CC BY
124
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
Рубрику ведет В.М. Аванесов,
заведующий кафедрой "Энергетика и энергосбережение" Московского института энергобезопасности и энергосбережения, кандидат технических наук, доцент
Динамика и структура энергетики
О. И. Манаев, доцент кафедры ЕНОТД МИЭЭ, кандидат технических наук
Современная цивилизация находится на пике своего развития. Промышленно развитые страны и страны с развивающейся экономикой, к которым относится и Россия, достигли выдающихся результатов в большинстве областей деятельности. Никогда раньше человечество не обладало такими достижениями в телекоммуникациях, на транспорте, производстве, в здравоохранении и культуре. Во многих областях знаний мы находимся на пороге прорыва к технологиям и материалам, меняющим наше традиционное представление об окружающем мире.
Мы не погрешим против истины, если скажем, что в основе этих достижений лежит обладание энергетическими ресурсами. Существует прямая связь между уровнем технико-экономического развития, ВВП и потреблением энергии. Растущую потребность в энергии в ХХ веке обеспечила углеводородная энергетика (диагр. 1).
Источники получения энергии
5
14%
4 ^Я 1
'■,35% ■ 1
Ш2
□ 3
з V Л □ 4
21% . ^Л ■ 5
2
23%
Диаграмма 1. Источники получения энергии в 2000 г.
1-нефть; 2-уголь; 3-газ; 4-возобновляемые; ядерное топливо
Энергосбережение
35 =
Диаграмма 2. Рост производства энергии в XX — XXI вв. (XXI в.— прогноз)
С 1900 по 2000 г. потребление энергии в мире увеличилось почти в 15 раз - с 21 до 320 экоДж (1 экоДж = = 27 х 106 м3 нефти) (диагр. 2). Несмотря на предпринимаемые усилия в области энергообеспечения, дефицит энергии для развитых стран становится всё очевиднее и может стать тормозом дальнейшего развития.
Диаграмма 4. Выброс углекислого газа в атмосферу
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 и более. 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".
Большие надежды возлагаются 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. Если мы перейдем на водородную энергетику, то некоторые выбросы (NOх и СО) снизятся на порядки, а некоторых (SO2 и твердых частиц) вообще не будет.
Некоторые аспекты водородной энергетики
Диаграмма 3. Изменение источников энергии в XX в.
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%) (диагр.3).
Многолетнее использование углеводородного сырья в возрастающих объёмах 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. Полагают, хотя не бесспорно, что эти выбросы ответственны за парниковый эффект, глобальное потепление климата и многочисленные природные катаклизмы. Для ограничения выбросов вредных веществ в атмосферу был подписан известный Киотский протокол.
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 мы уделим основное внимание.
Производство водорода. Один из источников водорода — природное топливо: метан, уголь, древесина и
Водород, водородсодержащнЯ газ
Химия, оргскнтсз, металлургия, пищепром, космос ~10м м3 СН4/год Д&игателк внутреннего сгорания Газовые турбины Топливные элементы
Традиционные области применения Потенцналъные области применения
Рис. 1. Области применения водорода и водородсодержащего газа
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.
т.д. При взаимодействии топлива с парами воды или воздухом образуется синтез-газ — смесь СО и Н2 (рис. 2). Из нее затем выделяется водород (табл. 1). 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. Далее идет каталитическая очистка, электрохимическая конверсия и т.д.
Диаграмма 5. Основные технологии получения водорода:
1-паровая конверсия метана; 2-окисление нефти; 3-газификация угля; 4-электролиз воды
Основные технологии получения водорода
Технология производства водорода Затраты энергии (кВт»ч/ нм3' Сырье Эффективность использования первичной эергии Форма подвода энергии Доля общего производства, %
теор. практ.
