Как металлургия связана с водородной энергетикой
Катализаторы – вещества, которые в десятки тысяч раз ускоряют химические процессы от нефтепереработки и химического синтеза до производства и сжигания водорода. Без катализаторов невозможно получить бензин и дизельное топливо, синтезировать аммиак, произвести минеральные удобрения и азотную кислоту.
Уникальными каталитическими свойствами обладают металлы платиновой группы (МПГ) – палладий, платина, родий, рутений и иридий. Все эти металлы производит «Норникель». На мировом рынке цветных металлов российский индустриальный гигант из Норильска занимает первое место по производству палладия (с долей 38%), четвертое – платины (10%) и пятое – родия (7%). Компания выпустила в прошлом году 2,79 миллиона унций палладия и 651 тысячу унций платины.
При этом катализаторы – продукт уже не сырьевой, а глубокой переработки, а значит, достаточно перспективный: рыночная стоимость катализаторов в десятки раз превышает стоимость металлов, в них содержащихся. Это связано с тем, что технология синтеза таких материалов сложная и должна обеспечить управляемое получение наночастиц сплава не только определенного состава и диаметра (порядка 10 нанометров), но и распределенных заданным образом по микрометровым частицам материала-носителя (таковым часто является, например, керамика, оксид алюминия, углерод в самых разных формах). В настоящее время подавляющую долю производимого в мире палладия (порядка 80%) потребляет автопром для выпуска нейтрализаторов выхлопных газов.
Что совсем немаловажно, линейка катализаторов для разных отраслей промышленности выглядит практически безграничной. На российском рынке катализаторов представлены игроки различного масштаба – как отечественные, так и зарубежные (не только из ЕС, но и из Азии), которые производят катализаторы для разнообразных химических процессов. «Это основные сложившиеся отрасли: нефтегазовая, химический синтез, пищевая, производство азотных удобрений», – говорит Салтыков. В одних технологиях используют сетку из платиновых металлов – сначала в виде проволоки, а затем особым образом связанную. В других технологиях химической индустрии востребованы иные типы катализаторов, например, на керамических носителях.
Но все эти катализаторы – продукты для уже сложившихся рынков. Поэтому в «Норникеле» изначально решили пойти другим путем – в сторону рынков только зарождающихся: в компании сделать ставку на исследование применимости палладия в новых катализаторах на основе металлов платиновой группы для быстрорастущего рынка водородной энергетики.
Традиционно водород рассматривают с точки зрения декарбонизации производств и снижения углеродного следа. Однако с технологической точки зрения водород – это уникальное топливо, обладающее рядом неоспоримых преимуществ: высокой энергоемкостью, слабой чувствительностью к низким температурам, отсутствием трения в топливных элементах, высоким коэффициентом полезного действия.
Специалист «Норникеля» по катализаторам Сергей Салтыков считает, что дело здесь не только в декарбонизации мировой экономики.
Еще одна причина интереса компании именно к водородной энергетике – это как раз то, что рынок этот пока во всем мире только формируется.
Впрочем, основные сегменты водородной энергетики известны – получение водорода путем электролиза воды, риформинга метана или другими способами, хранение и транспортировка водорода, а также изготовление стационарных и мобильных топливных элементов. Большинство этих процессов невозможны без участия катализатора из МПГ.
Научные эксперты «Норникеля» решили изучить катализатор из сплава, содержащего палладий, нанесенного при необходимости на углеродный носитель. С физико-химической точки зрения палладий является уникальным металлом, возможности которого далеко не исчерпаны – благодаря строению его кристаллической решетки и его химическим свойствам. Прототип катализатора на основе палладия будет представлять собой наноразмерный металлический материал, который станет основой мембранно-электродных блоков, являющихся сердцем устройств водородной энергетики для получения высокочистого водорода и генерации энергии.
Концепция развития водородной энергетики в России принята правительством в 2021 году и включена в Энергетическую стратегию РФ. Интересно, что уже на первом этапе до 2024 года эта концепция предполагает создание в стране водородных кластеров и пилотных проектов, которые в том числе будут рассчитаны на экспорт водородного топлива в небольшом объеме. На втором этапе до 2035 года концепция предполагает создание крупных экспортно-ориентированных производств и экспорт до 2 миллионов тонн, а на третьем – широкомасштабное развитие мирового рынка водородной энергетики.
«Норникель» также видит перспективы развития не только в производстве катализаторов, но и в других сегментах водородной энергетики – разработке технологий мембранного получения высокочистого водорода, его хранения и транспортировки.