Состояние и перспективы развития производства высокотехнологичных автономных источников электрической энергии в России Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ЭНЕРГЕТИКА. 2006. Т. 6, № 1. С.3-29

УДК 541.136

СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ПРОИЗВОДСТВА ВЫСОКОТЕХНОЛОГИЧНЫХ АВТОНОМНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В РОССИИ А.И. Груздев

ОАО «Авиационная электроника и коммуникационные системы», Москва, Россия

Поступила в редакцию 29.09.05 г.

1. Основные тенденции и направления развития автономной электроэнергетики

Глобальное потепление и тотальное загрязнение окружающей среды, особенно в крупных мегаполисах, в XXI веке могут привести к экологической катастрофе. Однако, несмотря на очевидные негативные последствия, развитие мировой экономики требует все большего количества энергии: так, с 1971 по 2000 г. производство энергоресурсов в мире увеличилось с 5.7 до 10.1 млрд т в нефтяном эквиваленте. Причем доля истощаемого топлива (нефтепродукты, газ, уголь) составила 80.0%, доля атомной энергии - 6.7, доля гидроэнергии - 2.2, доля возобновляемых источников энергии (ветер, солнце, биотопливо) - только 11.4% [1].

Относительно дешевая нефть, военные аспекты развития ядерной энергетики, слабое понимание экологических последствий бурного развития промышленности и автотранспорта достаточно долго не оставляли места для развития нетрадиционной, в частности водородной, энергетики. Осознание такой необходимости пришло только в начале 70-х годов прошлого века, одновременно с первым нефтяным кризисом и резким обострением экологической ситуации в крупных городах.

Необходимость решения возникших экологических проблем требует уже в ближайшей перспективе повысить долю возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в общем энергетическом балансе, прежде всего, за счет развития водородной энергетики и использования биотоплива взамен нефтепро-

дуктов. В соответствии с одним из прогнозов вклад ВИЭ должен составить: в 2010 г. - 16.6, в 2020 г. -23.6, в 2030 г. - 34.7, в 2040 г. - 47.7%. В Европе обсуждается вопрос об обязательной квоте использования альтернативных источников энергии на уровне 45% [2]. При этом стоимость 1 кВт электроэнергии, полученной за счет ВИЭ, приближается к стоимости электроэнергии теплоэлектростанций (2-3 цента). Для сравнения: стоимость 1 кВт электроэнергии, полученной за счет солнечной энергии, составляет 8-23 цента, ветровой энергии - 5 центов, энергии биомассы - 7 центов [3].

В настоящее время развитие водородной энергетики уже стало приоритетным направлением в экономике всех индустриально развитых стран. В частности, на реализацию программ «Freedom CAR» и «Freedom Fuel», выдвинутых президентом США Дж. Бушем, из федерального бюджета намечается выделить 1.7 млрд долл. на 5 лет для создания водородного автомобильного транспорта на топливных элементах, водородных автономных систем энергообеспечения и инфраструктуры топливообеспече-ния. Программы стран ЕЭС предусматривают бюджетное финансирование НИОКР в области водородной энергетики в размерах более 200 млн евро в год, а японский проект «WE-NET» рассчитан на период до 2020 г. при государственном финансировании

4 млрд долл. Значительные средства (в 2-3 раза превышающие государственные ассигнования) в выполнение вышеуказанных программ вкладывают частные (прежде всего автомобильные и энергетические) компании.

О А.И. ГРУЗДЕВ, 2006

Одной из важнейших задач в энергетике является повышение интегральной эффективности использования первичных энергоресурсов, для чего необходимо снизить потери на всех этапах от получения до непосредственного использования энергии. Особенно актуальным это является для России: уровень потребления электроэнергии в расчете на единицу сопоставимого валового внутреннего продукта у нас выше, чем в США, в 2.5 раза, и чем в Германии и Японии - в 3.6 раза [4].

Наряду с внедрением различных энергосберегающих технологий одним из эффективных путей для снижения потерь в электроэнергетике является децентрализация системы электроснабжения, а также использование высокоэнергоемких буферных электрических накопителей. Немаловажным фактором для внедрения таких децентрализованных систем является то, что кроме улучшения эффективности при этом существенно повышается и надежность электроснабжения. В настоящее время есть положительный зарубежный опыт эксплуатации мощных (100 и более кВт) стационарных энергоустановок на базе ЭХГ, работающих на водороде, природном газе и биогазе [5], проектируются и уже построены высокоэнергоемкие (до 3-х МВт'ч) аккумуляторные батареи [6], создаются электроаккумулирующие системы на базе комплекса электролизер -ЭХГ [7]. При разработке таких сложных энергетических систем первостепенное значение приобретает создание высоконадежных систем контроля, обеспечивающих оптимальное управление и безопасную работу этих объектов.

Ключевым сектором энергопотребления в развитых странах является транспорт (в Европе он потребляет 32% энергоресурсов). Автотранспорт служит и основным источником загрязнений воздушного бассейна крупных городов (например, он дает 28% от общих выбросов СО2) [8]. Поэтому развитие автономной энергетики в мире в последние тридцать лет во многом определялось задачами создания экологически чистого городского транспорта. Наряду с оптимизацией конструкции двигателя внутреннего сгорания с целью повышения его топливной эффективности и снижения вредных выбросов одним из стратегических направлений в разработках являлось проектирование электроприводных транспортных средств с тяговыми аккумуляторными батареями или комбинированными энергоустановками (КЭУ) в качестве источника энергии. КЭУ наряду с первичным источником тока имеют один или несколько электрических накопителей и систему управления потоками энергии, в частности систему рекуперации кинетической энергии торможения транспортного средства. За рубежом уже начат выпуск коммерческих автомобилей с КЭУ, использующих в качестве первичного источника энергии мотор-генератор. Интенсивно разрабатываются для

электротранспорта и КЭУ с электрохимическими генераторами на топливных элементах [9, 10].

Необходимость развития электротранспорта стимулировала в мире работы по усовершенствованию известных и созданию новых типов электрических накопителей. Благодаря целевым программам применительно к использованию на транспорте были созданы высокоэнергоемкие химические аккумуляторы, допускающие высокие разрядные (3 С - ЮС) и зарядные (1С - 3С) токи и имеющие большой ресурс при циклической работе: серно-натриевые аккумуляторы, никель-металлогидридные аккумуляторы, литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы. Интенсивно разрабатываются для использования в качестве накопителя энергии транспортного средства батареи электрохимических конденсаторов.

Номенклатура производства малогабаритных химических источников тока в последние годы во многом определяется потребностями бытовой техники. Важнейшими потребителями в этой области являются портативная электроника, мобильная связь и индустрия электроинструментов [11]. Потребности названных отраслей техники стимулировали в последние 10-15 лет разработку и освоение производства мощных высокоэнергоемких никель-металло-гидридных и литиевых аккумуляторов, создание портативных твердополимерных топливных элементов, работающих на газообразном и жидком топливе, разработку микротопливных элементов.

Однако необходимо отметить, что развитие автономных электроэнергетических комплексов и систем в последние 30-40 лет в основном определялось все же потребностями военной и специальной техники. В частности, развитие в США и России водородных технологий и создание энергоустановок на базе щелочных водородно-кислородных ЭХГ в 70-80 годах прошлого века были связаны в основном с необходимостью решения задач автономной энергетики на подводном флоте и в космосе. В настоящее время использование на борту космических аппаратов электрических ракетных двигателей и мощных целевых нагрузок стимулировало замену в их системах энергопитания традиционных никель-кадми-евых батарей на никель-водородные, никель-металло-гидридные и литий-ионные батареи, а также повышение мощности солнечных батарей и использование на борту ЭХГ и ядерных энергетических установок. Эти изменения потребовали новых подходов к построению и проектированию систем электропитания космических аппаратов (в частности, повышения напряжения их бортовой сети) [12].

В последнее время на эффективность войсковых операций все больше начинают влиять технические и эксплуатационные характеристики автономных источников питания, используемых в коммуникационной, навигационной и других типах электронной аппаратуры. Особые жесткие требования

Гч,^в,тіш раопиіия прииивидиіва высокотехнологичных автономных ИСТОЧНИКОВ электрической энергии в России

предъявляются к параметрам носимых источников энергии, поскольку с увеличением энерговооруженности закономерно возрастает и вес экипировки военнослужащего [13].

2. Перспективные первичные химические источники тока

2.1. Металло-воздушные источники тока

Металло-воздушные источники тока (МВИТ) разрабатываются в настоящее время в Израиле, Канаде, России, США и ряде других стран. Они являются химическими источниками тока с расходуемым металлическим анодом (А1, М§, Zn и др.) и воздушным (кислородным) газодиффузионным катодом. В качестве электролита в МВИТ используется водный раствор соли или щелочи. В ряде случаев для расширения и улучшения эксплуатационных характеристик МВИТ в электролит могут вводиться различные добавки: Ыа28п03, На->СОз, №НС03, Ыа2804 [14].

Металло-воздушные источники тока могут быть отнесены к промежуточному классу химических источников тока, занимающему положение между гальваническими и топливными элементами. В гальванических элементах количество расходуемых реагентов (топливо и окислитель) фиксировано и определяет ресурс его работы. В топливных элементах расходуемые реагенты постоянно подаются в зону токообразующей реакции извне и не ограничивают ресурс их работы. В МВИТ окислитель (кислород воздуха) постоянно поступает из окружающей среды, а металлический анод, являющийся топливом, требует периодической замены по мере его расходования.

Современные МВИТ имеют достаточно высокие энергетические характеристики (100-300 Вт ч/кг), однако удельные мощности таких источников тока, как правило, не превышают 50-100 Вт/кг.

Срок службы МВИТ практически определяется ресурсом работы газодиффузионных катодов, обусловленным протеканием в них коррозионных и диффузионных процессов. В настоящее время ресурс работы МВИТ, связанный с деградацией характеристик катодов в процессе эксплуатации, оценивается от нескольких тысяч до 10000 часов (в зависимости от типа токопроводящей матрицы катода: металлической сетки или углеграфитовой ткани). В то же время МВИТ без электролита могут храниться практически неограниченно долго. По имеющимся оценкам, срок их сохраняемости составляет от 10 до 25 лет.

Типичная конструкция МВИТ включает два расположенных параллельно катода, установленных в имеющий крышку корпус. Между катодами помещен расходуемый анод с токовым коллектором. В [15] токовый коллектор расположен вдоль одного из

ребер катода и жестко закреплен в корпусе источника тока. Токовый коллектор может быть установлен как в электролите, так и вне его.

Электролитная камера МВИТ может быть выполнена из двух частей: постоянного и переменного объемов. При этом камера переменного объема изготавливается в виде сильфона или выдвижной донной части телескопического типа [16].

Согласно [17] в конструкции анодной пластины имеются ребра с отверстиями, увеличивающие рабочую поверхность анода.

Предложены и цилиндрические конструкции МВИТ. В [ 18] анод выполнен в форме трубы и имеет прорези для увеличения его рабочей поверхности.

В табл.1 приведены основные характеристики эффективных горючих в электрохимических системах с кислородом в качестве окислителя. Как видно, наиболее высокими характеристиками обладают литий-воздушные источники тока. В то же время практическое использование этих элементов крайне затруднено, прежде всего из-за высокой химической активности металлического лития. Неправильное хранение и ошибки при эксплуатации могут привести к взрыву батареи.

Таблица 1

Характеристики эффективных горючих в электрохимических системах с кислородом в качестве окислителя [19]

Горючее Стандартный электродный потенциал, В Стандартная удельная энергия, МДж\кг Относительная распространенность в природе, %

Н2 1.23 119.0 1.0

У 3.045 42.3 0.00657

АІ 2.72 29.16 8.8

м8 2.363 18.77 2.1

Ыа 2.714 11.39 2.64

Ъп 0.76 2.24 0.00157

Безопасными в эксплуатационном плане и обладающими наиболее высокими характеристиками являются МВИТ с алюминиевыми и магниевыми анодами. Основными достоинствами алюминиевого электрода являются:

- высокий отрицательный потенциал электрода;

- большая удельная энергия;

- доступность (алюминий по распространенности в земной коре находится на третьем месте) и сравнительно низкая себестоимость.

На практике алюминий используется в качестве анода в основном в системах с щелочным электролитом. Для систем с водным электролитом разработаны сплавы алюминия, которые в настоящее время не нашли широкого применения из-за высокой стоимости.

