Виталий Синицын: реализация проекта при поддержке РНФ позволит нам выбиться в мировые технологические лидеры

Большинство жителей нашей страны зависит от централизованных электрических сетей, которые есть далеко не везде. Портативные устройства — аккумуляторы — имеют невысокую емкость и не позволяют обеспечивать питанием одновременно много устройств в течение долгого времени. Альтернативой станут портативные энергоустановки на основе микротрубчатых твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), которые способны преобразовывать химическую энергию топлива в электричество. Они работают при температурах от -60°C до +70°C, а потому могут использоваться при разведке арктических территорий, для энергообеспечения новых автомобильных трасс без подведенных линий электропередач, а также питания частных домов во всех регионах нашей страны.

На сегодняшний день всего несколько стран владеют технологиями создания таких компактных источников электропитания, при этом их срок службы не превышает шести месяцев. Именно проблему кратного повышения ресурсного времени работы микротрубчатых ТОТЭ и энергоустановок на их основе планируют решить сотрудники Научно-исследовательского центра «ТОПАЗ» в рамках конкурса РНФ памяти выдающегося русского ученого Евгения Велихова. Так, в ходе выполнения проекта ученые создадут энергоустановку с большим ресурсом работы (от 2 лет) и увеличат мощность в 4 раза по сравнению с существующими на данный момент устройствами. Руководитель проекта, главный научный сотрудник Виталий Синицын в интервью рассказал нам о том, как грант помогает развивать перспективную отечественную технологию.

— Вы занимаетесь разработкой компактных энергоустановок на основе микротрубчатых ТОТЭ. Расскажите об этих устройствах генерации энергии: как они работают и почему перспективны?

— Микротрубчатые ТОТЭ — это электрохимические источники тока, которые преобразуют химическую энергию топлива в электрическую. Они имеют вид трубок, которые похожи на стержни шариковых ручек как по диаметру, так и по длине. Чтобы создать на их основе полноценную батарею, стержни собирают параллельно друг другу в общем цилиндре по несколько десятков штук.

Для питания такого типа энергоустановок можно использовать различное топливо: метан, пропан, водород или пропан-бутановую смесь. Это могут быть в том числе обычные туристические газовые смеси, которые используются для разогрева пищи с помощью газовых горелок. То есть мы подключаем баллончик к нашей установке, и через какое-то время начинается генерация электричества. Такие источники тока не требуют внешней электросети, не нуждаются в подзарядке. В этом они удобнее, например, литий-ионных аккумуляторов, которые нужно регулярно заряжать. В случае установки на основе микротрубчатых ТОТЭ расходуется только топливо, а значит, достаточно просто заменить использованный баллон с газом на новый, и генерация электричества продолжится.

— Какие объемы топлива нужны для ТОТЭ, чтобы обеспечить энергией, например, частный дом или какую-то временную постройку?

— Сейчас в Научно-исследовательском центре «ТОПАЗ» уже полностью разработана технология создания портативных энергоустановок с мощностью 100 Вт. Конечно, это немного, но, если соединить несколько стоваттных модулей между собой, можно увеличить мощность установки до киловатта и более. Например, для питания холодильника или телевизора нужно около 100–150 Вт. Значит, если соединить два модуля, уже можно обеспечить электроэнергией эти устройства. При этом один энергетический модуль работает непрерывно около суток всего на одном пол-литровом туристическом баллончике газа. Поскольку для большинства домашних приборов непрерывная работа не нужна, можно купить всего несколько таких баллончиков и обеспечить себя электроэнергией на даче на целый день или даже на выходные.

— В качестве основы для твердооксидных топливных элементов вы используете композитные материалы на основе керамики и металла (так называемые керметы). Почему они считаются перспективными, какие аналоги сейчас используют и в чем их недостатки?

— Такие композитные основы для микротрубчатых ТОТЭ изначально были изготовлены и исследованы в Институте химии твердого тела и механохимии СО РАН (Новосибирск) под руководством Александра Петровича Немудрого. Предложенная коллективом института технология создания керметных основ для ТОТЭ оказалась весьма простой в реализации и финансово доступной. Далее мы научились наносить на эту основу функциональные слои, которые обеспечивают генерацию электричества, создавать единичные микротрубчатые ТОТЭ и соединять их в единую батарею. На данный момент мы уже создали и освоили опытно-промышленную технологию изготовления микротрубчатых ТОТЭ.

Энергоустановки на основе микротрубчатых ТОТЭ делают всего в пяти-шести странах мира, и везде за основу берут композиты из керамики и металлов. Но есть несколько лабораторий, которые идут по другому пути: они для основы микротрубчатых ТОТЭ вместо керметов используют жаропрочные пористые металлы. Жаропрочность важна, поскольку микротрубки работают при температурах порядка 650–750°C. Однако эта технология все еще находится на стадии разработки.

— Что используют в качестве функциональных материалов, за счет которых энергия химических реакций превращается в электричество?

— Для анодов используют керметы с разным соотношением металла и керамики, и считается, что на данном этапе анод не требует значительной доработки. Для создания электролитов — материалов, через которые течет ионный ток, — используют, например, диоксид циркония с «добавками» редкоземельных элементов. Но наиболее сложный элемент — это катод, на котором идут токообразующие реакции с образованием анионов кислорода. Это наиболее «тонкое место» при разработке энергоустановок на основе ТОТЭ. Задача нашего проекта — улучшить свойства катода, поскольку от них в значительной степени зависит мощность и ресурсное время работы такого электрохимического источника тока.

