Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка методов металлогидридной очистки и хранения водорода, полученного биологическим путем, для использования в топливных элементах

Докладчик: Дуников Дмитрий Олегович

Должность: старший научный сотрудник, доцент, к.ф.-м.н.

Цель проекта:
Разработка эффективного и экологически безопасного метода очистки полученного в результате жизнедеятельности микроорганизмов водорода путем использования свойства интерметаллических сплавов избирательно поглощать водород с образованием гидридов металлов и хранения очищенного водорода в твердофазном связанном состоянии для обеспечения работы топливных элементов. Создание экспериментальных образцов металлогидридной системы очистки и хранения водорода, полученного биологическим путем, действующей без использования дополнительной компрессии водорода и биореактора для получения водорода в результате темновой ферментации, в том числе из органических отходов.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, показал, что использование биоводорода в энергоустановках наталкивается на ряд трудностей, связанных с его биологическим происхождением:
• Низкая производительность по водороду для применимых на практике субстратов. Максимальные выходы водорода (до 4 моль H2/моль глюкозы при темновой ферментации) получены только на специально подготовленном сырье, в 80% всех исследований по биологическому получению водорода в качестве исходного субстрата использовались чистые сахара.
• Необходимость поддержания температуры реактора выше температуры окружающей среды. Затраты энергии на нагрев биореактора могут сместить энергобаланс системы в отрицательную сторону для сырья на основе многих типов органических отходов;
• Низкое содержание водорода в биогазе. При получении биоводорода с использованием темновой ферментации оно обычно меньше 50%. Использование такого биоводорода невозможно в энергоустановках на базе топливных элементов с твердополимерным электролитом, требующих чистоты водорода свыше 99,95%;
• Низкое парциальное давление получаемого водорода, связанное с протеканием процесса при атмосферном давлении. Возникает необходимость использования компрессора, что приводит к росту энергозатрат на производство конечного продукта.
Очистка– важная и затратная часть процесса производства водорода. Например, при крупномасштабном производстве водорода очистка требует как минимум 50%, а иногда и до 80% от общих капвложений в процесс. При производстве водорода методом паровой конверсии энергозатраты составляют порядка 131 МДж/кг, а затраты на очистку могут достигать 29 МДж/кг.
Наиболее эффективным способом очистки биоводорода может оказаться использование гибридных мембранно-адсорбционных методов, в которых предварительная очистка газа осуществляется с помощью полимерных мембран, а финишная очистка – сорбционными методами. Газ, получаемый в биореакторе, например, темнового брожения, сжимается компрессором и направляется в подсистему мембранной очистки, где отделяются все компоненты кроме водорода и углекислоты, разделяемые далее в подсистеме сорбционной очистки. В качестве сорбента могут быть использованы гидриды металла. Отработанный газ может быть утилизирован, например, путем сжигания остаточного водорода для нагрева биореактора и металлогидридных реакторов при десорбции водорода. В настоящее время разработаны хранения и очистки водорода, в том числе и для разделения водорода и углекислого газа, например, экспериментально продемонстрирована возможность продемонстрирована возможность разделения смеси 50% водорода и 50% углекислого газа в металлогидридном реакторе с использованием интерметаллического сплава типа AB_5. В ходе эксперимента выполнена смеси до чистоты водорода свыше 99,99% со степенью извлечения свыше 90%, при этом показано, что количество потерь водорода зависит от времени нелинейно, и снижение нагрузки на сорбент может позволить очищать водород со степенью извлечения вплоть до 99%.
2. В проекте предлагается для очистки водорода, полученного биологическим путем в результате темновой ферментации, без его дополнительной компрессии использовать свойство интерметаллических сплавов избирательно поглощать водород с образованием гидридов металлов и хранить очищенный водород в твердофазном связанном состоянии для обеспечения работы топливных элементов. Основные технические характеристики разрабатываемой продукции:
Тип сплава-накопителя водорода: интерметаллический сплав семейства LaNi_5;
Количество водорода, запасаемое в металлогидридном блоке: не менее 200 нормальных л;
Номинальное давление зарядки биоводородом или модельной смесью водорода (не более 40% объемных) и углекислоты: не более 0,07 МПа (избыточное);
Номинальное давление разрядки металлогидридного блока: не менее 0,05 МПа (избыточное);
Номинальная мощность подключенного топливного элемента: не менее 1 кВт;
Чистота водорода на выходе: не менее 99,90 процентов объемных.
3. В проекте предлагается для очистки водорода, полученного биологическим путем в результате темновой ферментации, без его дополнительной компрессии использовать свойство интерметаллических сплавов избирательно поглощать водород с образованием гидридов металлов и хранить очищенный водород в твердофазном связанном состоянии для обеспечения работы топливных элементов.
В подобной постановке задача поставлена впервые в мире и обладает существенной научной новизной, в результате может быть создана принципиально новая продукция и получены результаты, способные к правовой охране. Проведенные патентные исследования выявили отсутствие охранных документов, препятствующих применению результатов работ в Российской Федерации и других странах.
4. По постановке задачи работа является новой, не имеющей аналогов в мире. В литературе известны предложения по создания системы очистки биоводорода на основе мембранных систем без предварительной компрессии водорода, с использованием, например, мембранных контакторов. В такой системе смесь газов, выходящая из биореактора контактирует с полимерной мембраной, с другой стороны которой находится абсорбент, активно поглощающий один из компонентов смеси. В результате на мембране происходит разделение компонентов, и продуктовый газ обогащается водородом. Отрицательная сторона такого технического решения заключается в том, что происходит очистка биоводорода от одного из примесных газов (углекислоты), в то время как прочие примеси, в том числе те, которые могут нарушить работоспособность или даже повредить топливный элемент, остаются в продуктовом газе, кроме того водород активно проникает через полимерные мембраны, что приводит к увеличению потерь при очистке. Металлогидридный метод лишен этих недостатков.
5. Для подтверждения работоспособности метода и перевода исследований в стадию ОКР и последующей коммерциализации предполагается разработка экспериментальных образцов металлогидридной системы очистки и хранения водорода, полученного биологическим путем, действующей без использования дополнительной компрессии водорода и биореактора для получения водорода в результате темновой ферментации, проведение цикла экспериментальных исследований в обоснование разработки технического задание на проведение ОКР. Предварительные эксперименты и математическое моделирование показывают отсутствие рисков, связанных с невозможностью получения заявленных результатов. Основные ограничения и риски коммерициализации проекта связаны с малым распространением биогазовых технологий в Российской Федерации в настоящее время, государственная поддержка, включая законодательную и нормативную, технологий возобновляемой энергетики может повысить шансы успешного выхода на рынок разрабатываемой технологии.


Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Области применения полученных результатов: биогазовые установки, системы очистки сточных вод от органических загрязнений, автономные и аварийные системы энергообеспечения, разработка накопителей энергии различного типа.
2. Коммерциализация результатов проекта может быть осуществлена путем организации производства автономных источников энергообеспечения для потребителей, не обеспеченных подключением к сетям общего пользования, аварийных и бесперебойных источников энергообеспечения, генераторов высокочистого водорода для различных отраслей промышленности.
3. Эффекты от внедрения результатов проекта включают уменьшение отрицательного техногенного воздействия на окружающую среду, повышения качества жизни и здоровья населения за счет децентрализованного снабжения потребителей экологически чистой энергией и переработки органических отходов.

Текущие результаты проекта:
Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ, проведены патентные исследования в соответствии с ГОСТ 15.011-96, осуществлен выбор направлений исследований по разработке методов металлогидридной очистки и хранения водорода, полученного биологическим путем, разработана математическая модель металлогидридной системы очистки и хранения водорода, полученного биологическим путем, проведены теоретические исследования и математическое моделирование работы металлогидридной системы очистки и хранения водорода, полученного биологическим путем, продемонстрирована работоспособность метода, разработаны уточненные требований к создаваемым экспериментальным образцам, создана эскизная конструкторская документация на экспериментальный образы металлогидридной системы очистки и хранения водорода, полученного биологическим путем и биореактора для получения водорода, разработана программа и методикм испытаний экспериментального образца металлогидридной системы очистки и хранения водорода, полученного биологическим путем, изготовлен экспериментальный образец металлогидридной системы очистки и хранения водорода, полученного биологическим путем.