Центр компетенций НТИ «Водород как основа низкоуглеродной экономики»

Реализуется с целью комплексного развития сквозной технологии «Водородные технологии» Национальной технологической инициативы.

Центр создан в конце 2021 года и объединяет партнеров, имеющих компетенции в ключевых направлениях развития водородных технологий: получение и выделение водорода, его транспортировка, хранение и использование.

Функционирование Центра позволит сосредоточить ресурсы на развитии следующих водородных технологий:

малотоннажное производство водорода окислительной конверсией природного газа или его пиролизом;
мембранное, адсорбционное и абсорбционное выделение водорода;
получение водорода из биомассы и воды;
прямое применение энергии света для получения водорода;
сжижение водорода и его хранение в виде жидких органических носителей;
создание водородных топливных элементов.
высокоэффективные катализаторы сероочистки природного газа, низкотемпературной паровой конверсии оксида углерода и синтеза метанола.

Эти технологии востребованы как в уже существующих отраслях промышленности – нефтепереработке, нефтехимии, газохимии, нефтедобыче, энергетике, автомобилестроении, судостроении, авиастроении, сельском хозяйстве, пищевой промышленности, металлургии, так и на формирующихся рынках Энерджинет, Аэронет, Автонет, Маринет, Технет, Фуднет, Хоумнет.

Цели и задачи

Результаты деятельности

Значимые результаты научно-исследовательской деятельности

2023 год

«Водородная заправка».
- Центром НТИ при сотрудничестве с организациями - участниками Консорциума была проведена наработка и исследование новых материалов для процессов получения, выделения и использования водорода, были разработаны модели процессов, новые технические решения для процессов получения водорода:
  - адсорбентов для КЦА на основе цеолита NaX;
  - мембран для выделения водорода;
  - металлических и композитных мембран для выделения водорода;
  - катализаторов пиролиза природного газа;
  - структурированные катализаторы паровоздушной и парокислородной конверсии природного газа;
  - методики получения каталитических слоев для ТЭ.

«Биоводород для генерации электроэнергии».
- Была проведена разработка технологических основ приготовления материалов для компонентов энергоустановки:
  - материалов, входящих в состав каталитического риформера топлива для получения синтез-газа для питания батареи твердооксидных топливных элементов;
  - водород-аккумулирующих материалов, которые могут использоваться как резервный источник водорода во время работы, запуска или останова энергоустановки;
  - материалов, используемых при приготовлении и сборке батарей твердооксидных топливных элементов: катодов, анодов, электролитов, стеклогерметиков и материалов для токовой коммутации мембранно-электродных блоков в батарее ТОТЭ.

«Водород для Е-химии и Е-топлива, как основа низкоуглеродной экономики».
- Показано, что наиболее перспективной твердой каталитической системой для превращения глюкозы в этиленгликоль (ЭГ) и 1,2-пропиленгликоль (ПГ) представляется катализатор 27%Ni-W@C. С использованием предложенного катализатора максимальный суммарный выход ЭГ+ПГ в статическом реакторе идеального смешения в режиме периодического действия составил 524 мг/ггл или 52,4 %.
- Подготовлены Исходные данные для технологического проектирования (Получение этиленгликоля из растительного углеводного сырья, мощность производства 1 тыс. тонн в год).

«Крупнотоннажный водород для низкоуглеродной экономики».
- Разработана методология синтеза органических субстратов носителей водорода из каменноугольной смолы, являющейся крупнотоннажным отходом. Разработана методология синтеза отечественных платиновых катализаторов для процессов гидрирования/дегидрирования ЖОНВ. Разработан процесс запасания водорода в составе наиболее перспективного органического носителя – дибензилтолуола с использованием альтернативных никелевых катализаторов.
- Проведена наработка укрупненных партий алюмоникелевых катализаторов для процессов тонкой очистки водорода от кислорода и орто-пара конверсии водорода и осуществлены предварительные исследования этих процессов. Разработан и создан экспериментальный стенд для исследования гидравлических характеристик катализатора орто-пара конверсии водорода, произведены исследования путем пропускания гелия через насыпной слой катализатора.

Разработана технология получения высокочистого порошкового гидроксида алюминия (ПГА) методом нитратно-аммиачного переосаждения. Разработана технология получения шарикового оксида алюминиия из ПГА. Введена в эксплуатацию линия опытного производства ПГА.

2022 год

«Водородная заправка».
- создан и испытан прототип блока получения чистого водорода на основе матричной конверсии (парциального окисления) природного газа, состоящий из реактора матричной конверсии и мембранного реактора паровой конверсии моноксида углерода. В ходе испытаний был получен водород чистотой более 99.99 %.
- разработан метод модификации цеолитных адсорбентов для короткоцикловой адсорбции, позволяющий управлять селективностью сорбции метана, монооксида углерода, диоксида углерода и других газов в соответствии с составом газовых смесей, из которых необходимо извлечь водород. Получены и успешно испытаны модифицированные сорбенты на основе сорбента NaX.
«Биоводород для генерации электроэнергии».
- проведена наработка и исследование ключевых компонентов энергоустановки: материалов, входящих в состав каталитического риформера топлива для получения синтез-газа; материалов, используемых в качестве сенсоров водорода; материалов, используемых при приготовлении и сборке батарей твердооксидных топливных элементов.
«Водород для Е-химии и Е-топлива, как основа низкоуглеродной экономики».
- отработана методика приготовления фотокатализатора Pt/g-C3N4, активность которого в реакции фотогенерации водорода под видимым светом из водных растворов органических субстратов составила более 20 г(H2) кгкат-1ч-1.
- определены наиболее перспективные угольные поглотители в процессе генерации водорода из лигнина под действием микроволнового излучения.
- спроектирована и изготовлена электрохимическая ячейка для исследования процессов на поверхности электрокатализаторов методом рамановской спектроскопии in situ.
- разработаны методы синтеза моно- и биметаллических W- и Mo-содержащих катализаторов получения этиленгликоля из целлюлозы, крахмала или глюкозы в статическом реакторе.
- отработана методика и проведена наработка гранулированного Ni/SiO2 катализатора для процесса гидрообработки растительных липидов с целью получения компонентов биотоплив.
«Крупнотоннажный водород для низкоуглеродной экономики».
- разработаны научные основы метода получения водорода из сероводорода, являющегося крупнотоннажным отходом предприятий по переработке нефти и природного газа.
- разработана и готова к внедрению технология, основанная на использовании вихревых аппаратов, преимуществом которых является высокая интенсивность взаимодействия газа и жидкости в закрученном газожидкостном потоке, а также высокая эффективность тепло- и массопереноса.
- разработаны технологии по связыванию диоксида углерода в виде ценных продуктов – соды, циклических карбонатов.
- разработаны научные основы технологии повышения нефтеотдачи месторождений при закачке диоксида углерода в пласты, отработана методология оценки рисков, связанных с её применением.

