Развитие или даже появление в стране развитого рынка водородных технологий — задача масштабная, ее нельзя решить в одиночку. Поэтому в прошлом году в России по инициативе шести научных и образовательных организаций появился Консорциум водородных технологий. Его учредителями и первыми участниками стали Институт проблем химической физики РАН, Институт катализа СО РАН, Институт нефтехимического синтеза РАН, Томский политехнический университет, Сахалинский государственный университет, Самарский государственный технический университет. Сейчас к консорциуму присоединились 22 российских вуза и академических института. В совете индустриальных партнеров - 16 российских компаний, в том числе СИБУР, РЖД, «Газпром нефть» и другие. В рамках консорциума сформированы рабочие группы, которые изучают технологические барьеры, препятствующие появлению на рынке конкретных технологий и продуктов, а также предложения по их преодолению.

И в конце октября на базе Томского политеха пройдет Всероссийская конференция с международным участием «Водород. Технологии. Будущее». На ней специалисты из разных исследовательских центров страны представят последние результаты исследований и конкретные технологии.

Совсем недавно ТПУ стал участником крупнейшей национальной программы поддержки российских вузов «Приоритет 2030». Томский политех вошел в число исследовательских лидеров, которые получат наибольший объем грантового финансирования. Такое решение конкурсная комиссия приняла, изучив проекты комплексных программ развития вузов на ближайшие десять лет. В программу ТПУ заложены три стратегических проекта. Один из них - «Энергия будущего». Его цели — устойчивый переход России к экологически чистой ресурсосберегающей энергетике и декарбонизации промышленности, повышение эффективности добычи и глубокой переработки углеводородного сырья, развитие новых технологий ядерной энергетики, формирование новых источников, способов транспортировки и хранения энергии. В свою очередь, стратегический проект включает три направления. «Традиционная энергетика» связана с исследованиями в области добычи, транспортировки и экологичного использования ископаемого топлива. «Перспективная энергетика» — с развитием ядерной и термоядерной энергетики, возобновляемых источников энергии. И наконец, «Водородная энергетика» определена как фронтирное направление.

В Томском политехе проводятся фундаментальные и прикладные исследования по всей водородной цепочке — в области получения чистого водорода, безопасного хранения, транспортировки водорода с наименьшими потерями, а также его применении в качестве энергоносителя в системах автономного энергоснабжения.

Одна из разработанных технологий позволяет менее чем за миллисекунду синтезировать различные фото- и электрокатализаторы для получения водорода: карбиды вольфрама, молибдена, хрома, а также оксиды железа, титана, меди, цинка и другие соединения. Это альтернатива дорогим аналогам на основе драгоценных металлов. Такие материалы получают на созданной в ТПУ установке прямого плазмодинамического синтеза, которая входит в реестр уникальных научных установок Российской Федерации. Основным элементом системы служит коаксиальный магнитоплазменный ускоритель, разработанный профессором ТПУ Александром Сивковым.

В Научно-исследовательском центре «Экоэнергетика 4.0» ТПУ создан плазменный реактор совмещенного типа, с помощью которого можно синтезировать, например ультрадисперсный кристаллический карбид молибдена, применяемый в качестве электро- и фотокатализатора для производства водорода из воды. Хотя порошковые материалы синтезируют в открытой воздушной среде, технология экологически безопасна и не дает сжигать кислород.

В Научно-производственной лаборатории «Импульсно-пучковых, электроразрядных и плазменных технологий» ТПУ изучают получение водорода путем подземной газификации угля. Для этого бурят скважины, ведущие к угольному пласту, вводят туда электроды и подают высокое напряжение. Порода нагревается, в результате образуются газообразные и жидкие продукты. Получаемый газ благодаря большому содержанию водорода можно использовать как источник водорода, жидкие продукты - как синтетическую нефть. Полевые испытания на разрезе «Богатырь» в Экибастузе (Казахстан) показали, что объем получаемого газа делает технологию рентабельной.

В Инженерной школе энергетики ТПУ отрабатывают в индустриальном масштабе технологию газификации твердого топлива с получением водородсодержащего синтез-газа. При этом можно использовать низкокачественные сорта угля (например, бурого), промышленные и твердые бытовые отходы, биомассу и продукты ее переработки. Синтетический газ (смесь водорода с оксидом углерода и различных побочных продуктов газификации) становится промежуточным продуктом для извлечения чистого водорода либо для производства других материалов – например, сжиженного топлива.

По словам ученых, весьма перспективны способы получения водорода из твердых бытовых отходов и биомассы. В частности, последовательная двухстадийная переработка отходов, позволяющая проводить более полное разложение органических веществ (на первой стадии образуется биоводород, а на второй - биометан). А при помощи микробиологического конвертирования биомассы в анаэробных условиях содержащиеся в ней целлюлозу, гемицеллюлозу, жиры, белки, углеводы и прочие компоненты можно преобразовать в газообразные энергетические носители - водород и метан. Такая технология отличается дешевизной и экологичностью.

Для водородной энергетики особенно актуальна проблема накопления и хранения энергии без потерь и снижения потенциала. Коллективом ТПУ под руководством Андрея Лидера в отделении экспериментальной физики проводятся разработки в области синтеза материалов-накопителей водорода, которыми могут служить композиты на основе гидридообразующих металлов, углеродных наноматериалов и металл-органических каркасов.

Для их разделения водород-метановых смесей и дальнейшей очистки водорода применяют мембраны. Сотрудники научной лаборатории жидкофазного фторирования органических веществ ТПУ под руководством Николая Белова разрабатывает технологию, при которой разделительные характеристики мемебран повышаются при контакте с фтором, растворенным в перфтордекалине.

В ТПУ разработали технологию получения тонких пленок электролита для твердооксидных топливных элементов, применяемых в водородных энергетических установках. Она позволяет уменьшить теплопотери и повысить вырабатываемую мощность. Увеличение мощности дает возможность снизить рабочую температуру на несколько сот градусов, что продлевает срок работы топливных элементов. Тонкие пленки можно наносить на топливные элементы большой площади.

Для обеспечения производства высококачественных и доступных мембран создаются композитные материалы на основе фторполимеров. Ученым Томского политеха удалось с помощью метода электроспиннинга создать мембраны из фторосодержащего политетрафторэтилена (тефлона) — самого химически стойкого полимера в природе. По словам ученых, это простой, доступный и легко масштабируемый метод, который позволит производить химически стойкие мембраны в промышленных объемах. Их можно использовать, в нефтехимической, авиакосмической, атомной отрасли, безуглеродной энергетике и медицине.

В Томском политехе занимаются также разработкой информационных технологий управления для энергосистем, использующих водород в качестве накопителя энергии. Например, создан экспериментальный образец моделирующего комплекса реального времени, который представляет собой цифровой двойник энергетической системы. Он моделирует любые процессы и дает точный прогноз о последствиях сбоев. Например, может определить, где в системе эффективнее применить водородные накопители, как система с водородными накопителями поведет себя в аварийной ситуации. В экспериментальном образце комплекса 90 вычислительных модулей, и это не предельный объем.