Создание топливных элементов — одна из больших научно-технических проблем нашего времени; ею занимаются ученые и инженеры всех промышленно развитых стран. Чем эта проблема привлекла столь большое внимание, что даст человечеству ее решение?
Топливные элементы — это электрохимические генераторы для прямого преобразования химической энергии топлива в электрическую. Они принципиально отличаются от всех генераторов электроэнергии, поскольку они преобразуют химическую энергию в электрическую, минуя фазу преобразования в тепловую энергию. Коэффициент полезного действия любой тепловой машины не может превышать определенной величины, зависящей, от температуры рабочего тела (пара или газа) на входе и выходе тепловой машины, в то время как к. п. д. электрохимического источника тока не связан с этим ограничением. Наиболее высокий к. п. д. паровых турбин и двигателей внутреннего сгорания не превышает 40-45%, а у современных водородно-кислородных топливных элементов он достигает 70%.
Время работы обычных гальванических элементов и аккумуляторов ограничено заложенным в них запасом активных веществ, после использования которых гальванические элементы выходят из строя, а аккумуляторы требуют заряда от внешнего источника электроэнергии для восстановления запаса активных веществ. Топливные элементы отличаются от этих источников энергии тем, что они непрерывно снабжаются топливом и окислителем, а продукты реакции непрерывно удаляются, так что они могут работать без перебоев в течение длительного времени. В этом электрохимические генераторы сходны с двигателями внутреннего сгорания, но по сравнению с последними топливные элементы имеют ряд эксплуатационных преимуществ: они работают при низкой температуре, бесшумно, без вредных выхлопных газов, выдерживают высокие перегрузки, их к. п. д. растет с уменьшением нагрузки. Все эти качества очень полезны во многих случаях применения этих автономных источников энергии.
В топливных элементах в конечном итоге происходит тот же процесс сгорания топлива, что и в печах или двигателях внутреннего сгорания: взаимодействие топлива с кислородом. Однако этот процесс также происходит при комнатной температуре, поэтому такое горение, в отличие от обычного, можно назвать «холодным горением».
В космических аппаратах, где эксплуатационные преимущества источников энергии играют решающую роль, топливные элементы уже используются. Однако для создания достаточно дешевых топливных элементов широкого потребления надо преодолеть еще много трудностей — например, резко сократить или полностью исключить применение драгоценных металлов и при этом не только не снизить, а повысить удельную мощность электрохимических генераторов.
Бензиновые генераторы. Двигатели внутреннего сгорания
... Бензиновая электростанция или бензогенератор В качестве первичного двигателя используется карбюраторный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) с внешним смесеобразованием и искровым зажиганием. Часть энергии, которая выделяется при сгорании ... категорию бытовых. Критерием принадлежности агрегата выступает наличие у него или, по крайней мере, возможность комплектации топливным баком большой емкости. Тем ...
Электрохимические генераторы
В электрохимических генераторах происходит прямое преобразование химической энергии в электрическую. Возникновение ЭДС в гальваническом элементе связано со способностью металлов посылать свои ионы в раствор в результате молекулярного взаимодействия между ионами металла и молекулами (и ионами) раствора.
Рис. 1
электрохимический генератор топливный водородный
Рассмотрим явление, которое происходит при погружении цинкового электрода в раствор сернокислого цинка (ZnSO 4 ).
Молекулы воды стремятся окружить положительные ионы цинка в металле (рис. 1).
В результате действия электростатических сил положительные ионы цинка переходят в раствор сульфата цинка. Этому переходу оказывает содействие большой дипольный момент воды. Наряду с процессом растворения цинка происходит обратный процесс возврата положительных ионов цинка к цинковому электроду, когда они достигают электрода за счет теплового. движения. Когда положительные ионы переходят в раствор, отрицательный потенциал электрода увеличивается, что предотвращает этот переход. При определенном потенциале металла наступает динамическая равновесомая, то есть два встречных потока ионов (от электрода в раствор и наоборот) будут одинаковыми. Этот равновесный потенциал называется электрохимическим потенциалом металла по отношению к данному электролиту.
Важное техническое применение гальванические элементы имеют в аккумуляторах, где вещество, которое расходуется при отборе тока, предварительно накапливается на электродах при пропуске через них на протяжении определенного времени тока от постороннего источника (при заряжении).
Использование аккумуляторов в энергетике осложняется небольшим запасом активного химического топлива, что не позволяет постоянно получать электроэнергию в больших количествах. Кроме того, аккумуляторам присущая маленькая удельная мощность.
Во многих странах мира большое внимание уделяется прямому преобразованию химической энергии ископаемого топлива в электрическую энергию в топливных элементах. В этих преобразователях энергии можно достичь более высоких значений КПД, чем в тепловых двигателях. В 1893 году немецкий физик и химик Нернст высчитал, что теоретический КПД электрохимического процесса преобразования химической энергии угля в электрическую энергию равняется 99,75%.