Достоинством магниевого анода является возможность его работы в солевом водном электролите. В России АОЗТ «НТ-парк», «Псковский завод

радиодеталей “Плескава”» и ряд других предприятий организовали производство батарей МВИТ в середине 90-х годов прошлого века [20]. В настоящее время ООО «Лукоморье» серийно выпускает фонари на основе МВИТ мощностью до 8 Вт, а на выставке «Интербат-2005» батареи МВИТ были представлены ОАО «Уралэлемент» (напряжение -1-24 В, энергоемкость - 200-250 Вт-ч/кг, номинальный ток - 10 А, габаритные размеры базового элемента (и = 1 В)-210x100x175 мм) и ОАО «МВИТ» (напряжение - 12 В, мощность - от 18 до 60 Вт, энергоемкость - от 500 до 1500 А ч, потеря энергоемкости при хранении в залитом состоянии - 1%/сут, диапазон рабочих температур - от -20 до 40°С).

2.2. Топливные элементы

Принцип работы топливных элементов (ТЭ) основан на непосредственном превращении химической энергии топлива и окислителя в электричество без промежуточных стадий тепловых и механических преобразований, имеющих место в тепловых машинах. Его открыл в 1839 г. английский ученый Уильям Гроув, который обнаружил, что процесс электролиза воды на водород и кислород посредством электрического тока обратим, т.е. водород и кислород можно объединять в молекулы воды без горения, но с выделением тепла и электрического тока. Прямое преобразование химической энергии топлива в электричество с помощью ТЭ по сравнению с традиционными технологиями, в которых присутствует стадия сжигания топлива, во-первых, имеет более высокую энергетическую эффективность (КПД = 40-50%), во-вторых, не дает вредных выбросов в окружающую среду.

Конструктивно топливный элемент состоит из двух электродов (анода и катода) и разделяющего их электролита. На аноде окисляется, т.е. отдает электроны, восстановитель (топливо: СО, Н2, жидкие и газообразные углеводороды или продукты их конверсии). Свободные электроны с анода поступают во внешнюю цепь к нагрузке и далее к катоду, а образовавшиеся анионы (СО\ Н+ или др.) остаются на границе анод-электролит. На катоде идет реакция восстановления окислителя - кислорода. В зависимости от используемого типа электролита образовавшиеся на катоде или аноде ионы переносятся через электролит к другому электроду, где вступают в химическую реакцию с образованием воды и (или) С02. Для ускорения электродных реакций анод и катод содержат катализаторы, как правило, созданные на базе драгоценных металлов (платины, палладия и др.).

В традиционном топливном элементе окислитель и топливо подаются к катоду и аноду раздельно - каждый в свое газовое пространство. Разделение газовых пространств и их уплотнение - одна из сложных технических задач особенно для высоко-

температурных топливных элементов, в которых электрохимический процесс протекает при высоких температурах и высокой агрессивности реагентов.

В настоящее время разрабатываются ТЭ с неразделенными газовыми пространствами (ТЭНГ), в которых топливо и окислитель подаются в виде смеси на оба электрода одновременно. Напряжение на электродах ТЭНГ возникает вследствие разной каталитической активности анода и катода по отношению к реакции окисления топлива [21,22].

Создание такого элемента позволяет:

- полностью снять проблему разделения анодного и катодного пространства;

- исключить требования к вакуумной плотности используемого электролита;

- существенно упростить конструкцию и повысить технологичность ТЭ и ЭХГ.

Существуют различные типы ТЭ. Они отличаются областью применения, используемым видом топлива и рабочей температурой. При этом рабочая температура является ключевой характеристикой, так как во многом определяет область применения, КПД, вид топлива и тип катализатора, используемый в ТЭ.

В технической литературе наибольшее распространение получила классификация ТЭ по типу электролита. В настоящее время практическое применение нашли пять типов ТЭ, основные характеристики которых приведены в табл. 2.

В щелочных топливных элементах (ЩТЭ) используется электролит из водного раствора щелочи КОН, циркулирующего в пространстве между электродами или расположенного в асбестовой матрице. В качестве катализатора на электродах используется платина. Они применялись, начиная с середины 1960-х гг., в космических программах, на подводном флоте и в экспериментальных электромобилях. Их коммерческое применение ограничено, так как они в основном работают с водородом и кислородом высокой чистоты либо с кислородом воздуха, из которого удален углекислый газ.

В твердополимерных топливных элементах (ТПТЭ) в качестве электролита используется твердая полимерная мембрана с протонной проводимостью (Proton Exchange Membrane, РЕМ). Неподвижный твердый электролит упрощает герметизацию в процессе производства, уменьшает коррозию и обеспечивает более долгий срок службы ТЭ. В качестве катализатора в них используется платина и ее сплавы, осажденные на углеродном носителе. Эти ТЭ работают при относительно низких температурах, что упрощает запуск и остановку ЭХГ на их основе. Данный тип ТЭ нашел применение в космических и подводных аппаратах, гибридных автомобилях и автобусах, стационарных системах электроснабжения. ТПТЭ, работающие на метаноле, предлагаются для питания мобильных телефонов, ноутбуков и других электронных устройств.

^ииияпт и иьр1Л1смпны ралипшн производства ВЫСОКОТвХНОЛОГИЧНЫХ ЭВТОНОМНЫХ ИСТОЧНИКОВ

электрической энергии в России

Таблица 2

Основные характеристики топливных элементов

Тип элемен та Рабочие температуры, °С КПД, % Используемые реагенты Применение

электрический суммарный топливо окислитель

Щелочные ТЭ (Alkaline Fuel Cells, AFC) 20-120 30-35 40-60 Чистый водород Кислород, воздух без С02 Спецгехника, электромобили, автономное электропитание

Твердополимерные ТЭ (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC). 30-160 30-35 50-70 Водород, меганол и др. Воздух Спецгехника, электромобили, портативная аппаратура, децентрализованное энергоснабжение

Фосфорнокислотные ТЭ (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC) 150-200 37-42 70-80 Водород, продукты конверсии метана Воздух Стационарные источники электро- и теплоснабжения

Расплавленно-карбонатные ТЭ (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC) 600-700 45-50 70-80 Продукты конверсии углеводородов, биогаз Воздух Стационарные источники электро- и теплоснабжения

Твердооксидные топливные элементы (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC) 700-1000 50-60 70-80 Метан, продукты конверсии углеводородов, биогаз Воздух Стационарные и мобильные источники электро- и теплоснабжения

В фосфорнокислотных топливных элементах (ФКТЭ) в качестве электролита используется раствор фосфорной кислоты. Электроды выполнены из бумаги, на которую нанесен платиновый катализатор на углеродном носителе. Поскольку ФКТЭ работают при достаточно высокой температуре, то имеется возможность использовать образующийся в результате работы пар. Поэтому их общий КПД может достигать 80%. Эти ТЭ могут работать на продуктах реформинга водородсодержащих топлив, но требуют дополнительной очистки водорода, так как примеси (например, сера) могут вывести из строя платиновый катализатор. Данный тип ТЭ был первым, коммерческое использование которого стало оправданным с экономической точки зрения. Основная область применения - автономные источники тепло- и электроснабжения средней мощности. В 1994 г. в США энергетической установкой на базе ФКТЭ мощностью 50 кВт был оборудован экспериментальный автобус.

В расплавленнокарбонатных топливных элементах (РКТЭ) используют расплавленные соли карбонатов лития/калия (или лития/натрия). Рабочая температура - порядка 600-700°С, что позволяет использовать на электродах в качестве катализатора никель, а углеводородное топливо подавать непосредственно в ТЭ без дополнительного реформера. Это упрощает конструкцию ЭХГ, но повышает требования к используемым в ней материалам. РКТЭ необходимо значительное время для запуска, что не позволяет оперативно регулировать их выходную мощность. Основная область их применения - крупные стационарные источники тепловой и электрической энергии.

В твердооксидных топливных элементах (ТОТЭ) в качестве электролита используется керамический материал с кислородоионной проводимостью. Электроды не содержат драгметаллов. ТОТЭ работают при температурах 600—1000°С, что позволяет использовать относительно загрязненные виды топлива, например получаемые при газификации угля. Электрический КПД ЭХГ - около 40%. Однако высокие рабочие температуры и давления ТОТЭ позволяют создавать на их основе гибридные ЭУ, в которых продукты реакции вращают газовую турбину, также вырабатывающую электроэнергию. При этом их суммарный КПД может достигать 80%.

2.3. Электрохимические генераторы

Рабочее напряжение единичных МВИТ и ТЭ не превышает 1-2 В. Для практического использования их соединяют последовательно в батареи, которые, в свою очередь, для получения необходимой мощности могут соединяться параллельно. Такие батареи ТЭ вместе с системами газораспределения, управления и терморегулирования монтируются в единый конструктивный блок, называемый электрохимическим генератором (ЭХГ). Энергоустановки (ЭУ) на базе ЭХГ также включают системы подготовки реагентов, утилизации вырабатываемого тепла (и воды), а также преобразователи напряжения (инверторы или ЭС-БС преобразователи).

Наиболее интенсивно в настоящее время развиваются ЭХГ с ТЭ, которые являются ЭУ непрерывного действия, и их энергетические характеристики определяются только имеющимся запасом топлива. В качестве топлива в них могут использовать чистый водород, природный газ, продукты кон-

версии газообразных или жидких углеводородсодержащих топлив, метанол, гидразин и др. [23, 24].

Начало практического применения ЭХГ связано с аэрокосмической отраслью. Первый ЭХГ мощностью 1 кВт был установлен на космическом корабле США «Джемини-4» в 1965 г. [25]. На космических кораблях США «Аполлон» (программа пилотируемых полетов к Луне) были использованы три установки мощностью 1.5 кВт (пиковая мощность 2.2 кВт) с криогенным хранением водорода и кислорода. Масса каждой установки составляла 113 кг. В течение 18 полетов ЭХГ наработали в общей сложности 10 ООО часов без каких-либо отказов. На космических кораблях многоразового использования «Шаттл» также установлены три ЭХГ мощностью 12 кВт, которые вырабатывают на их борту всю электрическую энергию. Вода, получаемая в результате электрохимической реакции, используется в качестве питьевой, а также для охлаждения оборудования.

В дальнейшем космические технологии были успешно применены и в наземных условиях. В частности, в начале 70-х гг. прошлого века в Австрии К. Кордеш создал первый экспериментальный водородный электромобиль с водородно-кислородным щелочным ТЭ мощностью 6 кВт. Последующие работы в этой области были направлены на создание эффективной и дешевой двигательной установки на основе водородо-воздушного топливного элемента (см. параграф 4.2).

В России активные исследования и разработки в области водородной энергетики и технологии начались в середине 70-х гг. прошлого века. Первые ЭХГ также разрабатывались на базе водороднокислородных щелочных ТЭ. Можно выделить два основных направления разработок: 1) ЭХГ космического применения; 2) корабельные ЭХГ.

Головным предприятием по созданию энергоустановок для ракетно-космический техники являлась ракетно-космическая компания «Энергия». Для проекта по созданию комплекса «Энергия-Буран» Уральским электрохимическим комбинатом был разработан ЭХГ «Фотон» с матричным щелочным электролитом. Однако дальнейшего развития это направление работ не получило. В настоящее время ЭХГ с матричным щелочным электролитом были адаптированы для наземного применения в качестве источника энергии при создании концептуальных отечественных электромобилей серии «АНТЭЛ».

Функции головного разработчика корабельных энергоустановок были возложены на Санкт-Петербургское конструкторское бюро котлострое-ния (СКБК). В период с 1978 по 1986 г. велись разработки энергоустановок для трех типов морских объектов, в которых использовались блоки ТЭ со свободно циркулирующим щелочным электролитом, серийно производившиеся в НПО «Квант». Од-

нако из-за сокращения ассигнований в полном объеме был завершен в 1991 г. только проект ЭУ мощностью 130 кВт для малой подводной лодки «Пиранья» (разработчик СПМБМ «Малахит»). С 1991 г.

СКБК вели работы по созданию ЭУ с ЭХГ второго поколения для подводной лодки типа «Амур» (разработчик ЦКБ МТ «Рубин»), Прорабатывалась возможность использования в ней ТЭ с матричным щелочным электролитом и тведополимерных топливных элементов [26]. Опыт разработки корабельных щелочных ЭХГ был использован НПО «Квант» при создании электромобиля на базе микроавтобуса «РАФ» (см. параграф 4.2).

