Каталитические материалы и технологии для российской водородной заправки

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 21-79-10377

НазваниеКаталитические материалы и технологии для российской водородной заправки

Руководитель Потемкин Дмитрий Игоревич, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук" , Новосибирская обл

Конкурс №61 - Конкурс 2021 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-403 - Водородная энергетика

Ключевые слова катализ, катализаторы, водородная энергетика, водородная заправка, природный газ, паровая конверсия, моноксид углерода, сорбионно-каталитические процессы

Код ГРНТИ44.31.39

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В последние 5 лет можно констатировать, что внедрение технологий водородной энергетики в повседневную жизнь действительно началось: появились доступные к покупке серийные автомобили, беспилотные летательные аппараты и стационарные системы электроснабжения. Суммарная установленная мощность поставленных потребителям топливных элементов (ТЭ) за последний год превысила 1 ГВт. Европейский союз и ряд других государств составляют планы перехода к так называемой безуглеродной экономике, в которых водородная энергетика занимает одно из центральных мест. В России в 2020 году открылась первая водородная заправка в подмосковной Черноголовке, и были завезены первые водородные автомобили Toyota Mirai. Более быстрому развитию водородной энергетики в РФ среди прочего препятствует отсутствие инфраструктуры получения, транспортировки и хранения водорода, в частности водородных заправок. Фактически, имеет место проблема «курицы и яйца» - пока нет инфраструктуры, нет потребителей, пока нет потребителей, не появляется инфраструктура. Водородные заправки можно разделить на 3 типа: 1) имеют резервуары с чистым водородом, поставляемым с заводов; 2) водород получают непосредственно на заправке электролизом воды; 3) водород получают из природного газа непосредственно на заправке. По нашему мнению, в случае России, где имеются большие запаса природного газа (ПГ) и достаточно развитая сеть газопроводов, именно последний вариант является наиболее привлекательным. Кроме того, существующая газотранспортная инфраструктура в будущем может быть использована для транспорта синтетического ПГ, получаемого с помощью возобновляемых источников энергии (ВИЭ), а также способна обеспечить плавный переход от ископаемых к возобновляемым топливам. Традиционная схема получения чистого водорода в масштабах водородной заправки включает стадии паровой конверсии метана, паровой конверсии СО и короткоцикловой адсорбции СО2 (КЦА). Применение КЦА вынуждает проводить процесс при повышенном давлении, хотя бы 1 МПа и выше, что негативно сказывается на равновесном превращении метана. Кроме существующие катализаторы реакций паровой конверсии метана и СО предназначены для крупнотоннажных аппаратов и плохо подходят для применения в рамках компактной водородной заправки. Поэтому разработка новых каталитических материалов и технологий для российской водородной заправки является весьма актуальной задачей. Настоящий проект направлен на решение проблемы получения чистого водорода из природного газа (ПГ) в рамках водородной заправки. Новизна данного проекта заключается в разработке каталитических материалов и процессов для интенсификации реакций получения и очистки водорода непосредственно в рамках инфраструктуры водородной заправки. В частности, в качестве одного из этапов получения чистого водорода предлагается процесс сорбционно-каталитической паровой конверсии СО, который позволит существенно улучшить термодинамику реакции паровой конверсии СО и исключить стадию КЦА. Новизна также заключается в разработке сорбционно-каталитического материала с возможностью регенерации в циклах повышения/понижения температуры с применением воздуха, дымовых газов или паров воды для удаления адсорбированного СО2. Для интенсификации эндотермической реакции паровой конверсии метана предполагается использовать реактор-теплообменник со структурированным катализатором паровой конверсии природного газа внутри трубок и структурированным катализатором полного окисления для беспламенного сжигания природного газа на внешней поверхности трубок. Предполагается применение композитных катализаторов типа “наночастицы металлов/наночастицы активного оксида/структурный оксидный компонент/структурированная металлическая подложка”. Структурированная металлическая подложка обеспечивает эффективный отвод/подвод тепла для экзо-/эндотермических реакций, обладает хорошими гидродинамическими характеристиками и облегчает масштабный переход. Структурный оксидный компонент (оксид алюминия) обеспечивает термическую и коррозионную устойчивость и высокую удельную поверхность каталитического покрытия, выполняя защитную функцию для металлической подложки. Активный оксидный компонент (преимущественно оксиды церия-циркония) повышает устойчивость к зауглероживанию за счет кислородной подвижности и поддерживает высокую дисперсность активного компонента за счет сильного взаимодействия металл–носитель. Наночастицы металлов (Pt, Rh, Ru, Ni) размером 1–2 нм участвуют в активации молекул-субстратов. Сочетание паровой конверсии метана и сорбционно-каталитической паровой конверсии СО позволит: 1) радикально увеличить равновесную конверсию СО и снизить требования к низкотемпературной активности катализаторов; 2) исключить дорогостоящую КЦА из схемы процесса; 3) снизить давление до 1-3 атм, что увеличивает равновесную конверсию метана при его паровом реформинге; 4) увеличить тепловую эффективность процесса за счет использования остаточного тепла домовых газов после паровой конверсии метана для регенерации адсорбента СО2.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Горлова А.М., Кармадонова И.Е., Деревщиков В.С., Рогожников В.Н., Снытников П.В., Потемкин Д.И. Сорбционно-каталитическая паровая конверсия СО на механической смеси Pt/Ce0.75Zr0.25O2 катализатора и NaNO3/MgO сорбента Катализ в промышленности (год публикации - 2022)