Рис. 2. Схема водородно-кислородного топливного элемента: 1 — корпус; 2 — катод; 3 — электролит; 4 — анод
На рис. 2 показана принципиальная схема водородно-кислородного топливного элемента. Электроды в топливном элементе пористые. На аноде происходит переход положительных ионов водорода в электролит. Оставшиеся электроны образуют отрицательный потенциал и движутся к катоду во внешнем круге.
Атомы кислорода, которые расположены у катода, присоединяют к себе электроны, образуя отрицательные ионы, которые переходят в раствор в виде гидроксильных ионов ОН — за счет присоединения атомов водорода из воды. Ионы гидроксила, соединяясь с ионами водорода, образовывают воду. Таким образом, при подаче водорода и кислорода топливо окисляется ионами с одновременным образованием тока во внешнем круге. Поскольку напряжение на выводах элемента небольшое (приблизительно 1В), то элементы последовательно соединяют в батареи. КПД топливных элементов очень высокий, теоретически он близкий к единице, а практически равняется 60-80%.
Расчет процесса электролиза цинка из сульфатного раствора
... из растворов при их получении гидрометаллургическим путем, для очистки растворов от меди и кадмия перед электролизом растворов цинка. Оксид цинка ... освоили извлечение из них 11-17 элементов с высокой экономической эффективностью.[1] Для извлечения цинка из концентратов применяют ... в приборах для превращения электрической энергии в тепловую. Антимонид цинка применяют также для точечного охлаждения ...
Использование водорода в качестве топлива связано с высокой стоимостью эксплуатации топливных элементов; поэтому ищутся возможности использования других более дешевых видов топлива, в основном природного и генераторного газа. Однако скорость протекания реакции окисления газа удовлетворительная при высоких температурах (800-1200 К), что выключает использование водных растворов щелочей как электролитов. В этом случае можно использовать твердые электролиты ионной проводимости.
По типу электролита топливные элементы классифицируются на щелочные, твердо-полимерные, фосфорнокислые, расплавкарбонатные и твердооксидные; по рабочей температуре — на низко-, средне- и высокотемпературные. Следует отметить, что использование электродов из металлов палладия и платиновой группы приводит к повышению удельных характеристик и увеличению ресурса топливных элементов.
В настоящее время ведутся работы по созданию эффективных высокотемпературных топливных элементов. Хотя удельная мощность топливных элементов все еще низкая, она во много раз ниже, чем у двигателей внутреннего сгорания. Однако достижения в области электрохимии и конструктивное совершенствование топливных элементов в ближайшем будущем сделают возможным массовое использование топливных элементов в транспортных средствах и энергетике. Топливные элементы тихие, экономичные и не содержат твердых отходов, загрязняющих атмосферу.
Кислород-водородные генераторы и топливные элементы
Появление фторуглеродно-катионообменных мембран произвело революцию в таких областях, как электролиз воды для производства водорода и кислорода и преобразование химической энергии в электрическую с использованием топливных элементов. Обе области науки и техники взаимосвязаны и являются необходимыми составляющими так называемой водородной энергетики. Суть последнего заключается в преимущественном использовании водорода как экологически чистого и экономически устойчивого энергоносителя.
В самом деле, водород можно получить путем электролиза воды, процесса, в основном безвредного для окружающей среды. это выгоднее делать в периоды меньшей внешней нагрузки электростанций. Кроме того, по существующим оценкам, транспортировка водорода по трубопроводной системе будет стоить в пять раз дешевле, чем передача электроэнергии по высоковольтным линиям. У конечного потребителя водород может быть использован непосредственно как экологически чистый химический реагент (топливо, восстановитель) или для получения электрической энергии в топливных элементах. Таким образом, использование водорода в качестве энергоносителя поможет снизить потребление углеводородного топлива и приведет к снижению выбросов углекислого газа в атмосферу. Однако для фактической реализации концепции водородной энергетики необходимо решить несколько проблем, одна из которых состоит в повышении эффективности электрохимического производства водорода и обратном преобразовании химической энергии в электрическую. Как уже отмечалось, важную роль здесь сыграло появление мембраны Nafion, которая в рассматриваемых системах является не только ионоселективной диафрагмой, но и действительно твердым полимерным электролитом. Принцип работы твёрдополимерного электролизёра может быть пояснён с помощью рис. 3 .
Дистиллированная вода подаётся в анодное пространство электролизёра и проникает через поры анода (пластина из пористого титана) к границе раздела электрод/ТПЭ. На этой границе происходит электроокисление воды с выделением кислорода:
2H 2 O + 4e — > O2 + 4H +
Кислород выводится из зоны реакции через поры электрода, газонепроницаемость ТПЭ предотвращает его попадание в катодное пространство и образование взрывоопасной взрывоопасной смеси. По описанному выше механизму гидратированные протоны движутся через мембрану к катоду, где происходит их восстановление с выделением газообразного водорода:
2H + + 2e — > H2
|
Рис.& 3 . Схема электрохимического генератора твердого полимера водорода и кислорода. |
|
Как и кислород, водород удаляется через систему пор катода и каналы подачи тока. Протекание катодной и анодной реакций стимулируется введением на границы раздела электроды/ТПЭ катализаторов — мелкодисперсных платины и оксида иридия (IV) соответственно, причём разработанные к настоящему времени технологии позволяют уменьшить количества применяемых благородных металлов до 0,1 мг в расчёте на квадратный сантиметр поверхности электрода. Некоторые количественные характеристики твёрдополимерных электролизеров, демонстрирующие их эффективность, таковы:
- напряжение на электродах 1,6-1,8 В при номинальной плотности тока 1 А на квадратный сантиметр геометрической поверхности электродов;
- толщина ТПЭ 0,2-0,5 мм, толщина всей электролизной ячейки не превышает нескольких миллиметров;
- практически стопроцентная чистота выделяющихся газов, что позволяет применять их как чистые химические реагенты и в медицинских целях (кислород).