До настоящего времени ЭХГ с ТЭ других типов в России не изготовлялись, хотя работы по созданию ТПТЭ и ТОТЭ проводились НПО «Квант»,

НПО «Энергия», СКБК (г. С.-Петербург), на предприятиях Минатомпрома, а также ряде организаций московского и уральского регионов. Работы финансировались Министерством обороны, Минтопэнерго, Минатомпромом, а также по линии Министерства науки СССР и России. Уровень проработки - частичное решение материаловедческих и технологических вопросов и опытно-конструкторская проработка топливных элементов и ЭХГ в целом, решение проблемы конверсии и хранения газообразного и жидкого углеводородного топлива на борту транспортного средства.

Политические процессы конца 80-90-х гг. XX в. привели к резкому сокращению финансирования НИОКР, существенному снижению их интенсивности и даже к практическому прекращению работ во многих перспективных направлениях. Основные предприятия по производству жидкого водорода оказались за рубежом и практически прекратили свою работу. Некоторые крупные экспериментальные установки и испытательные стенды были законсервированы или ликвидированы, распались многие научные коллективы, продуктивно работавшие в этой области, ослабла координация НИОКР. /

Несмотря на значительное снижение научно-технического потенциала, в России все же удалось продолжить работы и получить ряд важных результатов по некоторым перспективным направлениям [27]:

• созданы опытные образцы ЭХГ мощностью до 10 кВт с ТПТЭ, разрабатываются ЭХГ мощностью до 200 кВт для автотранспорта (ФГУП ЦНИИ СЭТ);

• организовано опытное производство отечественных мембран на основе твердополимерного электролита, созданы компактные электролизеры с твердым полимерным электролитом на повышенные давления, компактные микроволновые конверторы природных топлив в синтез-газ производительностью до 20 нм3/ч, эффективные каталитические дожигатели водорода производительностью до 100 нм3/ч

»> ш-^щ-лиапш рамшия ирии лаиддтва высокотехнологичных ЭВТОНОМНЫХ ИСТОЧНИКОВ электрической энергии в России

по водородсодержащему газу (РНЦ «Курчатовский институт» в кооперации с НПО «Пластполимер», ГУП «Компания МЭТИС» и др.),

• созданы и испытаны экспериментальные и опытно-промышленные водородо-кислородные парогенераторы мощностью до 25 МВт (ИВТ РАН, ИЦ им. Келдыша);

• разработаны новые интерметаллические соединения с емкостью по водороду до 2 вес.% и выше и организовано их опытное производство (Московский завод полиметаллов «Полимс», МГУ, ИХФ РАН и др.);

• созданы новые типы блочных катализаторов на теплопроводных носителях для бортовых конвертеров углеводородных топлив и стационарных компактных конвертеров (Институт катализа им. Г.К. Бо-рескова СО РАН);

• выполнены разработки усовершенствованного криогенного оборудования, обеспечивающего снижение энергозатрат при производстве жидкого водорода и потерь при его транспортировке, распределении и хранении (ОАО «Криогенмаш» и кооперация), усовершенствованных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) для работы на водороде и водородсодержащих топливах.

2.4. Энергоустановки на базе ТЭ и МВИТ

В последнее десятилетие мировой рынок ЭУ на базе ТЭ интенсивно развивается (табл. 3).

Таблица 3

Мировой рынок ЭУ на базе ТЭ в стоимостном выражении, млн долл. США [28]

Регион Год Ежегодный рост, %

1995 2000 2005 2000/1995 2005/2000

США 355 720 2500 15.2 28.3

Канада и Мексика 45 150 575 27.2 30.8

Западная Европа 310 600 2300 14.1 30.8

Япония 360 675 1950 13.4 23.6

Остальная Азия и Тихий океан 75 195 750 21.1 30.9

Остальной мир 60 100 425 10.8 33.6

Всего 1205 2440 8500 15.2 28.4

Основные направления развития рынка ЭУ на базе ТЭ - это создание стационарных источников электро- и теплоснабжения, ЭУ транспортных средств, а также источников питания различных мобильных устройств. Последний сегмент рынка развивался наиболее динамично. Основным принципом построения портативных систем питания является применение КЭУ, содержащей ТЭ и электрический .> накопитель. Целесообразность применения комби-

нированной системы обусловлена существенным различием средней и пиковой мощности электропо-

требления. Достижение в одном источнике одновременно высоких показателей энергоемкости и мощности в настоящий момент затруднительно [29, 30].

Наиболее интенсивно в последние годы разрабатывались портативные метанольные ТПТЭ, хотя, например, компанией ЬС для ноутбуков была создана батарея миниТЭ с рабочим напряжением от 10 до 20 В и металлогидридным хранением водорода

[31] . Интерес к метанольным ТЭ прежде всего связан с высокими теоретическими значениями напряжения (1.2 В) и удельной энергии (6094 Вт-ч/кг)

[32]. Наиболее активно на рынке метанольных ТПТЭ проявили себя японские производители. В частности, компания ТовЫЬа разработала компактную энергоустановку для портативных компьютеров. Образец имеет среднюю мощность 12 Вт, максимальную - 20 Вт и может работать до пяти часов на одном топливном картридже объемом 50 см3. В устройстве применена технология, позволяющая использовать воду, полученную в результате работы ТЭ, для разбавления метанола и сделать топливный резервуар в несколько раз меньше существующих аналогов. Представленный прототип может работать в течение пяти часов на концентрированном метаноле [33].

Компания ЫЕС Согрогайоп объявила о серийном выпуске ноутбука с ТЭ, также работающими на метаноле. Его размеры - 270*270*40 мм, масса -2 кг, время работы на одной зарядке (0.3 г метанола) - около 2 ч. Сообщается также о разработке ТЭ с удельной энергией 1.3 кВтхч/кг. Одна зарядка (1 г метанола) обеспечивает работу ноутбука в течение 40 ч [34].

Однако необходимо отметить, что метанол оказывает сильное токсичное действие на организм человека даже в небольших количествах. Поэтому, несмотря на значительное количество публикаций на тему метанольных ТЭ, его широкомасштабное использование в качестве топлива в бытовой технике представляется достаточно проблематичным.

Информация о российских разработках портативных энергоустановок на базе ТЭ отсутствует. Для этого сегмента рынка в России разработаны и серийно выпускаются ЭУ на базе МВИТ, работающих на солевом электролите. Примером могут служить фонарь «СВЭЛ» ЗАО «Лукоморье», снабженный преобразователем напряжения 14 В мощностью 8 Вт, а также представленные на МАКС-2005 ФГУП ГНПП «Квант» миниэлектростанции с выходным стабилизированным напряжением 7.3, 12 и 14.5 В мощностью до 60 Вт. Источники тока предназначены для питания теле- и радиоаппаратуры, средств связи и ноутбуков, осветительных приборов, зарядки аккумуляторов и др.

ЭУ транспортных средств работают в широком диапазоне мощностей, поэтому, как правило, первичный источник энергии дополняют электриче-

ским накопителем для снятия пикового энергопотребления [35]. Мобильные комбинированные энергоустановки рассмотрены в п. 4 настоящего обзора.

Стационарные энергоустановки на базе ТЭ уже нашли коммерческое применение в мировой практике (табл. 4), хотя удельные капиталовложения при их создании составляют от 4000 до 10000 $11Б/кВт. Наиболее широко используются ЭУ на базе фосфорнокислых и расплавленных карбонатных ТЭ в США и Японии. Кроме источника тепловой и электрической энергии, они могут являться источниками водоснабжения: например, ЭУ мощностью 250 кВт дает 70 л воды в час [36].

Таблица 4

Суммарная мощность эксплуатируемых стационарных ЭУ, кВг [28]

Тип США Япония Европа Всего %

ТПТЭ 450 250 670 1370 5

ФКТЭ 13200 10000 1000 24200 75

РКТЭ 1250 1060 2860 5170 16

ТОТЭ О о "I 15 850 1365 4

Всего 15400 11325 5380 32105 100

% 48 35 17 100

Одной из наиболее распространенных коммерческих моделей ЭХГ, предназначенных для автономного тепло- и электроснабжения зданий, стала энергоустановка «РС25» производства компании «ONSI Corporation» (сейчас «United Technologies, Inc.»). В ней используется ЭХГ номинальной мощностью 200 кВт на базе ФКТЭ. Цифра «25» в названии модели означает порядковый номер конструкции. Большинство предыдущих моделей были экспериментальными или опытными образцами. ЭУ монтируется непосредственно на обслуживаемом объекте и представляет собой параллелепипед длиной 5.5 м, шириной и высотой 3 м, массой 18140 кг. Отличие от предыдущих моделей - усовершенствованный реформер и более высокая плотность тока. С начала 1990 г. было построено порядка 260 этих ЭУ стоимостью около 9000 SUS/кВт. Одна из таких ЭУ была введена в эксплуатацию в России в 2004 г. [37]. Крупнейшая ЭУ на базе ФКТЭ мощностью 11 МВт была введена в 1991 г. в Японии.

В последние несколько лет больше всего вводится в эксплуатацию ЭУ на базе РКТЭ [36, 38]. Первые образцы РКТЭ были созданы в конце 1950-х гг., однако коммерческое применение в стационарных ЭУ они нашли только в 1990-х гг. Например, на авиабазе ВМФ США «Miramar» в Калифорнии действует ЭУ номинальной мощностью 250 кВт. В 1996 г. компания «Fuel Cell Energy. Inc.» запустила в опытную эксплуатацию предсерийную установку номинальной мощностью 2 МВт в Калифорнии. Сейчас эта компания разрабатывает установку мощностью 2 МВт, работающую на получаемом из угля синтез-газе [39].

ЭУ на базе ТОТЭ наиболее перспективны, но наименее проработаны в настоящее время. Их основными преимуществами являются:

- высокий прогнозируемый КПД (62-75 %) при работе на природном газе,

- потенциально более низкая стоимость (до 350-700 $иБ/кВт),

- возможность использования высокотемпературного (800-900°С) тепла отходящих газов для теплоснабжения или производства электроэнергии,

- отсутствие в конструкции драгоценных металлов,

- невысокие требования к чистоте используемых реагентов, в частности возможность непосредственной работы на природном газе, биогазе и продуктах газификации угля.

К недостаткам ЭУ на базе ТОТЭ следует отнести, прежде всего, высокие рабочие температуры, предъявляющие повышенные требования к используемым материалам, а также затрудняющие запуск и останов таких ЭУ. Например, для запуска 100 кВт ЭУ (габариты - 12x3.2x4 м, масса - 35 т) из холодного состояния требуется внешний электрический источник мощностью 100 кВт, разогревающий ЭУ до 500°С, после чего разогрев переводится на газ. Процесс пуска длится 36 часов с затратой электроэнергии 4 МВт-ч. Охлаждение ЭХГ до 50°С продолжается 18 ч с потреблением 270 кВт-ч электрической энергии.

Разрабатываются три типа конструкций ТОТЭ: трубчатая, планарная и монолитная. Наибольших результатов в разработке трубчатой конструкции добилась компания АЛ^^аиэ Е1еОпс Со. (США). Ею разработаны и выпускаются модули ЭХГ мощностью 25 кВт с ресурсом 13 тыс. ч (50 тыс. ч на отдельных элементах). Однако в настоящее время стоимость ЭУ с трубчатыми ТОТЭ достаточно высока: порядка 5000 $иБ/кВт (из них материалы около 3000 $Ш/кВт) [39].

В Японии более двадцати фирм и научных центров разрабатывают планарные и монолитные ТОТЭ. В Европе этими работами занимаются более шестидесяти организаций. На модулях мощностью 1-5 кВт с планарными элементами достигнут ресурс более 3000 ч. Мощность образцов монолитных ТОТЭ пока не превышает сотен Вт. Коммерческие образцы ЭУ с планарными ТОТЭ планируется выпускать после 2010 г. [36]. Ожидаемая стоимость на первом этапе серийных образцов ЭУ с планарными ТОТЭ порядка 2000 $иБ/кВт, с монолитными ТОТЭ -760 ЗиБ/кВт.

В России работы в области ЭУ с ТОТЭ проводятся предприятиями Минатомпрома, Институтом высокотемпературной электрохимии УрО РАН, Институтом катализа СО РАН и рядом других организаций. Кроме вышеперечисленных конструкций разрабатывалась блочная конструкция ТОТЭ, предложенная ИВТЭ УрО РАН [40]. Уровень проработ-

jjiciw рическои энергии в России

ки: стадия завершения научно-исследовательских и опытно-технологических работ, переход к ОКР и испытанию ЭХГ мощностью до 1 кВт [41].

РКК «Энергия» и ЗАО «Independent Power Technology» разработали стационарную ЭУ на базе щелочных ТЭ, работающих на водороде баллонного или металлогидридного способа хранения и кислороде воздуха, очищенного от С02. В ЭУ используется модуль «Пульсар» мощностью 6 кВт с выходным напряжением 30 В, имеющий электрический КПД 45% и тепловой КПД 42% .

