Водородооборот магния
Давно известный способ удержания водорода в металле претендует на практическое применение и широкое распространение
Многие уверены, что в недалеком будущем мы будем ездить на электромобилях. Однако определенности в том, что будет служить источником энергии в этом автомобиле, пока нет. Да, сегодня в основном это литий-ионный аккумулятор. Но есть и альтернатива — топливный элемент, работающий на водороде. Как считается, более экологичный вариант. Да и вообще, проект декарбонизации мировой экономики в своей основе имеет водород. Предполагается, что именно он станет основным источником энергии.
Сегодня в водородные автомобили водород «загружается» в газообразном виде, в баллонах под давлением. И из-за этого проигрывает литий-ионным аккумуляторам, поскольку при том же объеме в баллонах можно сохранить меньше энергии. К тому же баллоны должны выдерживать высокое давление, что усложняет их производство.
Немецкие ученые из Института производственных технологий и передовых материалов им. Фраунгофера (IFAM, Дрезден, ФРГ) представили новый материал на основе магния, который может накапливать энергии в десять раз больше, чем литиевая батарея сопоставимых веса и размеров. Он также хранит значительно больше энергии, чем в применяемых сегодня баллонах. Этот материал — специальная паста на основе гидрида магния, которая хранит водород при атмосферном давлении. А его высвобождение и дальнейшее использование в топливном элементе не самая сложная техническая задача: гидрид магния взаимодействует с водой при обычной температуре. На выходе — гидроксид магния и водород.
Между тем российская компания «ХитЛаб» из Ульяновска уже год как поставляет исследователям из IFAM основные компоненты для «прорывного» вида топлива, в частности гидрид магния. Более того, у компании есть собственные подобные разработки, и она вполне могла бы наладить аналогичное производство в России при наличии средств на исследования и развитие.
За экологию
Поиск оптимальных решений для создания безопасного источника энергии идет непрерывно, и предложение использовать водород в виде пасты — одно из них. Новый метод может оказаться инновационным, несмотря на кажущуюся простоту. По уверениям разработчиков Powerpaste, процесс получения водородной пасты технологически несложный и не очень затратный. Для ее производства сначала магний смешивают с водородом при температуре около 350 °C и давлении, в пять-шесть раз превышающем атмосферное, с образованием гидрида магния. Сложный эфир и соль металла добавляются для завершения процесса и образования вязкой серой массы, которую можно загружать в картриджи.
По словам разработчиков, автомобили с Powerpaste могут рассчитывать на запас хода, «сравнимый с бензином или даже превышающий его».
Как пояснил в беседе с «Экспертом» технический директор компании «ХитЛаб» Сергей Потапов, если говорить просто, то весь процесс заключается в том, что порошок гидрида магния перемешивается со сложным эфиром (жидкость) до равномерного пастообразного состояния.
По его словам, сам процесс получения гидрида магния относится к опасным производственным процессам и подлежит постановке на учет и строгому контролю. И это отражается на стоимости материала. «При масштабном серийном производстве стоимость одного килограмма гидрида магния можно довести до семи-восьми долларов», — отмечает Потапов.
«Конечно, для изготовления гидрида магния тратится энергия, как и для смешивания пасты, но совсем немного, — признает Сергей Потапов. — Тогда как литий и его соединения, входящие в состав литий-ионных батарей, — токсичный, дорогой и экологически опасный продукт».
При этом, по его словам, у отечественной компании по этой теме есть ряд собственных изобретений. Например, был разработан прототип мобильного источника питания, основанный на химическом источнике водорода — том же гидриде магния. «По нашим расчетам, его энергетическая эффективность оказалась выше, чем у коллег из Германии», — отмечает Потапов.
За чей счет
Спрос на такого рода технологии в России есть. Но проблема заключается в том, что нашим потребителям требуются законченные и полностью работоспособные устройства. Тогда как у разработчиков средств на то, чтобы довести собственные разработки до конца, как правило, не хватает.
«Главные проблемы — отсутствие достаточного для такого уровня задач финансирования и система управления, построенная на “эффективных менеджерах”», — сетует Сергей Потапов.
Для России, по мнению представителей «ХитЛаб», будут актуальны мобильные источники питания (дроны, беспилотники), носимые источники питания, аккумуляторы водорода мегаваттного класса (горизонт окупаемости от пяти лет) для накопления энергии, полученной от возобновляемых источников. При этом вопрос, что именно стоит развивать, чтобы не прогореть в нынешних условиях, остается открытым, поскольку приоритеты, как правило, задает государство.