Очевидно, что как с экологической точки зрения, так и с точки зрения экономической эффективности электролизеры с ТПЭ несравнимы с генераторами водорода и кислорода, в которых в качестве электролитов используются жидкие щелочные растворы. Уже то обстоятельство, что работают твёрдополимерные электролизёры на дистиллированной воде (причём, чем чище вода, тем больше срок службы ТПЭ), говорит об их экологической чистоте.
И последний пример: электролизер размером со спичечный коробок за последние 10 лет, без какой-либо замены электродов или ТПЭ, обеспечил все потребности отделения, где автор этой статьи работает в кислороде и водороде для подготовительных работ. Конечно, этим примером не исчерпываются области применения твердополимерных генераторов кислорода и водорода. Их успешно используют в течение последнего десятилетия в медицине. Они вытеснили тяжёлые и пожароопасные кислородные баллоны, нашли широкое применение в промышленности (водород используют в качестве восстановителя, оба газа — в сварочных аппаратах), в энергетике и даже бытовых условиях — для повышения концентрации кислорода в воздухе помещений, что необходимо для лёгочных больных, заполнения кислородных подушек и т.д.
Готовыми к широкому применению (экономичными, безопасными, необслуживаемыми) водород-кислородные электролизёры сделало именно использование твёрдых полимерных электролитов.
Конструкция водородно-кислородных топливных элементов с ТПЭ существенно не отличается от схемы электролизера. Газообразный водород и кислород действуют как топливо, реакции на электродах протекают в направлении, противоположном реакциям во время электролиза, а продуктами являются дистиллированная вода и электричество. Существуют лишь различия в составе каталитических слоёв на границах раздела электроды/ТПЭ и конструкции электродов. Однако КПД топливных элементов с ТПЭ, известных к настоящему времени, не превышает 50%, а напряжение составляет лишь 0,8 В.
Это вызвано в первую очередь низкой эффективностью протекания реакции электровосстановления кислорода при сравнительно низких температурах (80-90°С) функционирования данных устройств. Серьёзным препятствием на пути широкого распространения топливных элементов является также высокая цена получаемой с их помощью электроэнергии — от 3 до 8 тыс. долларов за 1 кВт. Тем не менее топливные элементы с ТПЭ вследствие своих уникальных качеств (безопасности, экологической чистоты и компактности) нашли применение на подводных и космических кораблях, где их используют для получения пресной воды и электрической энергии.
Автономные энергоустановки на топливных элементах
Рис. 4. Рис. 5.
Эксперты в области энергетики отмечают, что в большинстве развитых стран стремительно растет интерес к относительно маломощным распределенным источникам энергии. Основными преимуществами этих автономных электростанций являются умеренные капитальные затраты при строительстве, быстрый ввод в эксплуатацию, относительно простое обслуживание и хорошие экологические показатели. При автономной энергосистеме не требуется вложений в линии электропередач и подстанции. Расположение автономных источников питания непосредственно в точках потребления не только исключает потери в сетях, но и повышает надежность электроснабжения.
Хорошо известны такие автономные источники энергии, как малые ГТУ (газотурбинные установки), двигатели внутреннего сгорания, ветроустановки и солнечные батареи на полупроводниках. До последнего времени менее популярными были топливные элементы (ТЭ), представляющие собой электрохимические генераторы, способные преобразовать химическую энергию в электрическую, минуя процессы горения, превращения тепловой энергии в механическую, а последней — в электроэнергию. Электрическая энергия вырабатывается в топливных элементах в результате химической реакции между восстановителем и окислителем, которые непрерывно поступают на электроды. Чаще всего восстановителем является водород, окислителем — кислород или воздух. Совокупность батареи топливных элементов и устройств для подачи реагентов, отвода продуктов реакции и тепла (которое может утилизироваться) представляет собой электрохимический генератор.
В последнее десятилетие 20-го века, когда вопросы, связанные с надежностью электроэнергии и проблемами окружающей среды, стали особенно важными, многие компании в Европе, Японии и США начали разрабатывать и производить различные варианты топливных элементов.
Самыми простыми являются щелочные топливные элементы, с которых началась разработка этого типа автономных источников энергии. Рабочая температура в этих топливных элементах 80-95 ° C, электролит представляет собой 30% раствор едкого калия. Работают щелочные ТЭ на чистом водороде.