На ФГУП НПК «Альтэн» создана модульная ЭУ на базе щелочного МВИТ, работающего на алюминии, предназначенная для использования в составе резервных систем энергоснабжения автономных объектов. Ее модуль 25ВА-250 имеет мощность 1 кВт, напряжение 24 В, емкость 250 А ч, вес 33 кг (удельные характеристики: 82 Вт ч/кг, 45 Вт/кг). На предприятии разработана технология регенерации или утилизации продуктов реакции, а также отработавших свой ресурс установок [19].

2.5. Системы получения и хранения водорода

Очевидно, что для развития водородной энергетики необходимо производство средств транспортировки, хранения и распределения водорода. Начиная с 80-х гг. XX в. в нашей стране были разработаны высокоэффективные плазмохимические методы получения водорода из природных топлив, эффективные катализаторы и усовершенствованные технологии получения водорода конверсией природных топлив, выделения его из газовых смесей и очистки.

Для автомобилей, работающих на бензоводо-родных смесях, была разработана система аккумулирования водорода с использованием низкотемпературных и высокотемпературных гидридов интерметаллических сплавов на основе FeTiVa (70-75%) и Mg2Ni (25-30%). Ее опытные образцы для различных автомобилей (ГАЗ-24, ВАЗ-2101 и др.) прошли опытную эксплуатацию в составе транспортных средств и показали вполне приемлемые технические характеристики при запасе хода автомобилей до 300 км [27].

Металлогидридный способ хранения водорода с удельными характеристиками 1700-1800 кВт ч/м3 был выбран для второго поколения корабельных ЭУ с ЭХГ [26]. Однако по весовым характеристикам он не смог конкурировать с легкими композитными баллонами (весовое содержание водорода примерно 8-10% при давлениях 300-500 атм.) на автотранспорте.

В ОАО «Криогенмаш» был разработан и испытан в составе экспериментального автомобиля РАФ криогенный бак для хранения жидкого водорода. Также было создано оборудование для криогенных систем топливообеспечения: эффективные ожижители водорода, автомобильные и железнодорожные

цистерны, хранилища и криогенные трубопроводы жидкого водорода, машинное оборудование и др. [42].

Интерес к криогенному хранению водорода на борту транспортных средств повысился в последнее время в связи с развитием работ по высокотемпературной сверхпроводимости. В частности, разрабатывается технико-экономическое обоснование проекта высокоскоростного транспорта, использующего электроэнергетическую установку на базе ЭХГ с криогенным хранением водорода и магнитный подвес электропоезда, который основан на эффекте левитации высокотемпературных сверхпроводников в постоянном магнитном поле. Сверхпроводящее состояние рабочих элементов обеспечивается с помощью экологически чистого и сравнительно недорогого жидкого водорода, который используется как топливо в ЭХГ [43].

В настоящее время в мире активно ведутся работы по созданию новых методов получения водорода, базирующихся на использовании возобновляемых источников энергии. Например, в [44] предложена морская станция, состоящая из платформы, на которой установлен комплекс альтернативных источников энергии (ветрогенератор, фотоэлектрическая станция, поплавковая волновая станция и др.), обеспечивающих работу оборудования для получения водорода методом электролиза. Для уменьшения энергозатрат предлагается использовать сероводород, растворенный в водах Черного моря.

По технологии Tandem Cell для выработки водорода используется пакет из специальных солнечных панелей. Первая из них - полупрозрачная, она поглощает ультрафиолет и синие лучи, а также, используя нанокристаллический слой оксида металла, генерирует пары электрон-дырка. Другие лучи (зелёные, красные) проходят дальше - ко второй панели. Обе панели соединены проводниками особым образом и вместе генерируют потенциал, способный разлагать воду на составляющие. При этом процесс разложения идёт в тонком слое воды, залитом между двумя панелями. КПД процесса авторы оценивают в 8%. Если КПД системы довести до 10% и покрыть такими панелями крышу гаража, то можно вырабатывать водород, достаточный для годового пробега автомобиля на топливных элементах в 17 тысяч километров [45].

3. Стационарные и тяговые вторичные химические источники тока

Имеется два типа вторичных ХИТ - электрохимические конденсаторы (ЭХК) и аккумуляторы. Принципиально они отличаются тем, что для накопления энергии в ЭХК используются физические явления (заряд емкости двойного слоя на границе электрод - электролит), а в основе действия аккумуляторов лежит преобразование энергии обратимой

химической реакции в электрическую энергию. В отличие от ЭХК работа аккумуляторов обязательно сопровождается изменением химического состава и перестройкой структуры его электродов. Протекание на электродах таких физико-химических процессов приводит к их относительно быстрой деградации. Кроме того, различие в принципе действия этих источников тока определяет и их возможности в накоплении энергии:

• аккумуляторы позволяют реализовать высокие плотности энергии (десятки и даже сотни Вт-ч/кг), но их разрядная мощность обычно не превышает несколько сотен Вт/кг, причем возможность использования всей запасенной энергии резко снижается при их разряде большими токами;

• способность аккумулировать энергию ЭХК существенно ниже (0.5-5 Вт/кг), но при этом мощность разряда (заряда) может достигать нескольких тысяч Вт/кг.

Электрохимическим аккумулятором считается электрохимическая система, способная выдержать не менее 300 полных циклов разряда-заряда (100% глубины разряда) с сохранением 80% ее первоначальной емкости. Наряду с циклическим режимом работы, сопровождаемым глубоким разрядом, аккумуляторные батареи часто эксплуатируются в так называемом «буферном» режиме. В этом случае батарея постоянно подключена параллельно генератору постоянного тока и компенсирует возможные колебания его выходного напряжения. Глубина разряда аккумуляторной батареи в этом режиме обычно незначительна [46].

В ряде случаев при работе электрического накопителя требуется реализовать импульсный режим заряда-разряда. Аккумуляторные батареи плохо работают в таких режимах с частотами выше десятых долей Гц. Двойнослойные конденсаторы могут эксплуатироваться на более высоких частотах и имеют ресурс работы десятки тысяч часов или сотни тысяч циклов заряда-разряда.

3.1. Электрохимические конденсаторы

В настоящее время в научно-технической литературе еще не сложилась четкая классификация ЭХК. Даже с точки зрения терминологии, используемой для определения типов ЭХК, нет единого подхода. В данном обзоре ЭХК классифицируются по признакам, определяющим их эксплуатационные характеристики.

По типу электрохимических реакций, протекающих на электродах и определяющих принцип действия, ЭХК можно разделить на [47]:

• двойнослойные конденсаторы (называемые также ионисторами или суперконденсаторами), принцип действия которых основан на перезаряде емко-

сти, образующейся на границе электрод-электролит двойного электрического слоя, а также фарадеев-ской псевдоемкости, обусловленной протеканием на электроде обратимых электрохимических реакций;

• гибридные конденсаторы (называемые также суперконденсаторами), содержащие электроды разных типов: один электрод, работающий на эффекте емкости двойного слоя, второй электрод - электрод химического аккумулятора, накопление электрического заряда на котором происходит за счет обратимого ионного переноса между электролитом и электродом.

В свою очередь, гибридные конденсаторы можно классифицировать по типу используемого второго электрода: оксидно-никелевые, диоксидно-свинцовые, литиевые и др.

По типу используемого электролита ЭХК можно разделить на ЭХК с водным (щелочным или кислотным), органическим или твердым электролитом.

Так как максимальное рабочее напряжение единичных элементов определяется потенциалом электрохимического разложения электролита и относительно невелико, ЭХК изготавливаются в виде батарей из последовательно соединенных единичных элементов.

Энергия, запасаемая в ЭХК, определяется по формуле

Е-ап - СЦ1 /2 , где С, и - емкость и напряжение ЭХК соответственно.

Энергия, отдаваемая ЭХК, всегда меньше £мп по двум причинам:

1) на практике ЭХК редко разряжают полностью до 0 напряжения (обычно на 50-90%);

2) при разряде ЭХК часть энергии теряется на его внутреннем сопротивлении.

В связи с широким диапазоном изменения напряжения для обеспечения разряда ЭХК обычно используются электронные преобразователи напряжения.

В России впервые ЭХК были разработаны в НПО «Квант» в начале 70-х гг. прошлого века. Они представляют собой последовательный набор единичных конденсаторов, разделенных стальными подложками толщиной 50 мкм. Между подложками размещены три слоя асбестовой бумаги толщиной около 50 мкм. Крайние слои со стороны подложек, пропитанные углеродным материалом, представляют собой электроды, а средний слой электролитный. После сборки и сжатия в пакет (количество слоев определяет рабочее напряжение) система заправляется щелочным электролитом и герметизируется по контуру [48, 49].

В последнее десятилетие интерес к применению ЭХК в качестве источников тока резко возрос.

состояние и перспективы развития производства высокотехнологичных автономных источников

электрической энергии в России

В научно-технической литературе появилось множество публикаций, посвященных разработкам ЭХК и материалов для их изготовления, а на рынке источников тока - серийно изготавливаемые изделия различного назначения. Анализ имеющейся информации показывает, что мировые тенденции развития рынка ЭХК и развитие рынка ЭХК в России существенно отличаются.

Основную долю в мировом производстве ЭХК составляют низковольтные (3-6 В) портативные источники тока для компьютеров, мобильных телефонов, видео- и фототехники и других переносных электронных и электротехнических устройств. Большинство фирм - Maxwell (США), Matsushita Electric Industrial (Япония), SAFT (Франция), EPCOS (Германия) - разрабатывают ЭХК с органическим электролитом. Их удельная энергоемкость колеблется от 0.4 до 6 Вт-ч/кг, удельная мощность - от 50 до 3000 Вт/кг, а номинальное напряжение - от 2 до 11 В [50]. Корпорацией Cooper Electronic Technologies анонсировано новое поколение двойнослойных ЭХК - PowerStor Aerogel Capacitor с удельной мощностью 4000 Вт/кг. Разрабатываются литиевые ЭХК с рабочим напряжением порядка 4 В [51]. Мощные энергоемкие ЭХК используются в КЭУ автомобилей [52].

В России наибольшее развитие нашли электрохимические конденсаторы с водным (щелочным или кислотным) электролитом. При этом из-за слабого развития отечественного рынка переносных электронных и электротехнических устройств производство низковольтных (2.5-6 В) маломощных ЭХК развивается медленно, в основном по специальным заказам (завод «Мезон», Рязанский завод металлокерамических изделий и др.). Гораздо более широкий и динамично развивающийся рынок в России существует для мощных высокоэнергоемких ЭХК. Основными направлениями их использования являются:

• пуск двигателей внутреннего сгорания;

• КЭУ и тяговые источники энергии для электротранспорта;

• системы рекуперации энергии для аккумуляторных электромобилей;

• резервные источники питания;

• мощные импульсные источники энергии;

• мощные фильтры для систем переменного

тока.

ЗАО «ЭЛИТ» серийно выпускает широкую номенклатуру двойнослойных конденсаторов, предназначенных для пуска ДВС автомобилей и тепловозов, работы в системах аварийного энергоснабжения и использования в качестве емкостных фильтров для мощных автомобильных аудиосистем.

Около 20 наименований насчитывает продукция фирмы МНПО «ЭКОНД». Производятся батареи ЭХК с напряжением от 14 до 300 В в едином

герметичном корпусе цилиндрической формы. Они предназначены для работы в режиме циклического разряда и периодически требуют полного разряда для выравнивания напряжения на отдельных единичных элементах в батарее. Разбаланс напряжений в батарее возникает из-за различий в величине токов их саморазряда и может привести к переполюсовке отдельных элементов и выходу всей батареи из строя. ЭХК используются для пуска ДВС на автомобильном и железнодорожном транспорте, в агрегатах бесперебойного питания и импульсных источниках тока, компенсирующих устройствах асинхронных двигателей, а также электромобильной технике. Четыре типа конденсаторов из этой номенклатуры по лицензии производятся ОАО «ПЗР “Плескава”».

