Аспирант четвёртого курса Факультета естественных наук Новосибирского государственного университета Владислав Шилов разработал структурированный катализатор конверсии дизельного топлива в синтез-газ, которому на текущий момент нет промышленных аналогов. В 2023 году результаты его работы по данной теме были отмечены стипендией правительства НСО.

Устройство разработано в рамках диссертационной работы под научным руководством заведующего отделом гетерогенного анализа Института Катализа им. Г.К. Борескова СО РАН доктора химических наук Павла Валерьевича Снытникова.

В текущем году научным коллективом отдела при участии Владислава Шилова создается топливный процессор для получения синтез-газа, работающий на коммерческом дизельном топливе. В него был интегрирован разработанный катализатор конверсии дизельного топлива для получения синтез-газа. В дальнейшем в сотрудничестве с членами консорциума в рамках проекта НТИ «Водород как основа низкоуглеродной экономики» планируется создать энергоустановку на основе планарных твердооксидных топливных элементов, совмещённую с дизельным топливным процессором для генерации электроэнергии.

«Мы первыми смогли добиться полной конверсии коммерческого дизельного топлива в пригодный для питания топливных элементов водородосодержащий газ. При создании катализатора мы столкнулись с серьёзной трудностью: конверсия дизельного топлива в синтез-газ — высокотемпературный процесс (порядка 700–1000 °C), в результате чего активный компонент катализатора быстро спекается. Поэтому мы впервые использовали для данных приложений в качестве структурированного носителя металлическую подложку из сплава FeCrAl, которая обладает хорошими свойствами по тепломассопереносу. В этом заключается уникальность разработанной нами системы. Методика нанесения слоёв каталитического покрытия на металлическую сетку довольно сложна и разрабатывалась на протяжении нескольких лет. Это была непростая задача — покрытие из активного компонента отслаивалось или растрескивалось. Нам нужно было увеличить адгезионные (то есть «сцепляющие») свойства поверхности подложки, чтобы каждый слой каталитического покрытия надёжно держался на ней. Мы нашли технологическое решение данной проблемы. Сейчас же мы вышли на тот уровень, когда можем осуществлять мелкосерийное производство структурированных катализаторов для различных каталитических приложений», — рассказал Владислав Шилов.

При создании катализатора конверсии дизельного топлива эксперименты проводились в лабораторной установке. Сейчас же перед исследователями стоит задача создать макет топливного процессора, в который он будет интегрирован. На входе в данную систему будут поступать дизельное топливо, вода и воздух, которые в результате каталитической реакции конвертируются в синтез-газ, пригодный для использования в твердооксидных топливных элементах. Сейчас эти работы проходят активную стадию и приближаются к завершению. Далее учёным предстоит оценить работу всей энергоустановки, чтобы в дальнейшем приступить к промышленному внедрению.

«Разработанный нами структурированный катализатор также оказался высокоактивным в конверсии легких углеводородных топлив в синтез-газ, чем заинтересовался наш промышленный партнёр — группа компаний «ИнЭнерджи», занимающийся созданием энергоустановок на основе топливных элементов. В этом году Институт Катализа им. Г.К. Борескова СО РАН совместно с «ИнЭнерджи» запустили мелкосерийное производство (около 600 единиц) компактных энергоустановок ТОПАЗ-ГАММА М, работающих на природном газе и пропан-бутане, где и нашла применение наша разработка. Одна такая энергоустановка была представлена нашей научной группой на Международном форуме технологического развития «Технопром», где вызвала большой интерес», — рассказал Владислав Шилов.

Электрохимические генераторы, работающие на дизельном топливе, могут быть использованы в качестве стационарного, резервного или вспомогательного источника электроэнергии, поскольку оно является более удобным носителем водорода. По сравнению с другими альтернативными носителями на единицу объёма дизельного топлива приходится наибольшее количество водорода, а его длительное хранение осуществляется при температуре и давлении окружающей среды. Природный газ, транспортируемый по газопроводам, и пропан-бутан с этой точки зрения существенно проигрывают жидкому топливу. Работающие на дизельном топливе электрохимические генераторы могут быть использованы в качестве стационарного, резервного или вспомогательного источника электроэнергии.

Данная технология, по мнению Владислава Шилова, найдет применение в отдалённых северных регионах, в условиях Крайнего Севера и при освоении Арктики, а также на других объектах, где основным энергоносителем является дизельное топливо. Не исключено, что данная разработка заинтересует Министерство обороны РФ, где большая часть техники предназначена для этого вида горючего. Но чтобы запустить мелкосерийное производство дизельных электрохимических генераторов, необходимо завершить работу над созданием прототипа в лабораторных условиях и выйти на компании, заинтересованные в запуске этих устройств в мелкосерийное производство. Разработчики не сомневаются, что такие инвесторы наверняка найдутся.

«Такие устройства обладают гораздо более высоким КПД по сравнению с двигателями внутреннего сгорания. Они экологически безопасны — их выбросы представляют собой углекислый газ и водяные пары. Отличаются бесшумной работой, длительным сроком эксплуатации и не требуют частого обслуживания. А использование топливных элементов для получения электроэнергии позволяет извлекать её из энергоносителей прямым преобразованием энергии химических связей в электрическую. Эффективность этого процесса выше, чем при использовании стандартных дизель-генераторов, в которых энергия химических связей сначала преобразовывается в тепловую, затем в механическую и только потом — в электрическую. Увеличение эффективности энергоустановок позволит уменьшить объёмы ресурсозатратного завоза дизельного топлива в удалённые арктические районы. Кроме того, применение разрабатываемых энергоустановок будет более экологичным за счёт уменьшения объемов потребления дизельного топлива», — пояснил Владислав Шилов.

Текст: Елена Панфило.
Источник: НГУ.