Паровая конверсия метана 0,78 2—2,5 природный газ (ПГ) 70—80 тепло+пар 48
Термализ метана ПГ 54 тепло
Окисление тяжелых нефтей 0,94 4,9 тяжелая нефть 70 тепло 30
Риформинг нафты нафта тепло
Газификация угля (TEXCO) 1,01 8,6 уголь 60 тепло 18
Частичное окисление угля уголь 55 сжигание в процессе
HYDROCARB 3,54 4,9 уголь тепловая
Железопаровой уголь 46 тепловая
Щелочной электролиз 3,54 4,9 вода 28 электроэнергия 8
Высокотемпературный электролиз вода 48 электроэнергия
Термохимические циклы вода 35—45 тепло —
Конверсия биомассы биомасса тепло —
Фотолиз вода 10 свет —
Рис. 2. Схема получения водорода
Способы хранения водорода. Существуют разнообразные способы хранения водорода. Самый эффективный из них — это баллоны. Если баллон выдерживает 300 атм, то в нем можно хранить 9%(масс) водорода; 500 атм — 11%. В США разработаны баллоны, рассчитанные на 700 атм. Они хранят 13% водорода. В ракетно-космической технике накоплен значительный опыт хранения и доставки водорода в сжиженном состоянии, при криогенных температурах. Хорошие способы его хранения — адсорбция водорода в гидридах металлов (порядка 3%) и в интерметаллидах (до 5%). Есть идеи и проводятся уже эксперименты по таким способам хранения водорода, как углеродные наноматериалы, нано-трубки и стеклянные микросферы. Целесообразно максимально согласовать во времени процессы производства водорода из традиционного топлива и его потребления, чтобы минимизировать потребность в хранении водорода.
Таблица 1 Топливные элементы. Центральное место в водородной энергетике занимает выработка электроэнергии с использованием топливных элементов. Топливные элементы — это гальваническая ячейка, вырабатывающая электроэнергию за счет окислительно-восстановительных превращений реагентов, поступающих извне, (рис. 3). При работе топливного элемента электролит и электроды не расходуются и не претерпевают каких-либо изменений. В нем химическая энергия топлива непосредственно превращается в электроэнергию. Очень важно, что превращение химической энергии топлива в тепловую и механическую протекает совершенно не так, как в традиционной энергетике. При сжигании газа, мазута или угля в котле нагревается пар, который под высоким давлени-
Энергосбережение
37 =
ем поступает в турбину, а турбина уже вращает электрогенератор.
В простейшем топливном элементе, где используются чистый водород и чистый кислород, на аноде происходит разложение водорода и его ионизация (рис. 3). Из молекулы водорода образуются два иона водорода и два электрона. На катоде водород соединяется с кислородом и возникает вода. В этом заключается главное достоинство топливных элементов — в атмосферу выбрасывается водяной пар вместо огромного количества углекислого газа, образующегося при работе традиционных тепловых электростанций.
ные, фосфорнокислые, расплавкарбонатные и твердооксидные; по рабочей температуре — на низко-, средне- и высокотемпературные. Замечу, что использование электродов из палладия и металлов платиновой группы приводит к повышению удельных характеристик и увеличению ресурса топливных элементов. Полимерная мембрана <^а:£юп», применяемая в твердополимерных топливных элементах, в США и Канаде производится фирмой "Дюпон", в России аналогичные мембраны выпускает фирма "Пластполимер".
Помимо ионов водорода в других топливных элементах носителями заряда могут выступать ион кислорода, радикал ОН- или СО3-, окислителями могут быть кислород либо воздух (рис. 4). Щелочные, твердополимерные и фосфорнокислые элек-
Нагрузкн
Топливо
ЩТЭ
ТПГЗ ФКТЗ
РКТЭ
Рис.3. Принцип действия топливного элемента
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-е-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 и 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 (компьютеры, фотоаппараты). В качестве топлива в них используется, как правило, метанол, из которого получают водород. Подзарядка элементов производится всего один раз в месяц.