— Ресурсное время работы с точки зрения материала катода ограничено тем, что он начинает разрушаться?

— Да, идет деградация катода и катодного токосъема. Так, например, стронций, традиционно входящий в состав функционального катода, при высоких температурах начинает образовывать «скопления», что приводит к локальным изменениям исходного состава катода и, следовательно, к ухудшению требуемых характеристик. Кроме того, ресурсное время работы, конечно, ограничивает коррозия металлических токосъемов и металлических конструкционных элементов батареи. Поэтому нужно разрабатывать защитные покрытия и новые материалы для катодов и токовых коллекторов.

— Ваш проект получил грант РНФ памяти известного ученого Евгения Велихова. Какие возможности открывает поддержка Фонда для реализации масштабных исследований?

— Для реализации всех поставленных в рамках проекта задач необходимы исследовательские работы как в рамках Научно-исследовательского центра «ТОПАЗ», так и с привлечением наших соисполнителей — коллег из Института химии твердого тела и механохимии СО РАН, Вятского государственного университета и химического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова, и это, безусловно, требует финансирования. Российский научный фонд нам позволяет решать все эти задачи и двигаться достаточно быстрыми темпами.

— Проект, поддержанный Фондом, реализуется в логике национальных и федеральных проектов по химии, новым материалам и энергетическим технологиям. Как вы видите его вклад в достижение задач, поставленных на уровне государства?

— Хочется в первую очередь сказать об обеспечении энергобезопасности нашей страны. Под энергобезопасностью обычно понимают обеспечение каждой семьи, каждого гражданина России энергией в достаточном количестве. Это электроэнергия, газ и тепло. Наши энергоустановки в этом отношении весьма важны. Когда рядом с домом — например, в только развивающемся частном секторе — еще нет централизованной системы электропитания (линий электропередач), автономные портативные электросистемы очень актуальны. Кроме того, такие установки будут крайне востребованы при освоении новых территорий со сложными климатическими условиями, так как работают в очень широких температурных пределах: от -60°С до +70°C. В нашей стране есть обширные северные территории, где требуются источники электроэнергии, успешно работающие при низких температурах. Кроме того, автономные источники тока на основе микротрубчатых ТОТЭ будут удобны при разворачивании мобильных пунктов жизнеобеспечения в случае каких-то катастроф и катаклизмов.

Еще одно важное применение наших установок — это федеральные трассы. Сейчас строительство дорог ведется настолько активно, что часто вдоль них не успевают прокладывать линии электропередач. В результате остаются участки без централизованного электроснабжения, где нет камер видеонаблюдения и где водители не могут безопасно остановиться отдохнуть. На этих участках можно ставить небольшие постройки, питаемые автономными энергоустановками на основе микротрубчатых ТОТЭ, а также устанавливать камеры, не зависящие от линий электропередач.

Кроме того, у нашей технологии есть хороший экспортный потенциал. В странах Глобального Юга активно развивается распределенная энергетика — предполагается, что автономные портативные источники тока будут работать только в отдельных местах, где нужно питание. Поэтому при достижении тех показателей, которые мы поставили для себя в качестве цели, наша установка будет обладать очень высоким экспортным потенциалом для использования в странах, где есть необходимость в создании распределенной энергетической системы.

— На каких научных и инженерных задачах вы сосредоточитесь на первом этапе работы по гранту?

— На данный момент мы с нашими соисполнителями уже провели масштабный анализ существующих решений в сфере материалов для микротрубчатых ТОТЭ и поняли, что в первую очередь нам необходимо искать функциональные катодные материалы и катодные токосъемные материалы, которые позволят кратно повысить ресурсное время работы энергоустановок. Сейчас у нас в разработке уже около восьми перспективных материалов.

— Кто является вашим индустриальным партнером и как выстраивается взаимодействие с ним?

— Нашим партнером и квалифицированным заказчиком по проекту выступает компания «Н2 Инвест», входящая в структуру АО «Газпромбанка», которая поддерживает разработку подобного рода энергосистем. Вся наша работа развивается при полной операционной поддержке компании «Н2 Инвест». У заказчика создан проектный офис, который отслеживает этапы реализации проекта и помогает нам решать вопросы и возникающие проблемы на деловом рабочем уровне.

Руководство и сотрудники «Н2 Инвест» на регулярной основе присутствуют в лабораториях, где мы проводим научно-исследовательскую работу, в технологических и в других отделах Научно-исследовательского центра «ТОПАЗ». Поэтому они в курсе того, как движется проект.

— Каким вы видите результат проекта?

— В ходе выполнения проекта мы создадим портативную энергоустановку на основе микротрубчатых ТОТЭ с ресурсом работы более 20 000 часов и мощностью отдельного модуля более 400 Вт. Это почти в шесть раз большее время работы и в четыре раза большая мощность, чем у существующих на данный момент устройств. Это амбициозная и очень сложная задача, но ее решение позволит нам выбиться в мировые технологические лидеры.