ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ НА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ

Возрастающее техногенное давление на экосистему планеты, ограниченные запасы жидких и газообразных углеводородных энергоресурсов являются основными причинами нарастающего внимания к поиску альтернативных источников энергии. Наиболее перспективным в этом плане считается водород, который называют «топливом XXI века» [1]-[8]. Именно интерес к водородной энергетике определил резкий рост разработок в области электрохимических генераторов на топливных элементах [1]-[8]. Топливные элементы обеспечивают непосредственное преобразование химической энергии топлива в электричество. Отсутствие вредных выбросов, бесшумность, компактность, высокий КПД – основные их преимущества, позволяющие позиционировать топливные элементы как важнейшие устройства преобразования энергии окисления топлива в электроэнергию [2]-[8].

В последние годы большинство научно-технических программ по топливным элементам сконцентрировались на создании устройств, рассчитанных на применение водорода. В США, например, с 2003 года по программе перехода к водородной энергетике ежегодно выделяются средства в размере 1,2 млрд. долларов. В России водородная энергетика также выделена в ряд приоритетных направлений.

Компаний, работающих в сфере высоких технологий в энергетике, которые в той или иной форме не занимались бы разработкой систем водородной энергетики, практически нет. Уже сегодня большинство автогигантов представили прототипы автомобилей на топливных элементах и ведут интенсивные разработки в данной области. В мире эксплуатируется около 2000 средних и малых стационарных энергетических установок, включая источники бесперебойного и резервного питания [2], [4], [5], [8].

Среди крупных энергетических проектов наибольшего технологического совершенства достигли среднетемпературные топливные элементы, работающие при температуре от 200 до 230°С на жидком топливе (как правило метаноле), природном газе либо на техническом водороде. Электролитом в них служит фосфорная кислота, которая заполняет пористую углеродную матрицу. Электроды в таких системах выполнены из углерода, а катализатором является платина. Одна таких электростанций введена в строй в штате Калифорния в 1991 году. Сейчас в различных районах США испытывают небольшие теплофикационные установки мощностью по 40 кВт с коэффициентом использования топлива около 80%. Такие установки могут нагревать воду до 130°С и их размещают в прачечных, спортивных комплексах, пунктах связи и т.д. Установки уже проработали в общей сложности сотни тысяч часов. Экологичность электростанций на топливных элементах позволяет размещать их непосредственно в городах.

Первая топливная электростанция в Нью-Йорке мощностью 4,5 МВт заняла территорию в 1,3 га. Теперь для новых станций с мощностью в два с половиной раза больше нужна площадка размером 30?60 м. Строят и несколько демонстрационных электростанций мощностью по 11 МВт. Расчетный срок службы новых электростанций – не менее 30 лет.

Наилучшими характеристиками обладают уже проектируемые модульные установки мощностью 5 МВт со среднетемпературными топливными элементами второго и третьего поколений. Они работают при температурах от 650 до 800°С. Их аноды изготавливают из спеченных частиц никеля и хрома, катоды – из спеченного и окисленного алюминия, а электролитом служит расплав смеси карбонатов лития и калия.

Еще эффективнее могут быть высокотемпературные топливные элементы с электролитом из твердых оксидов (в основном двуокиси циркония). Их рабочие температуры достигают 1000°С. КПД энергоустановок с такими топливными элементами близок к 50 %. В таких элементах топливом могут служить и продукты газификации твердого угля со значительным содержанием окиси углерода.


Сбросовое тепло высокотемпературных установок целесообразно использовать для производства пара для привода турбин электрогенераторов в пароводяном цикле.

В последние годы число установок, оснащенных твердооксидными топливными элементами, возросло с 5 до более чем 20.

Фирма Westinghaus (США) исследует свойства топливных элементов на твердых оксидах с 1958 года. Она разрабатывает энергоустановки мощностью от 25 до 200 кВт, использующие газообразное топливо получаемое из угля (синтезгаз), и испытывает пилотные установки мощностью свыше мегаватта.

Другая американская фирма Engelgurd проектирует топливные элементы мощностью 50 кВт и более, работающие на метаноле, с фосфорной кислотой в качестве электролита.

Кроме этого, американская United Technology и японская Toshiba образовали корпорацию International Fuel Cells. Такие известные компании как Ishikawajima-Harima, Nippon Oil, Osaka Gas, Sanyo планируют выпуск установок по цене не более $4200 за киловатт установленной мощности.

В Европе топливными элементами занимаются бельгийско-нидерландский консорциум Elenko, западногерманские фирмы Siemens, EnBW, RWE, итальянская Fiat, английская Jonson Metju. Это далеко не полный список компаний, работающих над созданием энергетических установок нового поколения.

В целом, достижения в области разработки топливных элементов значительны, но ещё далеки от широкого промышленного использования. Проблема заключается в высокой стоимости топливных элементов. Однако, это не единственная причина, сдерживающая переход на водородную энергетику на данном этапе её освоения.

Понятие «водородная энергетика» – это не только топливные элементы. Это целая инфраструктура, включающая в себя системы получения, хранения и транспортировки водорода до конечных потребителей [1]-[8].

