Vodíková energie: Nová úroveň | Věda a inovace Petrohradská polytechnická univerzita Petra Velikého
Vodík se používá pro akumulaci, skladování a přepravu energie a dnes je považován za perspektivní zdroj energie pro rozvoj nízkouhlíkového a bezuhlíkového hospodářství, které snižuje antropogenní dopad na klima na minimum. Hlavními výhodami vodíku jsou absence emisí oxidu uhličitého při jeho využití jako zdroje energie, protože spalováním vodíkového paliva vzniká voda, která je opět přiváděna do uzavřeného cyklu výroby vodíku. Další výhodou je možnost jeho získávání z různých zdrojů, včetně vody, uhlovodíků, organických materiálů. V závislosti na technologii výroby a přítomnosti emisí oxidu uhličitého se vodík dělí na „zelený“, „modrý“, „červený“, „žlutý“ a „šedý“. „Zelený“ vodík je považován za nejčistší. K jeho získání se využívá sluneční, větrná a hydrodynamická energie, která je nezbytná pro hydrolýzu vody. Dnes existuje několik základních technologií výroby vodíku, včetně rozkladu (hydrolýzy) mořské a sladké vody, pyrolýzy uhlovodíků a rozkladu organického odpadu. Náklady na výrobu vodíku jsou určeny energetickými náklady na jeho výrobu, skladování a přepravu.
Potíže a vyhlídky
Vodík může být transportován v plynném, kapalném a pevném (vázaném) skupenství. Přeprava plynného vodíku je však velmi nákladná, protože hustota vodíku je nízká. Po celém světě proto probíhá vývoj s cílem zvýšit nákladovou efektivitu a bezpečnost přepravy vodíku. Lze například zvyšovat tlak v potrubním systému, přepravovat vodík ve zkapalněném stavu, využívat nosiče plynu, železniční a silniční cisterny.
Hlavními faktory, které brání rozvoji vodíkové energie, jsou problémy ve vědě o materiálech a potřeba zlepšit technologie pro přepravu, skladování a spotřebu vodíku. Slibnými způsoby přepravy vodíku v Ruské federaci jsou potrubní doprava, automobilová, námořní a železniční doprava pro přepravu ve stlačeném, zkapalněném nebo vázaném stavu, a to i ve formě čpavku, kapalných nebo pevných nosičů. Hlavním problémem materiálové vědy je zde křehnutí kovů vodíkem. Problém vodíkové křehkosti úzce souvisí s mrazuvzdorností konstrukčních materiálů, protože většina Ruska je oblastí s nízkými ročními teplotami. Vědci a inženýři stojí před úkolem vyvinout moderní energetické systémy pro spotřebu vodíku, včetně vytvoření turbogenerátorů a motorů. Také na téma vodíku je nutné vypracovat regulační dokumentaci o materiálech, technologiích a konstrukcích.
Překážkou pro široké přijetí vodíkové energie je potřeba vybudovat zařízení pro ukládání uhlíku, protože výroba vodíku musí splňovat požadavky na emise oxidu uhličitého. To způsobuje zvýšené náklady na vodík ve srovnání s tradičními zdroji energie. Proto je nutné vyvíjet technologie, které sníží náklady na získávání, přepravu, skladování a spotřebu vodíku.
V Evropě se hlavní pozornost soustředí na alternativní energii – větrnou a solární energii k výrobě „zeleného“ vodíku. Jedná se o vodík, který vzniká jako výsledek technologické výroby bez vypouštění oxidu uhličitého do atmosféry – bezuhlíková technologie s uzavřenou smyčkou při elektrolýze vody. Například větrná nebo solární elektrárna vyrábí elektřinu, která se používá k elektrolýze vody. Výsledkem je molekulární vodík a kyslík. V tomto případě se pak v uzavřeném cyklu využívá kyslík, stejně jako voda, která vzniká při spalování vodíku.
Koncepce rozvoje vodíkové energie v Ruské federaci byla schválena 5. srpna 2021 a počítá s výrobou vodíku využitím energie z vodních elektráren, jaderných a tepelných elektráren při elektrolýze vody, jakož i při pyrolýze uhlovodíků. Ruský energetický sektor má významný potenciál a významné výhody pro získání významného podílu na globálním trhu s vodíkem. Naší výhodou je také přítomnost Severní mořské cesty – nejkratší cesty z Evropy do jihovýchodní Asie, na které se díky globálnímu oteplování stává plavba celoroční. Podle Koncepce rozvoje vodíkové energetiky by měl ruský průmysl do konce roku 2024 vyrábět 200 tisíc tun vodíku ročně. Pro srovnání, Evropský program pro vodíkovou energii počítá do roku 1 s roční výrobou 2024 milionu tun vodíku.
Pro realizaci Koncepce rozvoje vodíkové energetiky v Ruské federaci je nutné vyřešit řadu zásadních problémů v oblastech metalurgie, nauky o materiálech, fyzikální chemie a energetiky. Řešení těchto problémů umožní Ruské federaci učinit technologický a vědecko-technický průlom v oblasti alternativní „zelené“ energie a posunout se na novou úroveň průmyslového a technologického rozvoje. Realizace takto ambiciózních projektů samozřejmě vyžaduje vytvoření vědeckotechnické vodíkové infrastruktury, sjednocení vědeckých, technických a výrobních kompetencí v oblasti vodíkové energie. To je možné díky vytvoření konsorcií univerzit s velkými producenty uhlovodíků.