2. Горлова А.М., Панафидин М.А., Шилов В.А., Пахарукова В.П., Снытников П.В., Потемкин Д.И. Powder and structured Pt/Ce0.75Zr0.25O2-based catalysts: Water gas shift performance and quasi in situ XPS studies International Journal of Hydrogen Energy, International Journal of Hydrogen Energy Volume 48, Issue 32, 15 April 2023, Pages 12015-12023, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.06.028 (год публикации - 2023)
10.1016/j.ijhydene.2022.06.028

3. Рубан Н.В., Рогожников В.Н., Зажигалов С.В., Загоруйко А.Н., Емельянов В.А., Снытников П.В., Собянин В.А., Потемкин Д.И. Composite structured M/Ce0.75Zr0.25O2/Al2O3/FeCrAl (M= Pt, Rh, Ru) catalysts for propane and butane reforming to syngas Materials, Materials 2022, 15(20), 7336 (год публикации - 2022)
10.3390/ma15207336

4. И.Е. Никулина, В.С. Деревщиков, В.П. Пахарукова, П.В. Снытников, Д.И. Потемкин Влияние состава и способа приготовления NaNO3/MgO сорбентов на их сорбционные свойства в отношении диоксида углерода Катализ в промышленности, т. 23, № 6, 2023, с. 5-16 (год публикации - 2023)
10.18412/1816-0387-2023-6-5-16

5. Н.В. Рубан, В.Н. Рогожников, О.А. Стонкус, В.А. Емельянов, В.П. Пахарукова, Д.А. Свинцицкий, С.В. Зажигалов, А.Н. Загоруйко, П.В. Снытников, В.А. Собянин, Д.И. Потемкин A comparative investigation of equimolar Ni-, Ru-, Rh- and Pt-based composite structured catalysts for energy-efficient methane reforming Fuel, 352 (2023) 128973 (год публикации - 2023)
10.1016/j.fuel.2023.128973

6. Горлова А.М., Рогожников В.Н., Печенкин А.А., Никулина И.Е., Потемкин Д.И. Effect of Preparation Conditions on Properties of Pt–Re Catalysts Supported on Ceria–Zirconia in Water Gas Shift Reaction (WGSR) Nanobiotechnology Reports, 2023. V.18. NS2. P.S279-S285. (год публикации - 2023)
10.1134/s263516762460010x

7. Шигаров А.Б., Никулина И.Е., Пахарукова В.П., Потемкин Д.И. Анализ макрокинетики сорбции СО2 на 10%NaNO3/MgO сорбенте и моделирование адсорбера с производительностью по водороду 10 кг/ч Катализ в промышленности (год публикации - 2024)

Публикации