Широкую номенклатуру ЭХК предлагает на российский рынок фирма EPCOS. Они изготавливаются в виде единичных элементов призматической формы с максимальным рабочим напряжением 2.3 В с емкостью от 10 до 2700 Ф. В течение ограниченного интервала времени напряжение на ЭХК может повышаться до 2.7 В, однако при этом срок их службы сокращается. Фирма EPCOS также предлагает типовые сборки из единичных ЭХК емкостью 1200 Ф и 2700 Ф на напряжение 14 В (емкость 450 Ф), 42 В (емкость 67 Ф) и 56 В (емкость 100 Ф). Необходимым условием штатного функционирования ЭХК при их включении в последовательной цепи является одинаковый уровень напряжения на их зажимах. Для уравнивания этого напряжения параллельно каждому ЭХК в батарее подсоединяется устройство активного баланса - печатная плата с микросхемой компаратора и резистивными делителями. Компаратор обладает встроенным эталонным источником напряжения и весьма низким диапазоном питающего напряжения. При превышении заданного значения напряжения на ЭХК компаратор замыкает ключ и происходит шунтирование ЭХК током примерно 800 мА через ограничительный резистор [53].

Среди российских двойнослойных ЭХК наиболее высокие мощностные заявлены ЗАО ЗЭМ РКК «Энергия» для импульсного ЭХК с кислотным электролитом (разработка ЗАО «Инкар»). При весе 5 кг он имеет запасаемую удельную энергоемкость 2 Вт-ч/кг, максимальное напряжении 30 В и допускает разряд током до 5000 А. Характеристики ряда двойносдрй-ных ЭХК приведены в табл.5.

Фирмой ЗАО «ИНКАР» и Институтом электрохимии РАН разработан гибридный ЭХК, использующий традиционный диоксидно-свинцовый электрод вместе с электродом на основе активированной углеродной ткани [54]. Преимуществом такого ЭХК является более высокое напряжение единичного элемента (2.2 В вместо 1.6 В для конденсатора с оксидно-никелевым электродом). Его конструкция предполагает установку углеграфитового электрода

1.7-1.8 В идет электролиз воды с выделением продуктов электролиза через предохранительный клапан. Тяговые конденсаторы ЭК203 имеют удельную энергию 10 Вт-ч/кг, внутреннее сопротивление единичного элемента 4 мОм при рабочем напряжении 1.6-0.8 В (мощность 180 Вт/кг) и заявленный ресурс более 10000 циклов. Удельная мощность конденсаторных батарей ЭК301 и ЭК302, предназначенных для организации рекуперативного торможения, повышена в 2-4 раза, однако за счет снижения энергетических характеристик в 8-10 раз. Тяговые конденсаторы ЭК451 имеют удельную энергию 14 Вт-ч/кг, внутреннее сопротивление единичного элемента 1 мОм при рабочем напряжении 1.6-0.8 В (расчетная мощность 870 Вт/кг) и заявленный ресурс не менее 10000 циклов [50].

В [56] сообщается о гибридном ЭХК, изготовленном по технологии литий-ионного аккумулятора (ЛИА). Он имеет характеристики: 11 Вт-ч/кг, 800 Вт/кг и ресурс от 104 до 10 циклов.

3.2. Химические аккумуляторы

В настоящее время разрабатывается и производится широкая номенклатура химических аккумуляторов. Например, для автономного электроснабжения образцов вооружений и военной техники в России используются 6 электрохимических систем, 32 типа конструкций и 997 типоразмеров [13].

В табл.6 представлены типичные характеристики серийно производящихся в настоящее время химических аккумуляторов в герметичном (Г) или герметизированном (ПК - с предохранительным клапаном) исполнении. Приведенные характеристики относятся к длительным режимам работы.

Таблица 6

Типичные характеристики серийных аккумуляторов

Характеристика аккумулятора Тип аккумулятора

РЬ-кисл. Мі-С(і №-Н >іі-МН ІЧі^п Ag-Zn Ц-ион. Ьі-пол. Ьі-Б Ыа-Б

Номинальное напряжение, В 2 1.2 1.25 1.2 1.6 1.5 3.6-3.7 3.6 -3.7 2.0 2.0

Удельная энергия, Вт-ч/кг: теоретическое значение серийные образцы 175 20-50 220 20-60 50-60 387 40-80 н.д. 60-80 н.д. 110-130 890 100-160 890 100-160 2600 250 760 100

Максимальная мощность, Вт/кг 400 150 50 900 150 300 450 1200 150 120 '

Максимальный ток разряда, А 20 С ЮС ІС 20С ЗС 10С ЗС 8С 10С 1С

Диапазон рабочих температур, °С -40-50 -50 - 70 10 70 -30 * 50 -40 + 40 -40 + 50 -30 60 -30 - 60 -30 + 60 -

Саморазряд, %/мес 5 20 30%/сут. 30 15-20 15 2-5 2-5 н.д 10

Ресурс при 80%-ном разряде, циклов 300 2000 1500-50000 (40%) 800 100-300 6-50 1000 1000 500 2500

Срок службы в буферном режиме, лет 25 20 15 н.д. н.д.. н.д. Н.Д. н.д. н.д. н.д.

Исполнение ПК Г. ПК Г Г ПК ПК. Г Г Г Г Г

Таблица 5

Основные характеристики двойнослойных ЭХК

Характеристика Тип двойнослойного ЭХК

с щелочным электролитом (МНПО «ЭКОНД») с кислотным электролитом (ЗАО ЗЭМ РКК «Энергия») с органическим электролитом (фирма ЕРСОБ, Германия)

Удельная энергия, Втч/кг 0.25-0.5 1.8-2.0 1.6-2.7

Максимальная удельная мощность разряда, Вт/кг 1600-3700 7500 2600-3500

Заявляемый ресурс работы: циклов часов т-іо6 Н.Д 106 Н.Д 500000 90000

Уш* 1-го ЭХК, В 1.5 2.3 2.3

Саморазряд, “/(Лутки 20-40 н.д. 13-17

в серийные свинцовые аккумуляторы вместо одного из свинцовых электродов. ЭХК работоспособен в диапазоне от -50 до +60 °С, полностью заряжается за 30-40 минут и имеет удельную энергию 20 Вт-ч/кг, удельную мощность - до 200 Вт/кг и ресурс - 10000 циклов [55].

ЗАО «ЭСМА» освоено производство стартер-ных и тяговых гибридных конденсаторов и батарей на их основе, а также электрических накопителей для систем рекуперации энергии на электротранспорте. Эти суперконденсаторы используют один окисно-никелевый электрод, а второй электрод - на основе активированной углеродной ткани. Максимальное рабочее напряжение единичного конденсатора - 1.3-1.6 В. При напряжении на конденсаторе

...Ui»vu»vivAiiuiui глпшд шнипилпмл IUMHHKUb

электрической энергии в России

Свинцово-кислотный аккумулятор (СКА) был изобретен в 1859 г. Гастоном Планте и стал первым коммерческим электрическим накопителем энергии. Безуходные СКА появились около 40 лет назад. Так как не удается обеспечить полную рекомбинацию водорода и кислорода, выделяющихся при заряде и хранении, СКА снабжены газовым клапаном. При разработке герметизированных СКА принимается ряд конструктивных и эксплуатационных мер для снижения в них газовыделения [57]:

1) использование иммобилизированного (обездвиженного) электролита, малое количество которого позволяет обеспечить лучший перенос кислорода от положительного к отрицательному электроду и высокий уровень рекомбинации;

2) применение сплавов свинца с высоким перенапряжением выделения водорода (с добавками Са, Al, Sn);

3) увеличение емкости отрицательного электрода относительно емкости положительного электрода для исключения разряда ионов водорода;

4) жесткая регламентация режимов заряда, при которых ток снижается по мере заряда.

Для иммобилизации электролита используются две технологии:

• технология Gell - загущение электролита силикагелем;

• технология AGM - введение электролита в сепаратор из стекловолокна.

Аккумуляторы, изготовленные по технологии AGM, имеют более высокие разрядные мощности, но более чувствительны к глубоким разрядам и при больших размерах имеют тенденцию к расслоению электролита по высоте.

Батареи СКА наиболее дешевые и массово используемые в автономной энергетике и транспортных средствах. В настоящее время на российском рынке представлена большая номенклатура герметизированных СКА западных производителей, которая постепенно вытесняется продукцией, изготовленной в Китае. Производства отечественных герметизированных СКА пока нет, хотя сообщения о их разработке имеются [58].

СКА обычно используются в случаях, когда требуется большая мощность, вес не критичен, а стоимость должна быть минимальной. СКА емкостью до 200 A-час обычно изготавливаются в виде моноблоков напряжением 6 или 12 В. Они хорошо работают в буферном режиме, но плохо переносят глубокий разряд - при 100%-ном разряде срок службы не превышает 200-300 циклов. Типовое время заряда СКА от 8 до 16 часов, хранение - только в заряженном состоянии.

Никель-кадмиевый аккумулятор (НКА) был предложен в 1899 г. В. Юнгером. В герметичном исполнении он начал разрабатываться с 1947 г. Сей-

час благодаря использованию эффективной системы внутренней рекомбинации газов для всех типоразмеров аккумуляторов реализовано надежное герметичное исполнение.

Герметичные никель-кадмиевые аккумуляторные батареи по своим техническим характеристикам в настоящее время являются основным типом накопителей электроэнергии в России, используемых в спецтехнике. Они изготавливаются на многих электротехнических предприятиях: ОАО «Завод АИТ» (Саратов), ОАО «Курский аккумуляторный завод», ОАО «Аккумуляторная компания Ригель» (С.-Петербург), ОАО «НИАИ Источник» (С.-Петербург) и др. Ориентировочная цена единичного никель-кадми-евого герметичного аккумулятора (НКГА) российского производства составляет около 1 ЗШ/А-ч, при этом его удельная энергия не превышает 30-40 Вт-ч/кг. До последнего времени в России выпускались цилиндрические и призматические НКГА емкостью от

0.5 до 200 А ч. Несмотря на ряд недостатков (низкие энергетические характеристики, «эффект памяти» и др.) и появление на рынке новых типов аккумуляторов, они по-прежнему остаются востребованными для электропитания переносных радиостанций, медицинского оборудования, профессиональных видеокамер, мощных инструментов, в ракетно-космической технике. НКГА отличает стойкость к глубокому разряду и перезаряду, высокие ресурс работы и сроки сохраняемости заряда. Они практически не имеют конкурентов в применениях, связанных с глубоким разрядом, работой при температурах ниже -30°С, длительным хранением без обслуживания и др. [59].

Для НКГА предпочтителен быстрый или импульсный реверсивный заряд и режим глубокого разряда. Как правило, они плохо работают в буферном режиме.

Никель-водородный аккумулятор (НВА) был создан в Советском Союзе Б.И. Центером. Он разрабатывался как альтернатива НКГА и имел на 30-50% более высокую энергоемкость [60]. Из всех серийно выпускаемых аккумуляторов НВА имеет наибольший ресурс (30000-50000 циклов) при средних глубинах разряда (на 30-40%). Существенными его недостатками являются высокий (30% за сутки и 50% за 72 часа) саморазряд, сильное тепловыделение при заряде, необходимость жесткого соблюдения режимов заряда/разряда, контроль температуры и разбаланса напряжения в батарее. Из-за сложности эксплуатации и высокой цены он нашел применение только для электроснабжения необитаемых космических аппаратов.

Основным разработчиком и производителем НВА в России в настоящее время является ОАО «Сатурн» [61]. Они также разрабатывались и производились в ОАО «НИАИ “Источник”», РКК «Энергия», на Уральском электрохимическом комбинате.

Г

Никель-металлогцдридный аккумулятор (НМГА) является вариантом никель-водородной электрохимической системы и имеет более высокие энергетические и мощностные характеристики по сравнению с НКГА. В области малогабаритных аккумуляторов к 2010 г. они должны полностью вытеснить последние. Этот тип аккумуляторов интенсивно разрабатывается и для более энергоемких потребителей (в частности, для электротранспорта). Имеются сообщения о разработке высокомощных биполярных батарей НМГА с напряжением 28 В и емкостью 24 А, имеющих удельную мощность 2000-2200 Вт/кг [62].

В России высокоемкие призматические НМГА предлагает ОАО «НИАИ “Источник”» (в габаритах аккумулятора НКГК-90 - емкостью 140 А-ч при 62 Вт-ч/кг), ОАО «Аккумуляторная компания “Ригель”» (аккумуляторы емкостью от 10 до 200 Ач с удельной энергией около 60 Вт-ч/кг, техническим ресурсом 1000 циклов и сроком службы 5 лет). На Чепецком механическом заводе (г. Глазов) в 2000-2002 гг. была предпринята неудачная попытка освоить производство отрицательных электродов и высокоемких НМГА по лицензии фирмы Ovonic Battery Company.

Для космических аппаратов в НИАИ «Источник» разработаны батареи НМГА с общим газовым коллектором емкостью 20 и 100 А-ч [59]. Аналогичные аккумуляторные батареи разрабатываются РКК «Энергия» и Уральским электрохимическим комбинатом. Прогнозируемый ресурс таких батарей не менее 10 лет [63].