В последнее время большое распространение получил топливный элемент РЕМ с мембранами протонного обмена (с полимерным электролитом).
Рабочая температура в этом процессе также составляет 80-95 ° C, но в качестве электролита используется твердая ионообменная мембрана с перфторсульфоновой кислотой.
По общему признанию, наиболее привлекательным в коммерческом плане является топливный элемент с фосфорной кислотой PAFC, у которого КПД по выработке только электроэнергии достигает 40%, а при использовании выделенного тепла -85%. Рабочая температура этого топливного элемента составляет 175-200 ° C, электролит — карбид кремния, пропитанный жидкой фосфорной кислотой, связанный с тефлоном. Схема и принцип такого топливного элемента мощностью 200 кВт показаны на рис. 4.
Пакет элементов снабжен двумя электродами из пористого графита и фосфорной кислоты в качестве электролита. Электроды покрыты платиновым катализатором. В установке риформинга природный газ, взаимодействуя с паром, превращается в водород и CO, который затем окисляется в конвертере до CO2. Далее молекулы водорода под влиянием катализатора диссоциируют на аноде на ионы Н. Электроны, высвобождаемые в этой реакции, направляются через заряд к катоду. На катоде они реагируют с ионами водорода, которые диффундируют через электролит, и с ионами кислорода, которые образуются в результате каталитического окисления атмосферного кислорода на катоде, в конечном итоге образуя воду.
Топливные элементы с расплавленным карбонатом типа MCFC также являются перспективными типами топливных элементов. Этот ТЭ при работе на метане имеет КПД по электроэнергии 50-57%. Температура эксплуатации 540-650 ° С, электролит — расплав карбоната калия и щелочи натрия, в оболочке — матрица из литий-алюминиевого оксида LiA102.
И, наконец, наиболее перспективный топливный элемент — SOFC. это твердооксидный топливный элемент, который использует любое газообразное топливо и лучше всего подходит для относительно больших установок. Его КПД по электроэнергии составляет 50-55%, а при использовании в установках комбинированного цикла — до 65%. Рабочая температура 980-1000 ° С, электролит — твердый цирконий, стабилизированный иттрием.
На рис. 5 показана батарея SOFC из 24-х элементов, разработанная специалистами из корпорации Siemens Westinghouse Power Corporation (SWP — Германия).
Эта батарея является основой электрохимического генератора, работающего на природном газе. Первые демонстрационные испытания энергоустановки такого типа мощностью 400 Вт были проведены еще в 1986 г. В последующие годы конструкция твердооксидных топливных элементов была улучшена, а их мощность увеличилась.
Наиболее успешными были демонстрационные испытания установки мощностью 100 кВт, сданной в эксплуатацию в 1999 г. Энергоустановка подтвердила возможность получения электроэнергии с высоким КПД (46%), а также показала высокую стабильность характеристик. Тем самым была доказана возможность эксплуатации энергоустановки не менее 40 тыс. часов при допустимом падении ее мощности.
В 2001 г. была разработана новая энергоустановка на твердооксидных элементах, работающая при атмосферном давлении. Батарея (электрохимический генератор) мощностью энергоустановки 250 кВт с комбинированной выработкой электроэнергии и тепла включала в себя 2304 твердооксидных трубчатых элемента. Кроме того, в состав установки входили инвертор, регенератор, подогреватель топлива (природного газа), камера сгорания для подогрева воздуха, теплообменник для подогрева воды за счет тепла уходящих газов и другое вспомогательное оборудование. При этом габаритные размеры установки были вполне умеренными: 2,6×3,0x10,8 м.
Японские специалисты добились определенных успехов в разработке больших топливных элементов. Исследовательские работы были начаты в Японии еще в 1972 г., но значительные успехи были достигнуты только в середине 90-х годов. Опытные модули топливных элементов имели мощность от 50 до 1000 кВт, причем 2/3 из них работали на природном газе.
В 1994 г. в Японии была сооружена установка с топливными элементами мощностью 1 МВт. При общем КПД (с выработкой пара и горячей воды), равном 71%, установка имела КПД по отпуску электроэнергии не менее 36%.
С 1995 г., по сообщениям прессы, в Токио эксплуатируется энергоустановка на топливных элементах с фосфорной кислотой мощностью 11 МВт, а общая мощность выпущенных топливных элементов к 2000 г. достигла 40 МВт.
Все перечисленные выше установки относятся к классу промышленных. Их разработчики постоянно стремятся к повышению мощности агрегатов, чтобы улучшить стоимостные характеристики (удельные затраты на кВт установленной мощности и стоимость выработанной электроэнергии).
Но есть несколько компаний, которые ставят перед собой иную задачу: разработать простейшие системы для домашнего потребления, в том числе индивидуальные блоки питания.
