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.

Сергей Салтыков, руководитель направления «Катализаторы» в департаменте технологических инноваций «Норникеля»: «Суть в том, что "Норникель" производит металлы платиновой группы, но продает их в виде аффинированных слитков или порошков, то есть лишь в качестве сырьевого продукта для дальнейшей переработки, как нефтедобывающие компании продают нефть».

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.

Екатерина Ахмадеева, директор производственно-технического департамента «Норникеля»: «Постепенный отказ от двигателя внутреннего сгорания и увеличение доли электромобилей в перспективе неизбежно приведет к перераспределению рынков потребления палладия. "Норникель", занимающий первое место в мире по производству палладия, занимается поиском новых рынков его применения, одним из которых может стать катализатор для водородной энергетики. Очевидно, что водород рано или поздно займет технологическую нишу, в которой станет выгодной альтернативой традиционным источникам энергии».

Специалист «Норникеля» по катализаторам Сергей Салтыков считает, что дело здесь не только в декарбонизации мировой экономики: «Мы не разделяем точку зрения, что водород – это некая панацея, которая полностью вытеснит бензиновые и электромобили. Но благодаря своим очевидным преимуществам двигатели на водородном топливе могут оказаться более эффективными для использования в каких-то вполне конкретных сегментах – например, на рынке двигателей для строительной и грузовой техники, которая движется по фиксированным маршрутам, где будут размещены водородные заправочные станции».

Еще одна причина интереса компании именно к водородной энергетике – это как раз то, что рынок этот пока во всем мире только формируется. Анна Карабач, начальник управления обеспечения реализации стратегии в области ESG «Норникеля»: «В определенной степени это связано, конечно, с энергопереходом. Но очень важным драйвером, на наш взгляд, является именно то, что для использования водорода имеются свои технологические ниши. А так как рынок еще не сформирован, то имеется хорошая перспектива стать одним из ключевых игроков – так, как это сложилось в отраслях нефтепереработки или химического синтеза. Развивающийся рынок также открыт для вывода новых инновационных продуктов. То есть мы имеем все возможности не только для того, чтобы предложить какой-то продукт или технологию, мы можем создать новый уникальный продукт и вывести его на рынок». 

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.

Ирина Горюнова, руководитель проектов высокотехнологичного подразделения «Норникеля» – «Норникель Спутник»: «Физически катализаторы для водородной энергетики – это углеродный порошок, на который с помощью различных методов наносятся металлы платиновой группы уже в виде наноразмерных частиц. Если представить образно, то такой материал под микроскопом будет похож на то, как выглядит в массовом сознании коронавирус: этакий мячик с шипами, то есть шарик углерода микронного размера, на поверхности которого располагаются сферические наночастицы металла. Под прототипом мы понимаем готовый образец катализатора, который будет обладать всеми необходимыми целевыми характеристиками – каталитической активностью и ресурсом работы».

Сергей Салтыков: «Новое поколение электролизеров с протонообменной мембраной упрощенно представляет собой пластину мембраны, на одну сторону которой наносится катодный катализатор, а на вторую – анодный. Основной научной задачей является поиск химического состава и структуры этих катализаторов, которые обеспечат весь набор заданных целевых характеристик. Какой результат на этом этапе мы ожидаем? Во-первых, определение химического состава этих частиц, то есть в какой пропорции должны использоваться платиновые металлы, во-вторых, размера и формы наночастиц, в-третьих, плотности, с которой эти наночастицы должны быть распределены по поверхности частицы углеродного носителя. Все свойства катализатора определяются именно этими характеристиками. Это сердце катализатора, ноу-хау, которое и обеспечит эффективность такого электролизера в целом».

Дмитрий Санников, директор по инновациям и цифровым технологиям Кольского дивизиона «Норникеля»: «После ресурсных испытаний прототипа катализатора следующим шагом можно рассматривать налаживание производства катализаторов. Кстати, в Кольском дивизионе "Норникеля" успешно идут работы по созданию производства ограниченных партий химических соединений металлов платиновой группы, которые можно будет использовать в качестве собственного исходного материала, так называемых прекурсоров, для изготовления катализаторов».

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 млн 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.