НМГА аккумулятор по сравнению с НКГА выделяет значительно большее количество тепла во время заряда и, если не используется контроль по температуре, требует более сложного алгоритма для обнаружения момента полного заряда. Саморазряд НМГА в 1.5-2 раза выше, чем у НКГА.

Аккумуляторы с цинковым электродом (ни-кель-цинковые аккумуляторы (НЦА) и серебряноцинковые аккумуляторы (СЦА)) обладают самыми высокими (СЦА - 90 Вт-ч/кг, НЦА - 70 Вт-ч/кг) энергетическими характеристиками из щелочных аккумуляторов, но имеют низкий ресурс из-за роста дендритов со стороны цинкового электрода [64]. СЦА производятся ГНПП «Квант», ОАО «Уфалей-ский завод “Уралэлемент”», ОАО «Аккумуляторная компания “Ригель”». Из-за высокой цены (2.3-

2.5 $US/A-4) и малого ресурса (10-15 циклов) они используются только в изделиях ракетно-космиче-ской и военной техники, а также демонстрационных образцах электромобилей. Российские тяговые батареи НЦА были апробированы на спортивных солнцемобилях, на электромобилях, созданных на шасси ВАЗ-2801 (опытная эксплуатация для грузопассажирских перевозок в г. Москве) и ВАЗ-1110 (участие в ряде европейских ралли) [65, 66]. В настоящее время они не востребованы потребителями,

прежде всего, из-за недостаточного ресурса (150— 300 циклов). Сегодня никель-цинковые аккумуляторные батареи производятся только по специальному заказу, что повышает их и без того относительно высокую стоимость: 1.0-1.5 $US/A-4.

Литиевые аккумуляторы. Все электрохимические системы с литиевым анодом характеризуются высокой теоретической удельной электрической энергией и высоким разрядным напряжением. Первые работы по литиевым аккумуляторам были осуществлены Г.Н. Льюисом в 1912 г. Попытки разработать перезаряжаемые литиевые источники тока предпринимались еще в 1980-е годы, но были неудачными из-за невозможности обеспечения приемлемого уровня безопасности при обращении с ними.

Начало коммерческого применение литиевых аккумуляторов связано с освоением производства литий-ионных аккумуляторов (ЛИА). В настоящее время они активно вытесняют другие типы аккумуляторов в области портативной электроники [29, 59]. Интерес к ним обусловлен, прежде всего, высокими энергетическими характеристиками, а также доступностью и экологичностью используемых материалов [67]. В США и Японии ЛИА разрабатывались в рамках работ по созданию улучшенной батареи для электромобиля [68]. В настоящее время серийные образцы ЛИА имеют удельную энергию 110-160 Вт-ч/кг, а объемную энергию от 280 до 400 Вт-ч/л. Недавно появились коммерческие образцы литий-полимерных аккумуляторов (ЛПА), имеющие такие же высокие, как у ЛИА, энергетические характеристики и разрядные мощности, сравнимые с характеристиками ЭХК: токи разряда ЛПА достигают 10-15С [53, 69]. Имеются публикации о разработке ЛПА с токами разряда порядка 40С [70]. Экспериментально подтвержден и высокий ресурс ЛИА: при неглубоких разрядах - более 120000 циклов [71]. ЛИА фирмы SAFT с 2000 г. сертифицированы для использования в авиационно-космической технике. Они допускают 1500 глубоких циклов разряда при сроке службы 11 лет [72].

Высокие энергетические характеристики (250 Вт-ч/кг) имеют литий-серные аккумуляторы с матричным и твердым электролитом [73]. Корпорация SION Power Corp. [74] продемонстрировала ли-тий-серный аккумулятор для ноутбуков с удельной энергией 359 Вт-ч/кг, допускающий 300 циклов зв-ряда/разряда.

По сравнению с никель-кадмиевыми и никель-металлогидридными аккумуляторами преимуществом литиевых аккумуляторов является отсутствие «эффекта памяти», более высокое напряжение единичного аккумулятора, низкий саморазряд (2-5% в месяц). В то же время их отличает высокая чувствительность к переразряду и перезаряду, а также отсутствие электрохимических процессов, обеспечивающих выравнивание напряжения на отдельных

^нишим раовтия 1фОИЗВ0ДСТВа ВЫСОКОТвХНОЛОГИЧНЫХ ЭВТОНОМНЫХ ИСТОЧНИКОВ

электрической энергии в России

аккумуляторах при их последовательном соединении в батарее [75]. Поэтому для обеспечения их безопасной и надежной работы в составе любой батареи необходимо иметь электронный блок, обеспечивающий контроль и выравнивание напряжения на отдельных аккумуляторах или группе параллельно соединенных аккумуляторов.

В последние годы в США, Европе, Японии и Китае начато производство высокоэнергоемких литиевых аккумуляторов: на рынке имеются коммерческие образцы единичных ЛИА емкостью от 10 до 1000 и более А-ч, ЛПА - до 100 А-ч [69,76]. Они являются серьезной альтернативой свинцово-кислотным и никель-кадмиевым аккумуляторам при создании автономных источников энергопитания различного применения [13]:

- на объектах вооружений и военной технике практически всех родов войск;

- на аккумуляторном и гибридном электротранспорте, в том числе с ЭХГ на ТЭ;

- в средствах связи и автоматики железнодорожного транспорта;

- на автономных необитаемых подводных аппаратах;

- в системах энергопитания космических аппаратов.

В 2004 г. на ОАО «Аккумуляторная компания “Ригель”» была запущена импортная технологическая линия и начато производство малогабаритных ЛИА емкостью до 10 А-ч [77]. О разработке и выпуске на отечественном технологическом оборудовании ЛИА емкостью до 10 А-ч для средств связи в интересах Минобороны заявлено ОАО «НИАИ “Источник”». ФГУП «Альтэн» в кооперации с ФГУП «НИИ электроугольных изделий» ведутся разработки ЛИА в интересах Российского космического агентства.

ОАО «Ригель» и ОАО «Уралэлемент» изготовили и испытали по нескольку батарей на базе ки-I тайских ЛИА емкостью 150-200 А-ч с напряжением

28 В [76, 78]. Рядом российских предприятий начаты НИОКР по созданию низковольтных (до 100 В) батарей на базе ЛИА для спецтехники (в том числе систем энергопитания для космических аппаратов), а также мощных высоковольтных стационарных и тяговых литий-ионных батарей.

Обеспечение надежной безаварийной работы литиевых (особенно высоковольтных высокоэнергоемких) батарей, повышение ресурса работы, их технических и эксплуатационных характеристик невозможно без применения многофункциональных

I микропроцессорных систем контроля и управления.

В общем случае они должны обеспечивать [79]:

• контроль тока, напряжений и температуры аккумуляторов;

• защиту батареи от токовых перегрузок;

• выравнивание напряжения единичных аккумуляторов аппаратно в процессе выполнения зарядно-разрядных циклов;

• отключение или перевод в безопасное состояние отказавших единичных аккумуляторов или групп аккумуляторов;

• выработку управляющих команд для системы терморегулирования батареи;

• прием и отработку внешних управляющих команд, передачу информации о состоянии ЛАБ;

• самотестирование работоспособности блоков, входящих в состав системы контроля ЛАБ.

Высокотемпературные аккумуляторы за рубежом считаются перспективными и интенсивно разрабатываются. Наибольший интерес вызывают аккумуляторные батареи с натриевым и литиевым анодом. Интерес к ним связан с:

- высокой удельной энергией и мощностью;

- хорошей обратимостью и большим ресурсом, связанными с использованием жидких электродов;

- отсутствием побочных реакций на электродах;

- герметичностью и большим сроком сохраняемости;

- дешевизной и доступностью основных реагентов.

Практическая разработка серно-натриевых аккумуляторов началась в начале 1960-х годов фирмами FORD MOTORS, БОУ CHEMICAL и GENERAL ELECTRIC. В качестве активных веществ в них на аноде используется расплав натрия, а на катоде - расплав серы. При этом электролитом являются твердые суперионные проводники с проводимостью по ионам натрия. Серно-натриевые аккумуляторы чувствительны к перезаряду и глубокому (более 50%) разряду. Из-за высокой рабочей температуры (350°С) они используются только в составе батарей, имеющих эффективную теплоизоляцию и требующих предварительного разогрева для запуска, а в стационарных условиях - поддержания необходимого теплового режима [80].

В настоящее время в ряде стран завершаются работы по созданию стационарных серно-натриевых аккумуляторных батарей (СНАБ). С 2002 г. их выпуск начался в Японии. Общая мощность введеных в эксплуатацию СНАБ составила уже 30 МВт, в том числе 2 аккумуляторные батареи (АБ) по 6 МВт с энергией 48 МВт-ч [81]. Ресурс таких АБ более 2500 циклов [82]. В [83] сообщается о вводе в эксплуатацию в штате Огайо первой в США СНАБ из двух модулей энергоемкостью 375 кВт-ч при мощности разряда 100 кВт. Батарея допускает кратковременный разряд мощностью до 500 кВт.

В США в рамках первого этапа программы по созданию улучшенной батареи для электромобиля разрабатывались аккумуляторные батареи с натриевым анодом [68]. В частности, по проекту «Зебра» фирмой AEG Anglo Batteries GmbH разрабатывался

электрической энергии в России

Так, например, электромобили отечественного производства с серебряно-цинковыми аккумуляторами обслуживали Московскую олимпиаду в 1980 г. Электромобиль «Ока-Электро» с НКГА и НЦА неоднократно занимал первые места в престижных международных гонках [13]. В первой половине 80-х гг. в г. Москве на реальных трассах грузовых и пассажирских перевозок эксплуатировались электромобили, созданные на базе шасси и кузовов серийных автомобилей (УАЗ-451 МИ, УАЭ-3801, РАФ-2210 и др.). В них использовались отечественные стартерные аккумуляторы, имевшие низкие энергетические и разрядные характеристики, малую надежность, а также ряд других серьезных недостатков. В результате эксплуатационная скорость электромобилей не превышала 8 км/ч, пробег за рабочую смену составлял от 26 до 52 км. Как показала практика, введение дополнительного технологического контроля за производством аккумуляторов позволило снизить количество отказов аккумуляторов за первые два месяца эксплуатации тяговой батареи с 60 до 7.5% [85].

В современных российских разработках электромобилей используются необслуживаемые аккумуляторы зарубежного производства - чаше всего относительно дешевые свинцово-кислотные аккумуляторы. Например, в легковых электромобилях на базе автомобилей «Москвич-М2141» были использованы гелевые аккумуляторы торговой марки «SONNENSCHEIN», а тяговая батарея грузового электромобиля «ЗИЛ-Электро» была создана на базе аккумуляторов фирмы «OPTIMA BATTERIES» (США) [43].

В настоящее время АО «АвтоВАЗ» на базе шасси серийных автомобилей 10-го семейства ведет разработку электромобилей с батареями НМГА и ЛИА. Батареи разрабатываются ОАО «Аккумуляторная компания “Ригель”» [13].

В рамках Московской экологической программы в 1998-2000 гг. были разработаны и прошли опытную эксплуатацию на Всероссийском выставочном центре электробус и электромобили на базе шасси серийного грузового автомобиля «Газель» с гибридными ЭХК производства компании «ЭСМА». Батарея конденсаторов помещалась в кузове грузовика. Дальнейшего развития эти работы пока не получили. В настоящее время разработаны и серийно производятся малые транспортные средства с батареями гибридных ЭХК фирмы «ИНКАР», которая создала совместно с РКК «Энергия» Производственный центр электротранспортных средств [55]. В [88] изложены теоретические аспекты, математические модели и технико-экономические показатели автомобилей с КЭУ, использующими в качестве накопителя ЭХК. Однако сегодня стоимость ЭХК существенно выше цены АБ [89]. На российском рынке цена отечественных двойнослойных ЭХК

составляет порядка 10 ЗШ/кДж, импортных (фирма ЕРСОБ) - в два раза выше. Кроме того, сравнительные испытания ЭХК и ЛИА показали, что ЛИА более пригодны для применения на транспорте [90].

Необходимо отметить, что разработкой электромобилей в России занимаются не только профессионалы, но и любители. При выборе ими источника питания для электромобиля основным критерием является минимальная стоимость. Поэтому для своих разработок они в основном используют бывшие в употреблении герметизированные СКА. Недавно для координации действий Любителей-электромоби-листов был создан сайт в Интернете [91].