И в этой области имеются существенные достижения:
- компания Plug Power LLC разработала установку на топливных элементах мощностью 7 кВт для энергоснабжения дома;
- корпорация Н Power выпускает используемые на транспорте зарядные агрегаты для аккумуляторов мощностью 50-100 Вт;
- компания Intern. Fuel Cells LLC выпускает установки для транспорта и персональные источники питания мощностью 50-300 Вт;
- корпорация Analytic Power разработала по заказу армии США персональные источники питания мощностью по 150 Вт, а также установки на топливных элементах для домашнего энергоснабжения мощностью от 3 до 10 кВт.
В чем же заключаются достоинства топливных элементов, побуждающие многочисленные компании вкладывать огромные средства в их разработку?
Помимо высокой надежности, электрохимические генераторы обладают высоким КПД, что выгодно отличает их от паротурбинных агрегатов и даже агрегатов с газотурбинным агрегатом простого цикла. Важным достоинством топливных элементов является удобство их использования в качестве рассредоточенных источников энергии: модульная конструкция позволяет соединить последовательно любое количество отдельных элементов с образованием батареи — идеальное качество для наращивания мощности.
Но самый важный аргумент в пользу топливных элементов — это их экологические характеристики. Выбросы NOX и СО на этих установках настолько малы, что, например, окружные Управления по качеству воздуха в регионах (где нормы экологического контроля являются наиболее жесткими в США) даже не упоминают это оборудование во всех требованиях, касающихся защиты атмосферы. Для сравнения в таблице 2 показаны допустимые концентрации основных загрязнителей воздуха в продуктах сгорания, покидающих различные типы электростанций в Европейском Союзе.
Многочисленные преимущества топливных элементов, к сожалению, не могут в настоящее время перевесить их единственный недостаток — высокую стоимость, В США, например, удельные капитальные затраты на сооружение энергоустановки даже с наиболее конкурентоспособными топливными элементами составляют примерно 3500 долл./кВт. И хотя правительство предоставляет субсидию в размере 1ООО долл./кВт, чтобы стимулировать спрос на эту технологию, стоимость сооружения таких объектов остается достаточно высокой. Особенно по сравнению с капитальными затратами на строительство мини-ТЭЦ с газовой турбиной или двигателями внутреннего сгорания мощностью в мегаватт, которые составляют около 500 долларов./кВт.
В последние годы наметился определенный прогресс в деле снижения затрат на установки с ТЭ. Сооружение энергоустановок с ТЭ на базе фосфорной кислоты мощностью 0,2-1,0 МВт, о которых упоминалось выше, обошлось в 1700 долл./кВт. Стоимость производства энергии на таких установках в Германии при использовании их в течение 6000 ч в год по расчетам составляет 7,5-10 центов/кВт-ч. Установка РС25 мощностью 200 кВт, которую эксплуатирует энергокомпания Hessische EAG (Дарм-штадт), также имеет неплохие экономические показатели: стоимость электроэнергии, включая амортизационные отчисления, затраты на топливо и на обслуживание установки в сумме составили 15 центов/кВт-ч. Этот же показатель для ТЭС на буром угле составлял в энергокомпании 5,6 цента/кВт-ч, на каменном угле — 4,7 цента/кВт-ч, для парогазовых установок — 4,7 цента/кВт-ч и для дизельных электростанций — 10,3 цента/кВт-ч.
При сооружении более крупной установки на топливных элементах (N=1564 кВт), работающей с 1997 г. в Кельне, потребовались удельные капитальные затраты в количестве 1500-1750 долл./кВт, но стоимость собственно топливных элементов составила только 400 долл. /кВт
Японские специалисты считают, что при условии широкого проникновения на рынок стоимость эксплуатации энергоустановок с топливными элементами, включая замену элементов раз в пять лет, может быть снижена в перспективе до 2 центов/кВт-ч.
Все вышеизложенное показывает, что топливные элементы — это перспективный вид энергопроизводящего оборудования как для промышленности, так и для автономных установок коммунально-бытового сектора. Высокий КПД использования газа и превосходные экологические характеристики дают основания полагать, что после решения важнейшей задачи — снижения стоимости — этот вид энергетического оборудования будет востребован на рынке автономных систем тепло- и электроснабжения.
Топливные элементы в России
С 1900 по 2000 г. потребление энергии в мире увеличилось почти в 15 раз — с 21 до 320 экоДж (1 экоДж = 27 х 10 6 м3 нефти).
В качестве первичных источников используются нефтепродукты (34.9%), уголь (23.5%), природный газ (21.1%), ядерное топливо (6.8%) и возобновляемые источники — ветер, солнце, гидро- и биотопливо (13.7%).
Это привело к тому, что за 50 лет выбросы углекислого газа в атмосферу возросли в 4.5 раза и сегодня составляют 20 х 1012 м3 /год. Это тот самый углекислый газ, ради которого существует Киотский протокол и который, как уверяют многие ученые, вызывает парниковый эффект. Вообще энергетика, основанная на ископаемом топливе, создает очень много экологических проблем. Возникает дилемма: без энергии нельзя сохранить нашу цивилизацию, однако существующие методы производства энергии и высокие темпы роста ее потребления приводят к разрушению окружающей среды. Естественно, что одна из основных задач современной энергетики — поиски путей преодоления экологических проблем.