Potenciál Vysoké školy polytechnické v oblasti vodíkové energie
Jedním z center rozvoje vodíkových technologií byla divize Petrohradské polytechnické univerzity – Institut strojního inženýrství, materiálů a dopravy (IMMiT), a také Vědeckotechnický komplex „Nové technologie a materiály“ Kompetenčního centra NTI. Výzkum byl zaměřen na dvě oblasti: vývoj technologie výroby vodíku pomocí plazmochemické disociace z metanu a sirovodíku a vývoj, výzkum a testování konstrukčních materiálů pro skladování a dopravu vodíku.
Ředitel Vědeckého a vzdělávacího centra „Svařování a laserové technologie“ IMMiT SPbPU, profesor, doktor technických věd. Sergey Parshin hovořil o nejdůležitějších oblastech výzkumu v oblasti vodíkové energie a vědy o materiálech:
„Výroba, skladování, přeprava a využití vodíku je spojeno se složitými vědeckými a technickými problémy, které lze na naší univerzitě úspěšně řešit. Již tři roky náš tým společně s Lappeenranta University of Technology a Kurchatov Institute (Central Research Institute of KM „Prometheus“) provádí výzkum v rámci evropského rusko-finského projektu „Energeticky účinné systémy založené na obnovitelné energii pro Arktidu“. Projekt souvisí s výstavbou pobřežních větrných elektráren v Arktidě. To vysvětluje náš zájem o výzkum v oblasti vodíkové energie. Při realizaci arktického projektu jsme narazili na problém svařitelnosti vysokopevnostních chladuvzdorných a kryogenních ocelí v podmínkách nízkých teplot a vystavení difuznímu vodíku.
Vodík se nevyhnutelně objevuje při svařování, například ze svařovacích materiálů, prostředí s vysokou vlhkostí. Difúze vodíku negativně ovlivňuje mikrostrukturu ocelí a slitin, způsobuje jejich křehnutí a vznik trhlin.
Řešení problému svařování studených a kryogenních ocelí umožnilo polytechnickým vědcům vyvinout řadu technologií a svařovacích materiálů, které snížily vodíkové křehnutí a zvýšily bezpečnost energetických zařízení v podmínkách nízkých teplot. Řada patentů na vynálezy, které jsme obdrželi, se týká také podvodního svařování konstrukcí na moři, například jeden z patentů získal SPbPU v září 2021.
Studium vlivu difuzního vodíku na kovy poprvé zahájil ve světě na SPbPU v roce 1962 vedoucí svářečského oddělení profesor Georgij Lvovič Petrov a poté v něm pokračovali jeho studenti – docent A.M. Levčenko a profesor V.A. Karkhin. Náš tým má bohaté zkušenosti s vodíkovou křehkostí, kterou vyvíjíme a využíváme k řešení problémů materiálové vědy v oblasti vodíkové energie.
Za zmínku stojí základní základ naší univerzity v oblastech materiálových věd, metalurgie a energetiky. Ještě v roce 1919 akademik A.F. Ioffe vytvořil Fakultu fyziky a mechaniky, jeho student – korespondent Ya.I. V roce 1950 Frenkel vypracoval teorii struktury polykrystalických těles a mechanismu difúze vakancí a náš absolvent V.S. Gorsky spolu s akademikem L.D. Landau doložil teorii vzestupné difúze v kovech. Metalurg – akademik A.A. Baikov byl rektorem SPbPU. V současné době vede polytechniku také metalurg, akademik A.I. Rudskoy.
Petrohradská polytechnická univerzita má silnou experimentální základnu, pokračuje v základním výzkumu v oblasti metalurgie a vědy o kovech a je schopna nalézt řešení současných problémů vodíkové energie. To bude vyžadovat konsolidaci intelektuálního potenciálu naší univerzity a spolupráci s předními vědeckými centry v Ruské federaci a Evropě. Podle mého názoru existuje několik oblastí v oblasti vodíkové energie, které se mohou stát průlomovými, a ve kterých může a měla by zaujmout vedoucí postavení Polytechnická univerzita. V prvé řadě se jedná o tvorbu konstrukčních materiálů s danou mikrostrukturou, vývoj ochranných bariérových povlaků a technologie svařování chladuvzdorných a kryogenních ocelí a slitin. Pokročilé kryogenní oceli, slitiny hliníku, mědi a niklu, slitiny s vysokou entropií, hliníková matrice a polymerní kompozity jsou slibné jako konstrukční materiály pro použití ve vodíkové energii. Tyto materiály mají vysokou pevnost, odolnost proti korozi, odolnost proti vodíkovému křehnutí, viskozitu při nízkých teplotách a lze je použít pro přepravu a skladování vodíku. Je také důležité pokračovat v základním výzkumu v oblasti fyziky pevných látek, mechaniky pevnosti a krystalografie polykrystalických strukturních a funkčních materiálů. Je třeba zvlášť zdůraznit důležitou roli anorganické chemie, stejně jako fyzikální chemie, protože problém akumulace a transportu pevného vodíku bychom mohli vyřešit implementací existujících nápadů. V oblasti energetiky naše univerzita navazuje na tradice akademických vědeckých škol a má vysoký potenciál v oblasti syntézy vodíku a stavby turbín.“
Vodíková energetika je v současnosti jednou z důležitých strategických oblastí vědy a techniky a může sloužit jako základ pro přechod ruské ekonomiky na vyšší úroveň energetické účinnosti, produktivity a ekologie.