Имеют свой сайт и любители-авиамоделисты [92]. На нем представлена достаточно квалифицированно подобранная информация о характеристиках, конструкциях батарей и правилах эксплуатации различных типов химических аккумуляторов, а также номенклатуре и ценах имеющихся в продаже источников тока. Несмотря на относительно высокие цены, благодаря высоким энергетическим и мощност-ным характеристикам в авиамоделизме наблюдается тенденция к вытеснению литий-полимерными аккумуляторами всех других типов источников тока.

3.4. Основные направления развития электрохимических накопителей

Каждый из рассмотренных электрических накопителей имеет свою область применения, но ни один из них не может полностью удовлетворить современным требованиям. Так как появление принципиально новых накопителей электрической энергии в ближайшее время маловероятно, поставленная задача может быть решена лишь путем создания комбинированных источников тока.

При разработке химических источников тока для вооружений и военной техники важнейшей задачей становится стандартизация и унификация используемых автономных источников питания. Имеется необходимость существенно уменьшить количество используемых в военной технике видов и типоразмеров автономных источников тока, а также аппаратуры для их обслуживания.

Так как поставленные задачи невозможно решить, совершенствуя только химические источники тока, основной тенденцией в их развитии становится создание интеллектуальных автономных источников электропитания, позволяющих оптимизировать работу и обеспечить контроль состояния и управление батарей химических источников тока. При этом наиболее актуальна разработка систем бесперебойного электропитания на основе нескольких первичных и вторичных источников энергии, способных обеспечить длительную работу электронных устройств в условиях оторванности от баз снабжения, когда невозможно осуществить замену первичных

химических источников тока или заряд аккумуляторов от стационарной сети переменного тока. Неизбежное увеличение стоимости таких источников электропитания компенсируется не только эффективным использованием запасаемой энергии, повышением ресурса работы источников электропитания и т.д., но, прежде всего, повышением надежности работы электронных систем защиты, навигации и связи и др., что обеспечивает боеспособность всего комплекса вооружений [13].

В мире созданию интеллектуальных автономных источников электропитания специального применения уделяется большое внимание. Например, в США разрабатывается комплексная система вооружения пехотинца, включающая несколько подсистем: вооружение, интегрированный шлем, защиту тела и индивидуальное оборудование, компьютеры, связь и др. Ориентировочная стоимость комплекта -30-70 тыс. ЗиБ. В качестве приоритетной задачи ставится задача снижения веса комплекта. При ее решении одной из основных проблем является достижение необходимого уровня энергообеспечения. Рассматривается вопрос о создании единой универсальной батареи, которая может обеспечить энергоснабжение всего оборудования пехотинца [93].

Аналогичные программы ведутся в других странах НАТО, например в Великобритании. Акцент сделан на замену устаревших и более тяжелых никель-кадмиевых батарей на перезаряжаемые литий-ионные батареи в системах связи и навигации, портативных компьютерах, устройствах шифрования и др. Новые аккумуляторные батареи предусматривают наличие мониторинга состояния батареи, включая степень заряженности и прогнозирования ее дальнейшей работоспособности. Также предусматривается перестройка инфрастуктуры, обеспечивающей заряд батарей, в том числе и при отсутствии централизованного электроснабжения.

Необходимо отметить, что для всех типов вторичных ХИТ в последние годы наблюдается тенденция к изготовлению интеллектуальных батарей, оборудованных системами контроля и управления. В свою очередь, они используются в качестве основы для создания источников тока, включающих в свой состав электронный преобразователь, обеспечивающий требуемые потребителю уровни тока и напряжения. В области портативных источников тока медицинского и бытового применения становятся все более востребованы системы бесперебойного электропитания, имеющие несколько независимых источников энергии и возможность заряда не только от стационарной сети, но и от автономных первичных источников тока: солнечных батарей, МВИТ и др. [94, 95].

Для автомобиля будущего определены оптимальные характеристики: масса - 822 кг, КПД электродвигателя - 90 %, удельные характеристики ис-

точников энергии: ТЭ - 360 Вт-ч/кг, батареи ЛИ А -300 Вт-ч/кг. Считается возможным использование солнечных батарей площадью 1.8 м2 и маховичного накопителя массой 20 кг [96]. В области тяговых и буферных электрических накопителей для автотранспорта разработки ведутся в направлении создания батарей, состоящих из разных типов накопителей, один из которых обладает высокой энергоемкостью, а другой - высокой удельной мощностью [97]. В частности, имеется много примеров совместного использования аккумуляторов и электрохимических конденсаторов [98,99].

4. Мобильные комбинированные энергоустановки

Анализ мировых тенденций развития мобильных источников электроэнергии показывает, что в настоящее время рассматриваются три основных направления.

• При создании бортовых ЭУ в одном устройстве комбинируется первичный источник энергии и мощный электрический накопитель. Этот подход позволяет, снизив номинальную мощность первичного источника, эксплуатировать его в постоянном режиме, обеспечивая в переходных режимах снятие пиковых нагрузок за счет электрического накопителя. В состав таких бортовых ЭУ входит электронная система управления потоками энергии, обеспечивающая повышение эффективности производства и передачи энергии бортовым энергопотребителям, а также рекуперацию кинетической энергии торможения транспортного средства.

• Сегодня серийные коммерческие электромобили используют КЭУ типа ДВС - электрический генератор - накопитель энергии. В качестве накопителя энергии служат ЭХК или мощные аккумуляторные батареи. Электромобили с такими КЭУ имеют практически нулевой выхлоп и не требуют существенных изменений в имеющейся инфраструктуре заправки и обслуживания транспортных средств.

• Конкуренцию электромобилям с КЭУ на основе тепловой машины в перспективе могут составить энергоустановки с ЭХГ, работающими на газообразном или жидком углеводородном топливе, эффективность которых в два раза выше, чем КПД тепловых машин. Однако необходимо учитывать, что реальный КПД таких ЭУ зависит от величины электропотребления на собственные нужды, связанные с работой систем подготовки реагентов, термостабилизации, преобразования напряжений и др.

4.1. КЭУ с ДВС для городского автотранспорта

Анализ энергетики автомобиля показывает, что для снижения расхода топлива необходимо использовать энергию ДВС, вырабатываемую им только на режиме минимального удельного расхода топлива, а

г

----..rw..^uwMv I uu UUIVUIWIVAIIUJIUI mnaj/ч uoivnuimiOIA 1 UMHHKUU

электрической энергии в России

также повторно реализовать рекуперируемую энергию торможения. Такую возможность обеспечивают КЭУ, состоящие из ДВС, электрического генератора и электрического накопителя энергии. В качестве электрического накопителя может использоваться аккумуляторная батарея, электрический конденсатор или оба эти накопителя одновременно [100, 101]. При проектировании КЭУ обычно выбирается один из двух принципов их построения:

• Мощность основного источника энергии определяется на основании среднего значения за достаточно длительный (сутки, рабочая смена) период времени работы. При этом энергоемкость накопителя должна покрывать максимальную разность работ - требуемой и выработанной двигателем за самый невыгодный период. Такой принцип построения схемы наиболее целесообразен для маршрутных транспортных средств, например городских автобусов.

• Мощность основного источника энергии выбирается исходя из обеспечения крейсерской скорости транспортного средства, а энергия накопителя -из динамических режимов его работы. Данный принцип построения гибридной схемы более целесообразен для легковых автомобилей.

Сегодня используются следующие основные конструктивные схемы КЭУ с ДВС [87].

1. В последовательной схеме вся энергия ДВС преобразуется в электрическую и отсутствует механическая связь вала ДВС с приводом колеса. Тягу обеспечивает электродвигатель, который может питаться от электрического накопителя и (или) генератора. Эта схема аналогична электрической трансмиссии тепловозов и карьерных самосвалов, только дополнена аккумуляторной (конденсаторной) батареей. Основной недостаток этой схемы - высокие потери энергии при передаче ее к колесам.

2. Параллельная схема получила свое название от наличия двух параллельных энергопотоков, следующих от ДВС непосредственно к колесу автомобиля - механического и электрического. В этой схеме функции электромотора и генератора совмещены в одной электрической машине. При этом из-за того, что выходные валы мотор-генератора и ДВС жестко связаны, последний не может постоянно работать в экономичном стационарном режиме.

3. Комбинацией рассмотренных выше схем является так называемая сплит-схема, примененная на автомобиле Тоуога Ргш. Подобно последовательной схеме она имеет ДВС, генератор и тяговый электродвигатель. Однако аналогично параллельной схеме выходные валы всех машин связаны не жесткой конструкцией, а посредством планетарной передачи, обеспечивающей возможность бесступенчатого изменения частоты вращения и нагрузки на ДВС независимо от скорости и тягового усилия на колесе автомобиля. Эта схема более сложна в реализации,

но позволяет обеспечить работу ДВС в постоянном режиме и перераспределять потоки мощности с минимальными потерями.

В КЭУ автомобиля Toyota Prius используется бензиновый двигатель, электрический генератор с постоянными магнитами и никель-металлогидрид-ная батарея (масса 39 кг) емкостью 6.5 Ач с номинальным напряжением 201.6 В. Этот автомобиль в варианте 1997 г. при движении по городскому циклу потреблял 5.1 л/100 км, а в Toyota Prius выпуска 2003 г. расход был снижен до 4.3 л/100 км [102, 103].

В 1998 г. фирма Honda начала серийное производство сверхэкономичного (по топливу) легкового автомобиля модели «Insight GX», имеющего массу 800 кг, коэффициент лобового сопротивления 0.25, шины специальной конструкции с пониженным (на 40%) коэффициентом сопротивления качению. Силовая установка состоит из бензинового двигателя с объемом цилиндров 1 л и мощностью 52 кВт, работающего на обедненном топливе, и электродвигателя, непосредственно подсоединенного к коленчатому валу ДВС. Электродвигатель с постоянными магнитами мощностью 6 кВт обеспечивает разгон автомобиля, а при торможении действует как генератор, заряжая никель-металлогидридную батарею с напряжением 144 В и емкостью порядка 6 А ч. Этот автомобиль, оснащенный пятискоростной коробкой передач с ручным управлением, показал наивысшую топливную экономичность при испытаниях в городских условиях по японской методике 35 км/л [52]. В то же время согласно [9] масштабные испытания 18-ти автомобилей марок Toyota Prius, Honda Civic и Honda Insight (общий пробег составил около 1 млн км), проведенные Министерством энергетики США, показали, что их пробег составил от 12 до 19 км/л.

МНПО «Эконд» совместно с американской фирмой «JME, Inc.» применил емкостный накопитель на базе ЭХК в гибридном автобусе, спроектированном и продемонстрированном в ноябре 1997 г. в исследовательском Центре «NASA» (Кливленд, Огайо, США). В качестве первичного источника энергии в автобусе используется газотурбинный двигатель американского производства с электро-машинным генератором на валу со средней мощностью 35 кВт. Пиковая разрядная мощность накопителя в период разгона автобуса 70 кВт, а пиковая зарядная мощность в период торможения 90 кВт. Автобус массой 15 т был оборудован батареей из 30-ти ЭХК с суммарным энергозапасом 1.5 мегаджоуля при максимальном напряжении 400 В и тяговым асинхронным двигателем американского производства. Масса батареи ИКЭ - 900 кг.

В России на заводе «Ижмаш» на базе автомобиля ИЖ-21261 сконструирован автомобиль с КЭУ, работающей по параллельной схеме. Был использо-

ван бензиновый двухцилиндровый двигатель от автомобиля «ОКА» (30 л.с., 650 см3, момент 44.1 Н м) и электродвигатель постоянного тока ПТ-125-12 (£/= 120 В, момент - 49 Н м.). Электрическими накопителями служили два блока из 4-х СКА типа 6СТ-55.

В 2003 г. корпорация «Агрегат» совместно с рядом московских организаций разработала автобус массой 28 т с КЭУ, собранной по последовательной схеме. В КЭУ использован ДВС, работающий на диметилэфире, асинхронный генератор и тяговый двигатель, АБ из СКА фирмы «Оптима» с номинальным напряжением 576 В и емкостью 50 Ач. Работа была прекращена из-за отсутствия финансирования на этапе сборки опытного образца.

4.2. КЭУ на базе металло-воздушных источников тока

Принципиально металло-воздушные источники тока позволяют решить проблему обеспечения экологической чистоты производства, эксплуатации и утилизации химических источников тока, однако требуют создания дорогостоящей инфраструктуры по их эксплуатации и обслуживанию.