Вторая и, наверное, главная проблема состоит в том, что существующие источники энергии ограничены. Считается, что нефти и газа хватит не более чем на 100 лет, угля — примерно на 400 лет, ядерного топлива — на 1000 лет с лишним. Для того чтобы иметь топливо, когда на Земле будут исчерпаны запасы нефти и газа, и решить экологические проблемы, необходимо переходить к новым источникам энергии и иметь «чистую энергетику». И наша главная надежда — на водородную энергетику: использование водорода как основного энергоносителя и топливных элементов как генераторов электроэнергии. Одновременно резко сократится потребление ископаемых топлив, потому что водород можно получать из воды, разлагая ее на водород и кислород. Энергию для этого будут давать ядерная энергетика и возобновляемые источники.
Переход на водородную энергетику означает крупномасштабное производство водорода, его хранение, распределение (в частности, транспортировку) и использование для выработки энергии с помощью топливных элементов. Водород находит применение и в других областях, таких как металлургия, органический синтез, химическая и пищевая промышленность, транспорт и т.д. (рис. 1).
Судя по современным темпам и масштабам развития водородной энергетики на нашей планете, мировая цивилизация в ближайшее время должна перейти к водородной экономике. Фактически задача состоит в том, чтобы создать топливные элементы и использовать водород для получения электрической энергии. Именно топливным элементам я уделю основное внимание.
Рис. 6. Области применения водорода и водородсодержащего газа
Добавка водорода к обычному топливу двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин приводит к увеличению КПД и уменьшению уровня вредных выбросов.
Начну с производства водорода. Один из его источников — природное топливо: метан, уголь, древесина и т.д. При взаимодействии топлива с парами воды или воздухом образуется синтез-газ — смесь СО и Н 2 (рис. 7).
Из нее затем выделяется водород. Другой источник — отходы сельскохозяйственного производства, из которых получают биогаз, а затем — синтез-газ. Промышленно-бытовые отходы тоже используются для производства синтез-газа, что способствует одновременно и решению экологических проблем, поскольку отходов много и их нужно утилизировать. В конечном счете образуются углекислый газ, водород и окись углерода. Дальше идет каталитическая очистка, электрохимическая конверсия и т.д. Водород можно получать также электролизом воды, то есть разложением ее под воздействием электрического тока. Очень важным элементом при преобразовании газа, содержащего водород, является очистка газа на палладиевых мембранах. В конечном счете получается чистый водород.
Рис. 7. Возможные источники и пути получения водорода
Первая электрическая энергия была получена с помощью топливного элемента еще в 1839 г. Однако бум вокруг водородной энергетики возник тогда, когда началось освоение космоса. В 60-е годы прошлого века были созданы топливные элементы мощностью до 1 кВт для программ «Джемини» и «Аполлон», в 70-80-е годы — 10-киловаттные топливные элементы для «Шаттла». У нас такие установки разрабатывались для программы «Буран» в НПО «Энергия», которое выступало координатором всей программы, но сами щелочные топливные элементы создавались в Новоуральске на электрохимическом комбинате. В те же годы были построены электростанции мощностью порядка 100 кВт на фосфорнокислотных топливных элементах. В Японии и США имеются опытные 10-мегаваттные электростанции.
С 1990-х годов и по настоящее время идет разработка топливных элементов мощностью от 1 кВт до 1 МВт для стационарной автономной энергетики. Нужно иметь в виду, что и в автотранспорте находят применение топливные элементы, а в качестве их нагрузки — электрические двигатели. Кроме того, сейчас разрабатываются портативные источники электроэнергии (мощность менее 100 Вт) для компьютеров, сотовых телефонов, фотоаппаратов. В качестве топлива в них используется, как правило, метанол, из которого получают водород. Подзарядка элементов производится всего один раз в месяц.
Топливный элемент — лишь составная часть электрохимического генератора, который содержит еще системы кондиционирования, подготовки топлива, утилизации отходов и др. (рис. 9).
Первичным топливом могут быть метан, пары метанола, керосина, синтез-газ и т.д. Коэффициенты полезного действия у генераторов с топливными элементами изменяются от 30% (двигатели внутреннего сгорания и газовые турбины) до 60-65% (энергоустановки с твердооксидными топливными элементами).
Рис. 9. Схема электрохимического генератора
Вернусь еще раз к вопросу о выбросах в атмосферу, чтобы понять важность экологического аспекта водородной энергетики. В таблице 4 приведены предельно допустимые выбросы существующих энергоустановок. Если мы перейдем на водородную энергетику, то некоторые выбросы (NO х и СО) снизятся на порядки, а некоторых (SO2 и твердых частиц) вообще не будет.
Рассмотрим энергоустановку, основой которой является солнечная батарея. Наличие солнечного света и потребность в энергии не всегда совпадают. Когда потребление энергии незначительное, электрическая энергия от солнечной батареи может использоваться для электролиза воды и получения водорода. Водород поступает в накопитель и по мере необходимости используется для выработки электроэнергии в водородных электрохимических генераторах. Такая гибридная система, возможно, и будет основой для будущей автономной электроэнергетики.
Теперь коротко о перспективах применения топливных элементов на транспорте и в децентрализованной энергетике. В мегаваттных установках для децентрализованной энергетики используются фосфорнокислые и расплав-карбонатные топливные элементы и метан в качестве топлива с последующим преобразованием его в водород химическими методами. На транспорте находят применение киловаттные энергетические установки с твердооксидными и твердополимерными топливными элементами.
В Японии создана энергетическая установка на топливных элементах мощностью 100 кВт, в Германии — установка мощностью 250 кВт, функционирующая как небольшая автономная электростанция. Фирма «Сименс Вестигхаус» разработала гибридную энергетическую установку на твердооксидных топливных элементах. В ней мощная струя выходящих газов используется для работы газовой турбины, то есть к электрической энергии, вырабатываемой топливными элементами, добавляется электрическая энергия, вырабатываемая турбиной. Крупнейшие автомобильные компании мира ведут разработку электромобилей. В таких городах, как Амстердам, Барселона, Лондон, Гамбург, Мадрид, прошли показательные испытания городских автобусов на топливных элементах. Первая такая демонстрация состоялась в 1993 г., а наибольшее их число пришлось на 1999-2003 гг.: 60 демонстраций 17 компаний, производящих легковые автомобили, и 11 демонстраций 7 компаний, выпускающих автобусы. Компании «Дженерал Моторс» и «Даймлер-Крайслер» намереваются продемонстрировать электромобиль в 2004 г. (водород предполагается получать из бензина), компании «Баллард Пауэр Системе» и «Даймлер-Крайслер» — в 2005 г.
А как обстоят дела с водородной энергетикой и топливными элементами в России?
Надо сказать, что водородной энергетикой у нас занимаются довольно давно, поскольку эти работы имели очень большое значение для автономной энергетики в космосе и подводном флоте. Космос и подводный флот были фактическими источниками средств для развития водородной энергетики. Почти 20 институтов АН СССР, а затем РАН (в Москве, Екатеринбурге и Новосибирске) решали те или иные вопросы водородной энергетики. В последние годы исследования поддерживались в основном за счет совместных контрактов с иностранными компаниями (ряд разработок, о которых я упоминал, в той или иной мере были сделаны при участии российских ученых).
На протяжении 20 лет десятки академических институтов ведут исследования в этой области. В Институте катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, имеющем хорошую экспериментальную базу и испытательное оборудование, изучается возможность использования металлов платиновой группы (палладия, платины и др.) для получения водорода. Здесь создан ряд катализаторов для получения водорода из метана с последующей его очисткой с помощью мембран. Что касается мембран, то очень хорошие результаты достигнуты в Институте общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН и в Институте нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН. В Институте электрофизики УрО РАН по совместной программе с Институтом высокотемпературной электрохимии УрО РАН разработаны методы получения нанопорошков и нанокерамики путем магнитного прессования. Генерация электрическои энергии в твердооксидных топливных элементах происходит при температуре 950 о С и плотности мощности 470 МВт/см2 .
Уральский электрохимический комбинат — пионер в создании электрохимических генераторов мощностью в десятки киловатт. В 1971 г. здесь был разработан электрохимический генератор «Волна» (мощность 1.2 кВт) на щелочном топливном элементе для отечественной лунной программы, в 1988 г. — система «Фотон» (мощность 10 кВт) для «Бурана». Комбинат может выпускать такие установки по несколько штук в год. В 1999 г. для космического аппарата «Ямал» были созданы модули из двух никель-водородных аккумуляторных батарей то есть водород можно использовать не только для топливных элементов, но и для аккумуляторов энергии.
В 1982 г. НПО Квант впервые снабдил авто мобиль «РАФ» водородным щелочным топливным элементом. В 2001 и 2003 гг. Уральский электрохимический комбинат, РКК «Энергия» и АвтоВАЗ на автосалонах в Москве демонстрировали автомобиль «Лада» с электродвигателем и электрохимическим генератором «Фотон». В первой системе окислителем служил кислород, во второй — очищенный от CO 2 воздух, что существенно упростило конструкцию автомобиля. Однако и в том, и в другом случае использовался хранящийся в баллонах водород. На одной заправке эти автомобили могут проехать 300 км
В нашей стране для автономной энергетики созданы различные установки с электрохимическими генераторами мощностью от 1 до 16 кВт, в том числе корабельные мощностью 150 кВт и более.
Перспективность электрохимии
Чем привлекательны топливные элементы и почему их нет на рынке? К числу достоинств относятся: высокий кпд, низкая токсичность, бесшумность, модульная конструкция (имея, скажем, киловаттные топливные элементы, можно собирать из них установки большой мощности), многообразие первичных видов топлива, широкий интервал мощности. Проникновение их на рынок сдерживается прежде всего высокой себестоимостью по электроэнергии и малым ресурсом. Наибольший ресурс у твердополимерных топливных элементов — (2-5) тыс. часов работы, требуемый же срок службы — (20-30) тыс. часов.
