1 / 28

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

ФГУ РНЦ “Курчатовский институт” Институт водородной энергетики и плазменных технологий. НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ _____________________________________________________________________________ В.Н.Фатеев

nuru
Download Presentation

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript


  1. ФГУ РНЦ “Курчатовский институт” Институт водородной энергетики и плазменных технологий НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ _____________________________________________________________________________ В.Н.Фатеев Институт Водородной Энергетики и Плазменных Технологий РНЦ «Курчатовский институт» Пл.Курчатова 1, Москва fat@hepti.kiae.ru Москва, МИРЭА 5 ноября 2008 Российский Научный Центр “Курчатовский Институт”

  2. 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

  3. 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)

  4. ВОДА Электролиз, термохимические циклы Электрическая и тепловая энергия (АЭС, возобновляемые источники энергии) Ископаемое и синтетическое топливо Н2 Конверсия Тепловая энергия (Высокотемпературные реактора) Конверсия Тепловая энергия (Высокотемпературные реактора) Биомасса, биоэтанол модульный гелиевый реактор ПРОИЗВОДСТВО ВОДОРОДА

  5. Н2 Газообразный водород в баллонах (20-70 МПа) (5-10 % Н2) Жидкий водород (15 % 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) ХРАНЕНИЕ И ТРАНСПОРТИРОВКА ВОДОРОДА

  6. Н2 Двигатели внутреннего сгорания КПД до 40% Пароперегрев для турбин Повышение КПД на 1,5-3% Топливные элементы КПД 40-60% (до 85 % с утилизацией тепла) Отсутствие токсичных выбросов ПРИМЕНЕНИЕ ВОДОРОДА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭНЕРГИИ

  7. Электролизеры с ТПЭ - энергопотребление 4.0-4.2 kВт*час/м3 H2t=90C- Чистота водорода > 99.99%- Достигнутый расход платиновых металлов в каталитических слоях: 2,0-3.0 mg/cm2 - Срок службы > 20000 часов Разработаны и производятся электролизеры с производительностью до 2 м3/часи давлением до 30 атм (их усовершенствование в рамках GenHyPEM FP 6 Project) иразрабатывается электролизер на 10 м3/час, 130 атм (проект ФАНИ)

  8. Некоторые достижения в области водородной энергетики в России Созданы высокоэффективные системы и установки (на основе плазменной конверсии углеводородов) получения водорода производительностью 10-1000 м3/час, в частности для инфраструктурыобеспечения водородом экологически чистого транспорта Созданы современные мембранные технологии и системы разделения газов, получения и очистки водорода Созданы эффективные каталитические дожигатели и датчики водорода для обеспечения водородной безопасности

  9. ПЛАЗМЕННАЯ И МЕМБРАННО-КАТАЛИТИЧЕСКАЯ КОНВЕРСИЯ МОТОРНЫХ ТОПЛИВ В ВОДОРОД (СИНТЕЗ-ГАЗ) • БЕНЗО – ВОДОРОДНОЕ • КОМБИНИРОВАННОЕ ТОПЛИВО • ДЛЯ • ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО • СГОРАНГИЯ • ОЧИСТКА ВЫХЛОПА • ДИЗЕЛЬНОГО • ДВИГАТЕЛЯ • ОТ ОКСИДОВ АЗОТА • БОРТОВОЙ ГЕНЕРАТОР ВОДОРОДА • ДЛЯ ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА • ВОДОРОДНОГО ТРАНСПОРТА • - СУДА, ЛОКОМОТИВЫ • (ПЕРСПЕКТИВА) КОМПАКТНЫЙ ПЛАЗМЕННЫЙ КОНВЕРТОР ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СУЩЕСТВУЮЩЕЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ ПРОИЗВОДСТВА, ХРАНЕНИЯ, ТРАНСПРТИРОВКИ И ЗАПРАВКИ ЖИДКИХ МОТОРНЫХ ТОПЛИВ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ВОДОРОДОМ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОГО ТРАНСПОРТА

  10. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИИ: мембранно-каталитическая технология плазменно-мембранная технология • объединение двух или всех трех стадий в одном устройстве: • сдвиг химического равновесия • повышение степени конверсии • снижение энергозатрат

  11. CxHy CxHy C + H2 MeO + C CO + Me ПЛАЗМЕННО-РАСПЛАВНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЯ, ТВЁРДЫХ И ЖИДКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ CaO Шлак CaS Шлак Расплав Металла ОСНОВНЫЕ СТАДИИ ПРОЦЕССА O2 + H2O • Пиролиз углеводородов с получением Н2 • Растворение углеводородов в расплаве • Химическое растворение О2 в расплаве • Восстановление оксидов металла углеродом с получением СО CxHy+ x/2 O2хCO +у/2 H2

  12. Щелочные 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)

  13. Твердооксидные ТЭ основные 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. Созданыбатареи планарных ТЭ мощностью до 50 Вт.

  14. Твердополимерные ТЭ Основные разработчики: РНЦ «Курчатовский институт», ЦНИИСЭТ, Завод «Красная звезда», МЭИ (ТУ) Test bench and different types of PEMFC for tests.

  15. Государственно-частное партнёрство Твердополимерные ТЭ НИК НЭП 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.

  16. 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 Топливный процессор с Pd мембранами Действующий прототип установки Батарея ТЭ

  17. ПРОБЛЕМЫ Высокая стоимость Масштабное применение металлов платиновой группы (в первую очередь – платины) Недостаточный ресурс

  18. Нанотехнологии для водородной энергетики 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.

  19. Моделирование процессов и материалов водородной энергетики ВОДНО-ГАЗОВЫЙ РЕЖИМ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ РОСТ И САМООРГАНИЗАЦИЯ СТРУКТУР НА ПОВЕРХНОСТИ ГЕНЕРАЦИЯ, РАСПРОСТРАНЕНИЕ, ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВЫ ВОДОРОДА

  20. Нанотехнологии для водородной энергетики a) b) Производительность 2 нм3/час Рабочее давление 3 МРа Мощность 8,3 kW 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

  21. Нанопленки и нанокомпозитные материалы: плазменные методы получения Технология синтеза материалов с использованием эффекта захвата наночастиц плазмой Технология получения нанопленок и наноламинатов послойным химическим осаждением в плазме Продувка Динамика коагуляции

  22. 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

  23. Технологии хранения водорода Наноматериалы 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. Применение наноуглеродных материалов, наноструктурных металлогидридов, модификация поверхности сорбентов, изменение ее структуры и пр.) может обеспечить достижение 10% масс. по водороду.

  24. 60 100 200 30 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.

  25. 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!

  26. НЕОБХОДИМЫЕ ДЕМОНСТРАЦИОННЫЕ ПРОЕКТЫ: «ВОДОРОДНАЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА» О.С.Попель

  27. Схема водородного технологического комплекса (применительно к ПЭС) 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») пресная вода водоподготовка кислород ПЭС Блок на 400 кВт Электролизер 100 нм3/час • Кратковременное хранение водорода • абсорбция • баллоны • ожижение • нанотехнологии и др. Электричество Инфраструктура хранения, транспорта и потребления водорода (топливные элементы, ДВС, каталитические системы генерации тепла, станции водородной заправки)

  28. Acknowledgement to FASI (Rosnauka)THANK YOU FOR YOU ATENTION ФГУ РНЦ “Курчатовский институт” Институт водородной энергетики и плазменных технологий БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ

More Related