Ученые Пермского Политеха создали многокомпонентный порошок для топливных элементов
«Зеленая» энергия — способ получения электричества и отопления из возобновляемых источников, таких как солнечный свет, ветер, вода и тепло земных недр. Ее ключевое преимущество — полное отсутствие вредных выбросов, что жизненно важно как для борьбы с изменением климата, так и для здоровья людей. По данным ВОЗ, токсичные вещества от сжигания ископаемого топлива вызывает около 7 миллионов преждевременных смертей ежегодно. Практически все население планеты (99%) подвергается воздействию вредных примесей в воздухе, концентрация которых превышает безопасные нормы. Традиционная энергетика генерирует 73% мировых выбросов углекислого газа, усиливая глобальное потепление. Переход на экологичную энергию мог бы предотвратить до 1/4 всех случаев респираторных и сердечно-сосудистых заболеваний, связанных с загрязнением атмосферы.
Вместе с тем внедрение таких технологий сталкивается с их высокой стоимостью, зависимостью от погодных условий и необходимостью создания сложной инфраструктуры. Альтернативным направлением развития является водородная энергетика — инновационный подход, который заменяет бензин, уголь и газ водородом, при сжигании или преобразовании которого выделяется только вода (без СО₂ и вредных выбросов). Для реализации данного метода есть специальные устройства — твердооксидные топливные элементы, которые преобразуют 70% энергии водорода непосредственно в электричество, теряя лишь 30% в виде тепла. Для сравнения: традиционные бензиновые двигатели используют лишь 25-30% энергии топлива (теряя 70-75%), а угольные электростанции — 35-40%. Столь высокий коэффициент полезного действия 60-70% выводит ТОТЭ в число наиболее эффективных энергетических систем, что приобретает особую значимость при переходе на водородную энергетику, поскольку обеспечивает максимально рациональное использование дорогостоящего экологичного топлива.
Основу такого устройства составляет многослойная керамика с ключевым компонентом — электролитом на основе специального порошка. Его свойства напрямую определяют работоспособность системы. Некачественный состав приводит к трем основным проблемам. Во-первых, плохая проводимость ионов кислорода вызывает перегрев без генерации тока (все равно что пытаться прокачать воду через забитую трубу — насос работает, а вода не течет). Во-вторых, если структура подобрана неправильно, керамика трескается от перепадов температуры. В-третьих, необходимость использования дорогих материалов (например, платины) для компенсации недостатков состава вещества резко увеличивает стоимость. Именно поэтому разработка пермских ученых решает эти проблемы, повышая эффективность, снижая цену и увеличивая срок службы элементов. Качество порошка — ключевой фактор, превращающий топливный элемент либо в эффективный источник энергии, либо в бесполезный блок.
— Мы разработали новый многокомпонентный состав на основе диоксида церия с добавлением редкоземельных металлов — самария, иттрия, неодима и гадолиния. Для его производства использовали глицин-нитратный метод, который относительно прост и дешев. В ходе экспериментов мы получили три модификации материала, каждая из которых сохранила кристаллическую структуру и приобрела повышенную пористость. Это ключевое свойство для применения в экологичных генераторах электричества. Даже самый сложный вариант с четырьмя добавками оказался стабильным, что позволяет создавать компактные и эффективные энергоустановки, — рассказывает Никита Фаустов, ассистент кафедры «Химия и биотехнология» Пермского Политеха.
Сейчас стоимость производства топливных элементов нового поколения составляет около $5000 за кВт, что в 2-3 раза выше, чем у традиционных генераторов. Основные производители сосредоточены в Японии, США и Германии. Новая технология, созданная группой специалистов из Пермского Политеха, может снизить эту стоимость на 30-40%, а также открыть возможность для локального применения в Арктике и на Дальнем Востоке, где дизельная генерация крайне дорога (0.5$/кВт·ч). Благодаря этой технологии также станет возможным создание компактных энергоустановок — например, небольшой системы размером с холодильник, способной обеспечивать электричеством целый дом. Такие конструкции будут работать практически бесшумно и выделять только чистый водяной пар, что сделает их идеальным решением для жилых районов и экопоселений. Это особенно важно для нашей страны, где внедрение «зеленых» технологий сдерживается из-за высокой стоимости и зависимости бюджета от нефтегазового экспорта (40% доходов).