Что касается коммерциализации электрохимических генераторов на топливных элементах, то около 100 компаний участвует в их демонстрационных испытаниях, достигнута установленная мощность в 50 МВт. Потребность децентрализованной стационарной энергетики (мощность электрохимических генераторов от 5 кВт до 10 МВт) -100 тыс. МВт за 10 лет. Сейчас 1 кВт установленной мощности стоит более 3 тыс. долл., приемлемая цена — 1 тыс. долл. Потребности автотранспорта в электрохимических генераторах на топливных элементах (мощность 15-100 кВт) — 500 тыс. штук в год. Сейчас стоимость одного такого генератора более 3 тыс. долл., приемлемая цена — 50-100 долл. Таким образом, необходимо многократное снижение стоимости стационарных топливных элементов и десятикратное — стоимости топливных элементов для транспорта.
Учитывая потребности рынка, программа бюджетных инвестиций США предполагает в ближайшие 10 лет вложить 5.5 млрд. долл. в развитие технологии топливной энергетики, промышленные компании — почти в 10 раз больше.
Россия на уровне системного понимания проблемы топливных элементов нисколько не уступает Западу. Десятки отечественных институтов так или иначе работают над этой проблемой в кооперации с международными компаниями. Отечественная компания «Пластполимер» предполагает построить в Европе один из заводов по производству полимерной пленки для твердополимерных топливных элементов. На недавней конференции в Вашингтоне американцы говорили, что покупают в Испании полимерную пленку, изготовленную по российской технологии.
Мы сильно отстали от Запада в области традиционных технологий. Но традиционные технологии, несмотря на огромные вложения, до сих пор не позволили Западу и Японии создать топливные элементы коммерческого уровня. Нам надо обгонять Запад, не догоняя. Для этого, мне кажется, у нас есть хороший задел в области нанотехнологий, направленного синтеза материалов, тонкопленочных, лучевых технологий. Необходимо объединить достаточно мощный потенциал Российской академии наук, отраслевых институтов, Минатома РФ, чтобы быстро продвигаться вперед.
В Комплексной программе поисковых, научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по водородной энергетике и топливным элементам запланировано исследование палладия. Металл платиновой группы палладий является одним из основных материалов для топливных элементов и всей водородной энергетики. На его основе изготовляются катализаторы, мембранные аппараты для получения чистого водорода, материалы с повышенными функциональными характеристиками, топливные элементы, электролизеры, сенсоры для определения водорода. Палладий может эффективно накапливать водород, особенно нанопорошок палладия.
Помимо водородной энергетики, палладий находит применение в катализаторах для доочистки выхлопных газов обычных автомобилей; электролизерах для получения водорода и кислорода путем разложения воды; портативных топливных элементах, в частности метанольных; твердооксидных электролизерах с электродами на основе палладия; устройствах для получения кислорода из воздуха, в том числе и в медицинских целях; сенсорах для анализа сложных газовых смесей.
В заключение я хотел бы отметить, что для Российской академии наук наступил знаменательный момент: промышленность и крупные частные компании проявляют интерес к ее фундаментальным разработкам, чтобы повысить конкурентоспособность своей продукции. Мы всегда говорили: как только станет оживать наша промышленность, оживет и наука. Участие Академии наук в совместной программе с компанией «Норильский никель» — это в некотором смысле пилотный эксперимент по новой организации фундаментальных и прикладных исследований.
Реализация Генерального соглашения и той программы, которая сегодня будет подписана, — одно из направлений будущего развития Академии наук. Я знаю, что и другие компании проявляют интерес к сотрудничеству с Российской академией наук, и на двусторонней основе уже работают с нашими институтами. Напомню, что в 2002 г. Академия наук именно благодаря хоздоговорам заработала 5 млрд. руб., а средства, которые были ей выделены из бюджета, составили 10 млрд. руб. Надеюсь, что нынешнее совместное заседание Президиума РАН и Правления компании «Норильский никель» положит начало новым методам инновационной деятельности Российской академии наук.
Список использованной литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/kontrolnaya/elektrohimicheskie-elektrostantsii-na-osnove-toplivnyih-elementov/
1. В.А. Веников, Е.В. Путятин. Введение в специальность. Электроэнергетика; Учебник для вузов. — М.: Высшая школа. 1988. — 239 с.
2. Л.Д. Рожкова, В.С. Козулин. Энергооборудование станций и подстанций. — М.: Энергия, 1987. — 648 с.
3. Ф.В. Скалкин, А.А. Канаев, И.З. Кооп. Энергетика и окружающая среда. — Л,: Энергоиздат, 1981. — 280 с.
4. Мировая энергетика: прогноз развитиядо 2020 г./ Пер. с англ. Под ред. Ю.Н. Старшинова. — М.: Энергия, 1980. — 256 с.
5. Журналы «Промышленная энергетика», «Энергонадзор и энергоэффективность», «Энергоснабжение», «Энергетик». 2000-2005 гг.