«Экономическая целесообразность — понятие относительное, нужно сравнивать с другими возможными вариантами и спецификой применения, — полагает Сергей Потапов. — Все зависит от масштаба и целей, так как универсальных решений, как правило, не бывает». По его словам, сейчас компания «ХитЛаб» производит не так много гидрида магния, счет идет на сотни килограммов в год. Но могли бы производить много, если бы были заказы. А с этим как раз проблемы, которые в основном заключаются в большой инерционности продвижения разработок.
За чистоту!
Новый метод привлекателен еще и своей экологичностью. Магний как основа носителя водорода при необходимости может быть использован еще раз. И еще раз. Поскольку, как уже было сказано, после того как водород высвободился из гидрида магния, образуется гидроксид магния. Сам по себе этот материал имеет применение, например, в медицине. «Это абсолютно безопасное для здоровья и экологии соединение», — уверяет Потапов.
С тем, что использование этого продукта безопасно, согласна и большая часть пользователей российского сегмента интернета. «Это такое вещество, которое даже употреблять внутрь можно, от изжоги помогает, — поясняет один из блогеров. — Еще его добавляют в зубную пасту и немного в сахар, чтобы тот не слеживался».
Но это, что называется, побочное явление. Более эффективно будет восстановить гидроксид магния до магния и дальше опять «зарядить» его водородом и вновь использовать как носитель водородной энергии, поясняет Сергей Потапов.
За реализм
У предложенного метода есть и критики. По мнению руководителя Центра компетенций НТИ при Институте проблем химической физики РАН Юрия Добровольского, из инновационного во всей этой истории только паста, сделанная на основе гидрида магния.
«Сама по себе его реакция с водой известна уже давно, — отметил он. — К сожалению, его применение в качестве топлива бесперспективно, особенно для транспорта». Если разработчики заявляют, что эта паста может использоваться для питания дронов, то это вряд ли целесообразно, считает Добровольский. По его мнению, если говорить о массе, то выгоднее взять пять баллонов с водородом, чем этот порошок, вес которого с учетом воды, необходимой для его смешивания, окажется больше.
«Наш опыт в “ХитЛабе”, где мы используем подход с горячим гидролизом в водяном паре, показывает, что наше решение вполне сопоставимо по энергоемкости с подходом, использующим сжатый водород, — парирует Потапов. — Но при этом большим преимуществом при использовании источника водорода на гидриде магния будет отсутствие избыточного давления и, следовательно, безопасность». Отпадает необходимость использовать дорогостоящее компрессорное оборудование, обучать персонал работе с сосудами под высоким давлением и т. д. «Допустим, вам нужно обеспечить источниками питания экспедицию или удаленный объект (где нужны беспилотники, мобильные дроны) с отсутствием инфраструктуры — не потащите же вы туда тяжелые баллоны со сжатым водородом и компрессоры для перекачки?» — отвечает он.
Еще один момент, на который, по словам Добровольского, нельзя не обратить внимание, состоит в том, что получение гидрида магния возможно при огромном давлении при высоких температурах. «Если даже считать стоимость пасты по себестоимости материалов, то водород должен выходить по цене девять долларов за килограмм, — подсчитывает он. — При любом другом способе он получается дешевле, так что с экономикой применение этой идеи тоже никак не срастается».
По словам Юрия Добровольского, с подобной идеей один из российских стартапов носится уже лет пять. Но как только начинают считать экономическую составляющую проекта, становится грустно и приходится откладывать идею до лучших времен.
«Да, носимся в том числе и мы, — сетует Сергей Потапов. — Но если бы лица, ответственные за распределение финансирования, более открыто и доброжелательно смотрели на альтернативные разработки, вполне возможно, что такие источники питания уже применялись бы там, куда не захочется тащить тяжелые баллоны со сжатым водородом и тяжелые нагнетательные компрессоры».
Сегодня многие мировые компании заняты разработкой металлогидридных аккумуляторов водорода, в том числе на основе магния. Расчет здесь на накопление энергии, полученной от ВИЭ. Да, схема, когда электроэнергия, например от ветростанции, напрямую поступает для накопления в литий-ионный аккумулятор, выглядит проще, нежели схема с металлогидридным накопителем. В этом случае между ветряком и накопителем должен еще быть электролизер для выработки водорода, КПД которого на уровне 80%, то есть часть энергии уже потеряется. Зато в металлогидридном накопителе электроэнергия может храниться крайне долго, в отличие от литий-ионного аккумулятора, который саморазряжается со временем. Так что его использование оптимально при компенсации недостатка энергии на коротких временных промежутках, тогда как металлогидридные накопители хорошо покажут себя на длительных промежутках времени.
Варианты накопления и сохранения «зеленой» энергии при помощи водорода рассматриваются самые разные. Ученые всего мира находятся в активном поиске решений. «ХитЛаб» пока в этом же тренде. Главное, из него не выпасть.
Фото: сайт IFAM
Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl