Дизайн новых функциональных материалов с высокими эксплуатационными характеристиками для электрохимических устройств и процессов в интересах водородной и ядерной энергетики

Projeto: Development Project

Detalhes do projeto

Description

Проект реализуется в рамках программы "ПРИОРИТЕТ 2030".
Целями перехода на водородную энергетику является существенное снижение эмиссии парниковых газов и снижение зависимости от невозобновляемых источников энергии, однако доминирующие сегодня технологии производства водорода путем конверсии углеводородного топлива не обеспечивают достижению этих целей. Ведущее место среди «зеленых технологий» занимает технологии электролиза воды при использовании электроэнергии от возобновляемых источников или атомных электростанций. Широкое промышленное применение электролиза воды ограничивает высокая себестоимость электролизного водорода, связанная с высокими энергозатратами и высокой стоимостью электроэнергии.
Важными особенностями энергосистемы Российской Федерации является растущий избыток генерирующих мощностей, относительно высокая доля АЭС и ГЭС в общей генерации электроэнергии, а также высокая сезонность потребления электроэнергии, что делает весьма перспективным развитие в нашей стране технологий электролизного получения водорода. Таким образом, у Российской Федерации есть стратегические возможности по выходу на глобальный рынок водорода при использовании избытков генерирующих мощностей с утилизацией части сбросного тепла при использовании высокотемпературного электролиза воды. Энергетическая стратегия на период до 2035 года предусматривает вхождение Российской Федерации в число мировых лидеров по производству и экспорту водорода: экспорт водорода к 2024 году должен составлять 0,2 млн. тонн, а к 2035 году ‒ не менее 2 млн тонн в год.
Проблема, на решение которой направлен проект, заключается в необходимости разработки экономически приемлемых технологий производства высокочистого электролизного водорода для аккумулирования избыточной электрической энергии в водородном цикле с целью последующих поставок водорода как энергоносителя на внутренние и экспортные рынки.
Сегодня технология высокотемпературного электролиза воды все еще находится в стадии предварительных и фундаментальных исследований, что определяет высокую стоимость электролизных установок, низкий доказанный срок службы стеков электрохимических элементов, высокий уровень деградации электрохимических характеристик в процессе электролиза. Заявленный проект предполагает разработку новых материалов и инновационных технологий для создания нового поколения твердооксидных электролизеров получения водорода с меньшими удельными затратами электроэнергии и меньшими массогабаритными характеристиками по сравнению с существующими продуктами. Новизна подхода заключается в том, что впервые в России разрабатывается технология создания твердооксидных электролизеров для получения водорода с использованием новых материалов и инновационных технологий, в том числе, с привлечением аддитивных технологий. Предполагается, что аддитивные технологии будут использоваться для формирования многослойных структур при изготовлении единичных элементов. Благодаря экологичности и модульной конструкции устройства могут быть использованы при создании экологически чистого транспорта и для стационарного применения, в качестве источника тепловой и электрической энергии в удаленных местах.
Создание технологий, напрямую связанных с генерацией энергии, невозможно без создания систем хранения энергии, установок генерации топлива, переработки топлива и отработанных материалов, устройств контроля. Имеющиеся технологии в области накопления энергии не удовлетворяют современным экологическим требованиям и главным образом возрастающим требованиям к автономности. Для создания систем накопления энергии нового поколения требуются новые методики синтеза и более глубокое исследование свойств получаемых материалов. Кроме того нерешенной остается проблема безопасного хранения и транспортировки водорода.
Для создания устройств водородной энергетики и фотоники необходимы новые функциональные материалы, синтез которых связан с повышенными требованиями к исходным веществам. Как правило, исходными веществами для такого рода перспективных материалов являются соли и оксиды редких и редкоземельных материалов. Отсутствие в Российской Федерации стабильных источников редких и редкоземельных материалов, а так же технологий получения высокочистых индивидуальных соединений, содержащих редкоземельные элементы делает актуальной задачу реализации технических решений по извлечению из различных руд и отходов производства и доведению до требуемых эксплуатационных показателей соединений редких и редкоземельных элементов.
Таким образом в рамках проекта предполагается создание полного технологического цикла, которое включает в себя: 1. Разработку инновационных технологий синтеза исходного сырья для создания электродных материалов. 2. Синтез электродных материалов для устройств преобразования и накопления энергии, для устройств электрохимической генерации топлива. 3. Разработку технологии и создание электрохимических устройств конверсии на основе созданных материалов 4. Разработку технологий масштабирования и создания стеков устройств для достижения требуемых характеристик.
Реализация проекта предполагает выполнение нескольких этапов работы:
2021-2023:
– Поиск новых и оптимизация характеристик известных материалов с целью их практического применения в устройствах водородной и ядерной энергетики;
– Синтез и исследование физико-химических свойств материалов с заданной структурой для устройств разделения веществ и накопления и преобразования энергии;
- Исследование влияния условий синтеза на процесс формирования электродных материалов; определение основных закономерностей протекающих процессов;
- Разработка новых технологических принципов создания материалов;
- Адаптация лабораторных методик для задач масштабирования;
2024-2026:
- Аттестация материалов и оптимизация их свойств и структуры;
- Исследование электронной структуры и процессов деградации материала на атомарном уровне;
– Разработка прототипов устройств и их испытание;
- Поиск новых направлений применения созданных материалов;
2027-2030
- Создание технологии масштабирования полученных материалов и устройств;
–Разработка демонстрационных макетов и стеков, лабораторных установок на основе достигнутых результатов при реализации предыдущих этапов;
- Создание математических моделей разрабатываемых устройств и их параметров;
- Разработка технических решений по созданию высокотехнологического оборудования для получения исходных веществ и синтеза электродных материалов.
Acrónimo1.1
EstadoAtivo
Data de início/fim efetiva01/01/202131/12/2022

Financing

  • Financing: Act 729 Government of the Russian Federation, contract № 075-15-2021-1331