивого развития и энергетической безопасности на долгосрочную перспективу
Росс
ийск
ий Н
аучн
ый
Цен
тр “
Курч
атов
ский
Инс
титу
т”
ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА– основные направления
Новые технологии производства водорода
Хранение, транспортировка и распределение водорода
Применение водорода для производства энергии
Водородная безопасность, коды и стандарты
Образование (подготовка и переподготовка специалистов)
Росс
ийск
ий Н
аучн
ый
Цен
тр “
Курч
атов
ский
Инс
титу
т”
ВОДА
Ископаемое и синтетическое топливо
Биомасса, биоэтанол
Электролиз, термохимические циклыЭлектрическая и тепловая энергия(АЭС, возобновляемые источники энергии)
КонверсияТепловая энергия(Высокотемпературные реактора)
КонверсияТепловая энергия(Высокотемпературные реактора)
Н2
модульный гелиевый реактор
ПРОИЗВОДСТВО ВОДОРОДА
Росс
ийск
ий Н
аучн
ый
Цен
тр “
Курч
атов
ский
Инс
титу
т”
ХРАНЕНИЕ И ТРАНСПОРТИРОВКА ВОДОРОДА
Н2Жидкий водород
(15 % Н2)
Газообразный водород в баллонах
(20-70 МПа)
(5-10 % Н2)
Гидриды металлов и сплавов
(до 7 % Н2)
Химические реагенты (NaBH4, Al и т.п.)
(до 12 % Н2)
Углеродные наноструктуры
(до 20 % Н2 ?)
Газгольдеры
(неограниченные объемы хранения)
Трубопроводы
(неограниченные объемы
транспортировки)
Росс
ийск
ий Н
аучн
ый
Цен
тр “
Курч
атов
ский
Инс
титу
т”
ПРИМЕНЕНИЕ ВОДОРОДА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭНЕРГИИ
Н2
Двигатели внутреннего
сгоранияКПД до 40%
Пароперегрев для турбин
Повышение КПД на 1,5-3%
Топливные элементыКПД 40-60%
(до 85 % с утилизацией тепла)Отсутствие токсичных выбросов
Росс
ийск
ий Н
аучн
ый
Цен
тр “
Курч
атов
ский
Инс
титу
т”
Разработаны и производятся электролизеры с производительностью до 2 м3/час и давлением до 30 атм (их усовершенствование в рамках GenHyPEM FP 6 Project) и
разрабатывается электролизер на 10 м3/час, 130 атм (проект ФАНИ)
Электролизеры с ТПЭ
- энергопотребление 4.0-4.2 kВт*час/м3 H2 t=90C- Чистота водорода > 99.99%- Достигнутый расход платиновых металлов в каталитических слоях: 2,0-3.0 mg/cm2
- Срок службы > 20000 часов
Росс
ийск
ий Н
аучн
ый
Цен
тр “
Курч
атов
ский
Инс
титу
т”
Некоторые достижения в области водородной энергетики в Некоторые достижения в области водородной энергетики в РоссииРоссии
Созданы современные мембранные технологии и системы разделения газов, получения и очистки водорода
Созданы высокоэффективные системы и установки (на основе плазменной конверсии углеводородов) получения водорода производительностью 10-1000 м3/час, в частности для инфраструктуры обеспечения водородом экологически чистого транспорта
Созданы эффективные каталитические дожигатели и датчики водорода для обеспечения водородной безопасности
Росс
ийск
ий Н
аучн
ый
Цен
тр “
Курч
атов
ский
Инс
титу
т”
ПЛАЗМЕННАЯ И МЕМБРАННО-КАТАЛИТИЧЕСКАЯ КОНВЕРСИЯ МОТОРНЫХ ТОПЛИВ В ВОДОРОД
(СИНТЕЗ-ГАЗ)
ОЧИСТКА ВЫХЛОПА ДИЗЕЛЬНОГОДВИГАТЕЛЯ ОТ ОКСИДОВ АЗОТА