По типу электролита топливные элементы классифицируются на щелочные, твердополимер-
тотэ
н, —
Н,0
ЯШ1
со + н%
CO; + HjO =
CO+H; СО,+ Н,О 3=1
Анодные продукты
п
■ Окислитель
ОН- —1 — О; В отдух без СО;
н* ■ ~ — О, — Н,0 Воздух
С05- — -- О; — СО; Воздух
О3" - — О; Воздух
Катодные продукты
Анод Электро- Катод лит
Рис. 4. Электрохимические процессы в топливных электролитах
тролиты очень чувствительны к СО. В карбонатных и твердооксидных топливных элементах СО является топливом. Чувствительность к CO2 щелочных элементов тоже очень высокая, но CO2 не влияет на работу других топливных элементов. Достаточно большую чувствительность к таким примесям, как H2S и COS показывают все топливные элементы. Примеси отнесены к ядовитым, если их присутствие приводит к выходу из строя топливных элементов из-за отравления электродов или электролитов. В конечном счете, примеси к водороду сокращают срок службы топливных элементов.
Сейчас в мире активно разрабатываются твер-дополимерные топливные элементы на водороде (рис. 5). Пока их стоимость довольно высокая: 1 кВт установленной мощности в лучших образцах обходится в 3-5 тыс. долл. Твердополимерные топливные элементы представляются конкурентоспособными на транспорте. Что касается автономной энергетики, то для нее предназначаются, в первую очередь, твердооксидные топливные элементы.
Рис. 5. Топливный элемент конструкции РНЦ "Курчатовский институт"
Вырабатываемый ими 1 кВт установленной мощности стоит сейчас 3 тыс. долл., приемлемая для водородной энергетики стоимость — 1 тыс. долл. — может быть вскоре достигнута.
Топливный элемент — лишь составная часть электрохимического генератора, который содержит еще системы кондиционирования, подготовки топлива, утилизации отходов и др. (рис. 6). Первичным топливом могут быть метан, пары метанола, керосина, синтез-газ и т.д. Коэффициенты полезного действия у генераторов с топливными элементами (рис. 7) изменяются от 30% (двигатели внутреннего сгорания и газовые турбины) до 60-65% (энергоустановки с твердооксидными топливными элементами).
Рис.6. Схема электрохимического генератора
Рассмотрим энергоустановку, основой которой является ветрогенератор или солнечная батарея. Наличие ветра или солнечного света и потребность в энергии не всегда совпадают. Когда потребление энергии незначительное, электрическая энергия от ветрогенератора
Рис.7. Коэффициенты полезного действия установок, использующих топливные элемнты
или 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.
Перспективы применения топливных элементов. На транспорте и в децентрализованной энергетике прорабатываются возможности применения топливных элементов. 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 твердополимер-ными 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. Ряд ведущих компаний ("Хонда", "Тойота", "Фольксваген", "Дженерал моторс" и другие) уже продемонстрировали в 20042008 гг. концептуальные водородные автомобили.
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 на подводном флоте. Космос и подвод-
^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ Энергосбережение ^^ 39 ==
ный 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 нано-керамики путем магнитного прессования. Генерация электрической энергии в твердооксидных топливных элементах происходит при температуре 950 оС 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 снабдило автомобиль "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 CO2 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.
Таблица 2
Технические характеристики батарей РКК "Энергия"
Технические х арактеристики:
Тип батареи Тяговая Фонарная Импульсная
Максимальное рабочее напряжение, В 68 14 30
Энергоемкость, Вточ 250 18 —
Удельная энергоемкость, Вточ/кг 19 п 20 14 п 15 1.8 п 2.0
Запасаемая энергия, кДж — — 6.5
Внутреннее сопротивление, мОм 50 12 5
Номинальный ток разряда, А 10 1.5 —
Максимальный ток разряда, А 50 — 5 000
Время заряда, мин 30 п 40 30 п 40 5 п10
Количество циклов, более 10 000 10 000 1 000 000
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. Параметры батареи РКК "Энергия" приведены в табл. 2.
Чем привлекательны топливные элементы и почему их нет на рынке? К числу достоинств относятся: высокий КПД, низкая токсичность, бесшумность, модульная конструкция (имея, скажем, кило-ваттные 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) — 100 000 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.
ИЯИИЯЯ ЕДДВ
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 отстаём 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 у нас есть хороший задел в области нанотехнологий, направленного синтеза материалов, тонкопленочных, лучевых технологий.
Автор выражает благодарность старшему научному сотруднику РНЦ "Курчатовский институт" С. А. Григорьеву за предоставленный материал по топливным элементам.