Создание важных объектов инфраструктуры

По направлению развития информационной инфраструктуры, а также инфраструктуры научной, научно-технической и инновационной деятельности для обеспечения реализации планов мероприятий («дорожных карт») НТИ было создано:

в 2023 году 3 объекта инфраструктуры:

комплекс оборудования для исследования электрокатализаторов, предназначенный для решения широкого круга задач в области электрохимии, включая электроаналитические измерения, электроосаждение, электросинтез, разработка электрокатализаторов, коррозионные измерения, а также исследования различных электрохимических реакций, в частности исследования эффективности и стабильности работы электрокатализаторов в реакции окисления чистого водорода и в присутствии примеси монооксида углерода;
комплекс оборудования для исследования свойств фото-электро-каталитических материалов и определения каталитической активности твердых катализаторов в газофазных реакциях;
комплекс оборудования для исследования процессов выделения и хранения водорода, предназначенный для решения широкого круга задач в области исследования процессов выделения СО2 и Н2 и хранения Н2.

в 2022 году 6 объектов инфраструктуры:

лабораторный стенд короткоцикловой адсорбции;
лабораторный стенд для исследования процесса каталитического пиролиза природного газа;
испытательный стенд для исследования процесса улавливания диоксида углерода из газовых потоков с использованием аминных абсорбентов и последующей регенерации абсорбента;
лабораторная установка для исследования процессов орто-пара конверсии водорода и очистки водорода от микропримесей кислорода;
лабораторная установка для исследования процессов гидрирования/дегидрирования жидких носителей водорода;
экспериментальная установка по гидрогенизации продуктов гидролиза лигноцеллюлозы и липидов растительного происхождения.

В 2021 гг. Центром НТИ был создан 1 объект инфраструктуры:

лабораторная установка гидрирования смесей с повышенным содержанием СО2 с получением синтетических топлив и оксигенатов (ЛУ-ГСПСУ)

Создание и лицензирование РИД

За 2023 год Центром было получено 6 патентов Российской Федерации на изобретения и 1 патент на полезную модель.

За 2022 год Центром зарегистрированы 2 Программы для ЭВМ.

Консорциум

Проекты

В рамках программы Центра реализуется четыре проекта и одно мероприятие технологического суверенитета:

Проект «Водородная заправка», направленный на развитие технологий и создание прототипа водородной заправки (hydrogen refueling station) для транспортных средств различного типа. В рамках проекта совершенствуются технологии малотоннажного производства водорода окислительной конверсией природного газа и его пиролизом, мембранного и адсорбционного выделения водорода, создаются топливные элементы со сниженными требованиями к чистоте водорода.
Проект «Биоводород для генерации электроэнергии», направленный на разработку и испытание макетов автономных энергоустановок (электрохимических генераторов) на основе твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ). Эти энергоустановки способны использовать топливо на основе углеводородов и/или оксигенатов, полученных из сырья растительного происхождения. В рамках проекта разрабатываются технологии конверсии сырья растительного происхождения в водородсодержащий газ, технологии создания планарных и трубчатых ТОТЭ и материалов для них, а также технологии создания различных водород аккумулирующих материалов.
Проект «Водород для Е-химии и Е-топлива как основа низкоуглеродной экономики», направленный на развитие технологий получения «зеленого» водорода путем электрокаталитического (с использованием электричества) и фотокаталитического (под действием видимого света) разложения воды и/или возобновляемого сырья. Кроме того, проект предполагает развитие технологий использования водорода для преобразования СО2 в ценные химические продукты и топливо, а также для электрокаталитического синтеза аммиака и получения топлив и ценных химических продуктов из биомассы.
Проект «Крупнотоннажный водород для низкоуглеродной экономики» направлен на разработку и апробацию инновационных технологических решений в области получения, кондиционирования, хранения и использования водорода на предприятиях нефте- и газохимического комплекса РФ. Новые решения сосредоточены на технологиях:
- получения водорода паровым риформингом метана;
- выделения водорода из водородсодержащего газа после парового риформинга;
- улавливания СО2 из отходящих газов, его связывания и утилизации.
Проект охватывает также вопросы хранения и транспортировки водорода, в частности, усовершенствование технологии его хранения и транспортировки в жидком криогенном состоянии.

Благодаря инициированным ранее работам и имеющемуся научному заделу в 2023 году в рамках реализации Программы Центра НТИ стартовало выполнение мероприятия технологического суверенитета «Разработка высокоэффективных катализаторов сероочистки природного газа, низкотемпературной паровой конверсии оксида углерода и синтеза метанола на российской технологической и ресурсной базе».