БЕНЗО – ВОДОРОДНОЕ КОМБИНИРОВАННОЕ ТОПЛИВО ДЛЯДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНГИЯ
БОРТОВОЙ ГЕНЕРАТОР ВОДОРОДАДЛЯ ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА ВОДОРОДНОГО ТРАНСПОРТА- СУДА, ЛОКОМОТИВЫ(ПЕРСПЕКТИВА)
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СУЩЕСТВУЮЩЕЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ ПРОИЗВОДСТВА, ХРАНЕНИЯ, ТРАНСПРТИРОВКИ И ЗАПРАВКИ ЖИДКИХ МОТОРНЫХ ТОПЛИВ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ВОДОРОДОМ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОГО ТРАНСПОРТА
КОМПАКТНЫЙ ПЛАЗМЕННЫЙ КОНВЕРТОР
Росс
ийск
ий Н
аучн
ый
Цен
тр “
Курч
атов
ский
Инс
титу
т”
мембранно-каталитическая технология
объединение двух или всех трех стадий в одном устройстве: сдвиг химического равновесия повышение степени конверсии снижение энергозатрат
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИИ:
плазменно-мембранная технология
Росс
ийск
ий Н
аучн
ый
Цен
тр “
Курч
атов
ский
Инс
титу
т”
ПЛАЗМЕННО-РАСПЛАВНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЯ, ТВЁРДЫХ И ЖИДКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ
Пиролиз углеводородов с получением Н2
Растворение углеводородов в расплаве Химическое растворение О2 в расплаве
Восстановление оксидов металла углеродом с получением СО
ОСНОВНЫЕ СТАДИИ ПРОЦЕССА
Шлак
CaS
O2 + H2O
CxHy C + H2 MeO + C CO + Me
Расплав Металла
CxHy + x/2 O2 хCO +у/2 H2
CxHy
CaO Шлак
Росс
ийск
ий Н
аучн
ый
Цен
тр “
Курч
атов
ский
Инс
титу
т”
Щелочные ТЭЩелочные ТЭ
Легендарный Фотон - 10 кВт (УЭХК) Электромобиль “ВАЗ-2111 - АНТЭЛ-2”
(АвтоВАЗ, РКК «Энергия», УЭХК)
Энергомодуль энергоустановки «ЭЛТЭГ» электрической мощностью 5,2 кВт (6,0 кВт тепловой) на основе щелочных ТЭ (НИК НЭП)
Росс
ийск
ий Н
аучн
ый
Цен
тр “
Курч
атов
ский
Инс
титу
т”
Твердооксидные ТЭосновные разработчики: РФЯЦ-ВНИИТФ, ФЭИ, РФЯЦ-ВНИИЭФ, Институт высокотемпературной электрохимииСоздана 1,5 кВ пилотная установка на основе модулей трубчатой конструкции, которая прошла успешные испытания в течение 500 часов. Ведутся разработки в рамках нового Госконтракта по подготовке производства твердооксидных ТЭ. Созданы батареи планарных ТЭ мощностью до 50 Вт.
Росс
ийск
ий Н
аучн
ый
Цен
тр “
Курч
атов
ский
Инс
титу
т”
Твердополимерные ТЭОсновные разработчики: РНЦ «Курчатовский институт», ЦНИИСЭТ,
Завод «Красная звезда», МЭИ (ТУ)
Test bench and different types of PEMFC for Test bench and different types of PEMFC for teststests..
Росс
ийск
ий Н
аучн
ый
Цен
тр “
Курч
атов
ский
Инс
титу
т”
В 2006 году в рамках федеральной программы выпущен опытный образец энергоустановки на основе твердополимерных топливных элементов (10 кВт)
– РНЦ «Курчатовский институт», ЦНИИ СЭТ, МЭИ. Проект выполнялся при участии НИК НЭП. Новый Госконтракт, направленный на подготовку
производства так же ведется при поддержке бизнесс-структур.