Промышленное производство водорода чаще всего основано на использовании технологий разложения метана и электролиза воды. Водород также получают карбонизацией топлив – угля, нефти, природного газа, биомассы – в процессе риформинга, продуктом которого является смесь водорода и монооксида углерода. Стоимость производства водорода в настоящее время ограничивает эффективность его масштабного применения в энергетике [1] и [2]. Пока большинство созданных энергетических установок на топливных элементах ориентировано на использование природного газа. Это обусловлено не только высокой стоимостью водорода, но и тем, что природный газ является одним из наиболее распространенных видов топлива с развитой инфраструктурой снабжения. Имеет значение также то, что важную роль в разработке и внедрении энергетических установок на топливных элементах играют газоснабжающие компании.

На начальном этапе развития и коммерциализации водородной энергетики необходимоприблизить стоимость водорода к цене природного газа.

Решение этой задачи базируется на совершенствовании существующих и развитии новых технологий получения водорода. Одними из перспективных являются технологии, основанные на использовании электролизеров с твердооксидными и твердополимерными электролитами. Появление фторуглеродных катионообменных мембран произвело настоящую революцию в таких областях, как низкотемпературный электролиз воды и преобразование химической энергии в электрическую с помощью топливных элементов. На сегодняшний день в топливном элементе с твердополимерными электролитами достигнуты рабочие плотности тока порядка 1,6 А/см 2 при напряжении 0,7 В. Характерное напряжение электролизера при плотности тока 1 А/см 2 составляет от 1,63 до 1,64 В. Созданы топливные элементы мощностью 1 кВт и электролизеры производительностью до двух м 3 /час водорода (рабочее давление до 30 атм.). Однако существенным препятствием для коммерциализации данного типа топливных элементов и электролизеров является использование катализаторов на основе платины. Применение данного металла приводит к ряду значительных проблем, которые ограничивают применение топливных элементов. Имеет место чувствительность электрокатализаторов к оксиду углерода, присутствующему в конверсионном водороде. Твердополимерные элементы пока не могут работать при температурах от 100 до 120°С из-за деструкции материала мембран.

При значительном повышении температуры можно отказаться от платины, как катализатора. Так, например, высоко­температурные топливные элементы и электролизеры на основе оксидов металлов не содержат благородных металлов. Твердооксидные электрохимические конвертеры позволяют получать чистый водород из любых газообразных или газифицируемых топлив при расходе топлива на 30% ниже, чем при традиционных каталитических способах получения водорода. Твердооксидные электролизеры для выработки водорода потребляют на 30% меньше электроэнергии, чем низкотемпературные (щелочные и твердополимерные) электролизеры. Это является их решающим преимуществом, когда электроэнергию будут производить не из ископаемых видов топлив. Однако, положительная роль высоких рабочих температур (приблизительно 900°С) с точки зрения снижения энергозатрат на электролиз и увеличения скорости процессов, имеет и обратную сторону. Увеличиваются требования к используемым конструкционным материалам, техническим и технологическим решениям изготовления топливных ячеек.

Тем не менее, прогресс не терпит остановок и ожидания, когда все проблемы внедрения концепции водородной энергетики будут решены. Уже существует ряд направлений практической реализации разработок в области топливных элементов.

В большой энергетике очень перспективно применение топливных элементов для накопления энергии, например, получение водорода. Возобновляемые источники энергии (солнце, ветер и др.) отличаются рассредоточенностью. Их использование немыслимо без емких аккумуляторов, запасающих энергию в той или иной форме.

Проблема накопления актуальна уже сегодня: суточные и недельные колебания нагрузки энергосистем заметно снижают их эффективность и требуют так называемых маневренных мощностей. Один из вариантов электрохимического накопителя энергии – топливный элемент в сочетании с электролизерами и газгольдерами.

Основным направлением современных разработок по производству накопителей энергии являются электролизеры нового поколения на основе топливных элементов. Как уже отмечалось ранее, топливные непосредственно превращают энергию топлива в электричество, минуя малоэффективные промежуточные стадии. Электрохимическое устройство в результате высокоэффективного прямого окисления топлива вырабатывает электроэнергию. При обратном включении такого элемента, устройство работает как электролизер.

Таким образом, в период избытка возобновляемой энергии и спада ее потребления имеется возможность накапливать энергию в виде водорода, а при росте потребления энергии – вырабатывать электроэнергию, используя произведенный водород.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

[1] Водородная энергетика и топливные элементы, взгляд в будущее // заключительный отчет экспертной группы ЕС EUR 20719 RU, Luxembourg: Official Publication of the European Communities, 2003, 36p. Доступно на вебсайте: http://europa.eu.int/comm/reseach/rdinfo_ru. html .

[2] Handbook of Fuel Cells: Fundamentals, Technology, Applications. / Vielstich W. Gasteige H. Lamm A. (eds.). – New York: John Wiley & Sons, 2003.

[3] Appleby A.J. Foulkes F.R. Fuel cell handbook. — New York: Van Nostrand Reinhold, 1989. – P. 199–200.

[4] Basu S. editor. Recent trends in fuel cell science and technology. New Delhi: Anamaya Publishers, 2007.

[5] Srinivasan S. Fuel cells from fundamentals to applications. Springer Science + Business Media, 2006.

[6] Winter C.J, Nitsch J. editors. Hydrogen as an energy carrier: technologies, systems, economy. — New York: Springer-Verlag, 1988. – P. 56–78.

[7] Liebhafsky H.A. Cairn E.J. Fuel Cells and Fuel Batteries. — New York: John Wiley and Sons, 1968.

[8] Appleby A.J. Fuel cell technology: status and future prospects // Energy. – 1996. – Vol. 21. – P. 521-653.

Рекомендуем ознакомится: http://www.startbase.ru