Государственно-частное партнёрствоТвердополимерные ТЭ
НИК НЭП
Росс
ийск
ий Н
аучн
ый
Цен
тр “
Курч
атов
ский
Инс
титу
т”
Установка с твердополимерным ТЭ мощностью 3-5 кВт ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ»
Разработка Ведется по заказу ОАО «Газпром». Батарея производства «Arcotronics Fuel Cells» (Италия) закуплена в рамках проекта МНТЦ
Батарея ТЭ
Действующий прототип установки
Топливный процессор с Pd
мембранами
Росс
ийск
ий Н
аучн
ый
Цен
тр “
Курч
атов
ский
Инс
титу
т”
ПРОБЛЕМЫ
Высокая стоимостьМасштабное применение металлов
платиновой группы (в первую очередь – платины)
Недостаточный ресурс
Росс
ийск
ий Н
аучн
ый
Цен
тр “
Курч
атов
ский
Инс
титу
т”
Нанотехнологии для водородной энергетики
нанокатализаторы для электролизеров и топливных элементов (увеличение удельной производительности, снижение расхода металлов платиновой группы, кардинальное повышение срока службы);
наноструктурированные мембраны и элементы (для систем получения и очистки водорода, для водородных сенсоров);
нанопленки, наноструктуры, нанопокрытия для пассивных элементов водородной безопасности.
Росс
ийск
ий Н
аучн
ый
Цен
тр “
Курч
атов
ский
Инс
титу
т”
Моделирование процессов и материалов водородной энергетики
Stoichiometric ratio of anode flow, rel.
2 4 6 8 10 12
Sto
ichi
omet
ric ra
tio o
f cat
hode
flow
, rel
.
2
3
4
5
6
ГЕНЕРАЦИЯ, РАСПРОСТРАНЕНИЕ, ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВЫ ВОДОРОДА
ВОДНО-ГАЗОВЫЙ РЕЖИМ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
РОСТ И САМООРГАНИЗАЦИЯ СТРУКТУР НА ПОВЕРХНОСТИ
Росс
ийск
ий Н
аучн
ый
Цен
тр “
Курч
атов
ский
Инс
титу
т”
Электронные фотографии (х 5000) различных разработанных
нанокатализаторов для электролизеров и топливных
элементов
Стендовая водородно-воздушная ТПЭ ТЭ батарея
мощностью 1 кВт
• Увеличение производительности на 20%• Снижение расхода металлов платиновой группы в 2-3 раза• Повышение срока службы электрокатализаторов на 30-50%
Промышленный образец ТПЭ электролизера
Производительность 2 нм3/час
Рабочее давление 3 МРа
Мощность 8,3 kW
Нанотехнологии для водородной энергетики a)
b)
Росс
ийск
ий Н
аучн
ый
Цен
тр “
Курч
атов
ский
Инс
титу
т”
Нанопленки и нанокомпозитные материалы: плазменные Нанопленки и нанокомпозитные материалы: плазменные методы полученияметоды получения
Технология получения нанопленок и наноламинатов послойным химическим
осаждением в плазме
Технология синтеза материалов с использованием эффекта захвата
наночастиц плазмой
Продувка
Динамика коагуляции
Росс
ийск
ий Н
аучн
ый
Цен
тр “
Курч
атов
ский
Инс
титу
т”
Наноматериалы для водородной энергетики КОМПОЗИТНЫЕ МЕМБРАНЫ НА ОСНОВЕ СПЛАВОВ ПАЛЛАДИЯ И ПОРИСТОЙ
КЕРАМИКИ С НАНОСТРУКТУРНЫМ ПОВЕРХНОСТНЫМ СЛОЕМ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОЧИСТОГО ВОДОРОДА
Использование эффектов структурной эволюции Рd-содержащих сплавов для повышения селективности и производительности
Мембранно-каталитический реактор
Росс
ийск
ий Н
аучн
ый
Цен
тр “
Курч
атов
ский
Инс
титу
т”
Применение наноуглеродных материалов, наноструктурных металлогидридов, модификация поверхности сорбентов, изменение ее структуры и пр.) может обеспечить достижение 10% масс. по водороду.
Технологии хранения водородаНаноматериалы для водородной энергетики
в виде сжатого газа (200 - 700 атм и более);
в жидком виде в криогенных условиях;
в виде жидких углеводородов, спиртов с возможностью коверсии на борту транспортного средства;
в химически связанной форме (включая гидриды металлов);
в физически связанной (сорбированной) форме.
Росс
ийск
ий Н
аучн
ый
Цен
тр “
Курч
атов
ский
Инс
титу
т”
Водородная безопасность, коды и стандарты
Проведение теоретических и экспериментальных исследований в обеспечение водородной безопасности. Разработка математических моделей и программного обеспечения.
Разработка и создание новых методов и технических средств обеспечения пожаровзрывобезопасности водородных технологий и систем. (Датчики, дожигатели с наноструктурными катализаторами)
Научное сопровождение разработки национальных стандартов и кодов водородной безопасности и их гармонизация с международными нормативными документами.
200
100
60
30
Росс
ийск
ий Н
аучн
ый
Цен
тр “
Курч
атов
ский
Инс
титу
т”
ПЕРЕХОД К ВОДОРОДНОЙ ЭКОНОМИКЕ• США• НИОКР и демонстрационные проекты – 2000-2030 гг.• Коммерциализация (начальная стадия) – 2004-2015 гг.• Создание инфраструктуры, развитие рынков – 2005-2038 гг.• Переход к водородной экономике – 2022-2045 гг.• РОССИЯ (финансируемые проекты)• НИОКР 2000-2009 гг.• Коммерциализация (начальная стадия) - 2009-2015 гг.• Создание инфраструктуры, развитие рынков - ?????• Переход к водородной экономике - ?????
Государственная поддержка проектов останется доминирующей до 2015-2020 гг.!Отсутствие эффективной мотивации регионов и бизнес-структур; отсутствие программы демонстрационных проектов водородной энергетики в регионах и России в целом – может привести к отставанию в темпах перехода к водородной экономике!
Росс
ийск
ий Н
аучн
ый
Цен
тр “
Курч
атов
ский
Инс
титу
т”
НЕОБХОДИМЫЕ ДЕМОНСТРАЦИОННЫЕ ПРОЕКТЫ: «ВОДОРОДНАЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ
ЭНЕРГЕТИКА»О.С.Попель
Росс
ийск
ий Н
аучн
ый
Цен
тр “
Курч
атов
ский
Инс
титу
т”
ПЭС
Электролизер
Кратковременное хранение водорода
•абсорбция•баллоны•ожижение•нанотехнологии и др.
Инфраструктура хранения, транспорта и потребления водорода
(топливные элементы, ДВС, каталитические системы генерации тепла, станции водородной заправки)
пресная вода
водоподготовка
100 нм3/час
Электричество
Блок на 400 кВт
кислород
ФГУ РНЦ “Курчатовский институт”Институт водородной энергетики и плазменных технологий
ФГУ РНЦ “Курчатовский институт”Институт инновационной энергетики
ФГУ РНЦ “Курчатовский институт”Институт ядерных реакторов
Проработка демонстрационного проекта использования водородного аккумулирования энергии на Северной приливной
электростанции (ОАО «НИИЭС» и РНЦ «Курчатовский институт»)
Росс
ийск
ий Н
аучн
ый
Цен
тр “
Курч
атов
ский
Инс
титу
т”
БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ
ФГУ РНЦ “Курчатовский институт”Институт водородной энергетики и плазменных технологий