В России в рамках федеральной программы «Электромобиль» разрабатывалась энергоустановка на базе алюминий-воздушного МВИТ. ФГУП НПК «Альтэн» был создан и прошел испытания на электромобиле ВАЗ-2109Э МВИТ с щелочным электролитом 92ВА-240 (СУ = 110 В, N = 6 кВт, Г = 4ч, Е = 182 Втч/кг), в качестве электрического буфера в ЭУ использовалась авиационная никель-кадмиевая батарея [19].

По мнению специалистов НАМИ, алюминий-воздушные батареи в качестве источника электроэнергии для электромобиля (по десятибалльной шкале) получили оценку 7 баллов [85]. Кроме высоких энергетических характеристик от других типов электрохимических генераторов алюминий-воздуш-ные батареи отличает высокая пожаро- и взрыво-безопасность. Однако наряду с положительными качествами они имеют и определенные недостатки:

- коррозия алюминиевых электродов;

- необходимость регулярного перезаряда батареи, которая требует наличия специально обученного персонала и соответствующего технического обеспечения;

- необходимость организации переработки отработанного электролита и производства алюминиевых анодов.

В [104] отмечается, что алюминий-воздушные батареи особенно подходят при переходе от транспорта с ДВС к транспорту с ТЭ.

За рубежом кроме МВИТ с алюминиевым анодом активно разрабатываются энергоустановки с цинковым анодом. Хотя электрохимические характеристики системы цинк-воздух гораздо ниже (по-

рядка 200 Вт-ч/кг), данный тип МВИТ в настоящее время наиболее проработан и нашел практическое применение в качестве тяговой батареи на электромобилях. Это определяется, прежде всего, хорошей воспроизводимостью характеристик цинковых анодов и возможностью их использования без введения в них легирующих добавок, что значительно удешевляет утилизацию отработанного электролита. Одна из первых воздушно-цинковых батарей для электромобиля была разработана фирмой Electric Fuel Limited (Израиль). Используемые в батарее катоды не содержат металлов платиновой группы. Их ресурс составляет 1800 циклов (9000 ч) при нормальных условиях и 400 циклов (свыше 2000 ч) в экстремальных условиях эксплуатации. Цинковые аноды вставлены в кассеты, 66 кассет способны выдать 10 кВт ч электроэнергии. Батарея с максимальной емкостью 492 А ч и напряжением 320 В имеет удельную энергию 208 Вт ч/кг (243 Вт ч/л) [105].

Франция и Норвегия разрабатывают проект подводного автономного судна, использующего кислород, растворенный в морской воде, и магний в качестве топлива. Глубина погружения судна -600 м, непрерывный пробег - 1600 морских миль при скорости движения 2 м/с [ 106].

4.3. КЭУ с ЭХГ, работающими на водородосодержащем топливе

Основным недостатком, сдерживающим коммерческое использование современных бортовых ЭХГ, является их относительно высокая стоимость (от 5000 до 20000 $US/kBt) и низкий срок службы (1500-2000 ч). Для достижения конкурентоспособности ЭХГ нужно, чтобы их стоимость была снижена, а ресурс увеличен, как минимум, на порядок [107,108].

Необходимо отметить, что повышение покупательского спроса на транспортные средства с ЭХГ невозможно без принятия и практической реализации федеральной и муниципальных комплексных программ, предусматривающих введение налоговых льгот и создания необходимой инфраструктуры для их эффективной эксплуатации. Как показывает зарубежный опыт, решение этой задачи невозможно без принятия соответствующих законов и серьезного финансирования со стороны региональных и федеральных властей.

Основными типами разрабатываемых в настоящее время бортовых КЭУ являются ЭХГ на базе водородно-воздушных или метанольно-воздушных ТПТЭ. Уровень разработок - создание и испытание прототипов и опытных образцов энергоустановок с установленной мощностью от десятков до нескольких сотен кВт. Их установленная удельная мощность - 50-200 Вт/кг, КПД в номинальном режиме -до 40-55% [109, 110].

»^viiawvMviou ddivuivui^Anujiui ичпыА ODIUHUMHblX ИСТОЧНИКОВ

электрической энергии в России

В основном разработки бортовых ЭУ с ЭХГ направлены на создание экологически чистого городского транспортного средства. В частности, фирма Ballard развивает технологию ТПТЭ с 1983 г. Совместно с Daimler Benz были реализованы программы NECAR 1, 2 ... 5 (электромобиль) и NEBUS (электробус). Электромобиль NECAR-2 (1996 г.) имел дальность пробега с одной заправкой 250 км, скорость - 90 км/ч, мощность ЭХГ - 50 кВт. Хранение водорода - на крыше электромобиля в двух баллонах из полимеров, армированных графитовым волокном, каждый массой 40 кг и объемом 140 л, под давлением 250 бар. Электромобиль NECAR-3 (1997 г.) стал первым пассажирским электромобилем, использующим в качестве топлива метанол, (топливный бак объемом 40 л обеспечивает пробег 400 км) [111].

ЭУ электробуса NEBUS-ЭХГ состоит из 10-ти модулей по 25 кВт каждый. КПД ЭХГ - 60% при номинальной мощности и 40% при максимальной мощности. С учетом расхода энергии на собственные нужды на привод остается только 190 кВт. Топливо (газообразный водород) хранится в семи баллонах, размещенных на крыше. На борту имеются три сети с напряжением: 600 В - для питания привода мотор-колесо, 380 В - для системы рулевого управления и компрессора для сжатия воздуха и

24 В - для остальных потребителей, обычных для прототипа автобуса с ДВС. Заправка производится один раз в день в базовом гараже. Привод - типа мотор-колесо, применены асинхронные электродвигатели мощностью 75 кВт с воздушным охлаждением. Общий КПД системы около 30%. Такие электробусы вместимостью 60 пассажиров в настоящее время находятся в опытной эксплуатации в США и Европе (пробег до 400 км) [112].

Автобус Scania Hibrid, снабженный КЭУ с ЭХГ мощностью 50 кВт с баллонным хранением водорода (на крыше), имеет расход на 42-48% меньше, чем у серийного аналога. При рекуперативном торможении экономится до 28% энергии. На вспомогательные агрегаты автобуса тратится 17% энергии, вырабатываемой ЭХГ [113].

В зависимости от способа хранения и предварительной подготовки топлива можно выделить три основных типа бортовых топливных систем.

• Системы баллонного хранения газообразного водорода. Такие системы не требуют предварительной обработки топлива, однако имеют ряд серьезных недостатков, к которым относятся: проблемы безопасности, производства и заправки Н2, низкие массо-габаритные характеристики и высокая стоимость газообразного Н2.

• Системы интерметаллидного хранения. По сравнению с баллонными имеют более высокие удельные характеристики и являются пожаро- и взрывобезопасными.

• Системы хранения углеводородсодержащего топлива (дизтопливо, бензин, метанол, этанол, сжиженный пропан-бутан) в жидкой фазе. Система предподготовки топлива предусматривает конверсию жидкого углеводородсодержащего топлива в газовую смесь либо подачу топлива в жидкой фазе непосредственно в ТЭ (например, метанольновоздушные ТЭ), в котором осуществляется так называемая внутренняя конверсия. Несмотря на достаточно сложную систему предварительной подготовки и в ряде случаев необходимости установки дожигания выхлопа, такие системы являются наиболее перспективными, поскольку не требуют изменения сложившейся инфраструктуры станций заправки и обслуживания.

Электромобиль фирмы Renault в качестве топлива для трех батарей ТЭ общей мощностью 30 кВт использует водород криогенного хранения и имеет дальность пробега 500 км.

Электромобиль Тоуо1а RAV4 РС с ЭХГ мощностью 20 кВт при интерметаллидном способе хранения водорода имеет дальность пробега 250 км, при использовании конвертора метанола - 500 км.

Электромобиль фирмы СгуБ1ег с ЭХГ мощностью 25 кВт работает на продуктах конверсии газолина. Фирма разрабатывает систему получения водорода на борту из бензина путем его испарения, разложения паров бензина в вакууме на водород и СО, преобразуемого на катализаторе в диоксид, причем доля СО в смеси снижается с 30 до 1%. Смесь охлаждается до 80°С и поступает в ТЭ.

В последние годы разработка автомобилей с ТЭ перешла от стадии создания демонстрационных образцов к изготовлению и испытанию опытных партий (десятки машин) автомобилей [10]. В 2003 г. фирма Но^а сертифицировала серийный автомобиль РСХ, работающий при температурах от -20 °С и имеющий пробег на одной заправке до 430 км [52]. Однако стоимость такого автомобиля пока чрезвычайно высока, и, по различным оценкам, коммерческое использование автомобилей с ТЭ может начаться не ранее 2010-2015 года [114, 115].

В России разработки электромобилей с ЭХГ были начаты в конце 70 - начале 80-х годов. При этом в первых электромобилях использовали ЭХГ на основе ТЭ с щелочным электролитом. Топливом служил баллонный водород, окислителем - кислород воздуха.

В 1982 г. НПО «Квант» и заводом «РАФ» был создан первый в мире экспериментальный водородный микроавтобус «Квант-РАФ» с комбинированной энергоустановкой на основе водородо-воздуш-ного ТЭ мощностью 20 кВт и никель-цинковой аккумуляторной батарей (5 кВт ч), который был представлен на Московской международной выставке «Электро-82» и прошел экспериментальную эксплуатацию. На основе полученного опыта специа-

листы НПО «Квант» совместно с венгерскими партнерами разработали технический проект городского электробуса «Икарус» с энергоустановкой на основе водородо-воздушных щелочных топливных элементов. В качестве буферного накопителя энергии предполагалось использовать гидроаккумулирующую систему фирмы «Маннесманн». По сравнению с буфером на основе аккумуляторной батареи выигрыш по массе составил около 900 кг. Однако в связи с экономической ситуацией в Венгрии проект не был реализован.

Следует отметить, что разработанные в НПО «Квант» ЭХГ с щелочным электролитом требовали очистки воздуха от С02, выполнение которой существенно усложняло конструкцию ЭХГ (масса системы очистки составляла около 10% от общей массы). Также эти ЭХГ были сложны в эксплуатации - на время длительной стоянки они требовали слива электролита в специальную емкость, расположенную в донной части электромобиля. Кроме того, в используемых ТЭ для получения приемлемых значений мощности (порядка 50 мВт/см2) необходимо большое количество (10-20 мг/см2) драгоценных металлов.

В 2001 г. АО «АвтоВАЗ» в кооперации с РКК «Энергия» и «Уральским электрохимическим комбинатом» на базе серийного ВАЭ-2131 и ЭХГ «Фотон» разработали электромобиль «АНТЭЛ-1». Напряжение ЭХГ было увеличено с 30 до 120 В, а мощность форсирована с 11 до 20 кВт. Для хранения водорода и кислорода были разработаны баллоны с давлением 250 атм. Энергоустановка этого электромобиля не имела буферного электрического накопителя. Максимальная скорость «АНТЭЛ-1» -85 км/ч, пробег - 200 км при запасе водорода 1.2 кг [115].

В 2003 г. на Московском автосалоне был представлен электромобиль «АНТЭЛ-2», созданный на базе автомобиля ВАЗ-2110. Все узлы и системы энергоустановки размещены под полом и в подкапотном пространстве. ЭХГ был существенно переработан: в качестве окислителя использован воздух, напряжение повышено до 240 В, мощность - до

25 кВт. Водород хранится в 90-литровых баллонах при давлении 400 атм, воздух подается компрессором с расходом 100 кг/ч при давлении 3.5 атм. В ЭУ использована буферная никель-металлогидридная батарея емкостью 20 А ч, изготовленная ОАО «Аккумуляторная компания “Ригель”». Пробег электромобиля - 350 км. В настоящее время для электромобиля «АНТЭЛ-4» с учетом технологий и особенностей серийного производства и при использовании более дешевых материалов разрабатывается автомобильный вариант щелочного водородо-воздушного ЭХГ мощностью 60 кВт [116].

Разработки бортовых ЭУ с ЭХГ ведутся также применительно к объектам наземной военной тех-

ники и авиации. Например, в 2004 г. в США был продемонстрирован экспериментальный армейский автомобиль Aggressor, использующий электродвигатель, питание которого может осуществляться от ЭХГ или от аккумуляторной батареи. Эти источники энергии могут работать как вместе, так и по отдельности. ЭХГ обеспечивает работу двигателя на небольшой мощности порядка 10 кВт, при подключении аккумулятора мощность вырастает до 60 кВт, а крутящий момент достигает 2280 Н м. Максимальная скорость автомобиля - 120 км/ч, а разгон до 60 км/ч производится всего за 4 секунды. В качестве топлива используется сжатый водород. Емкость топливного бака составляет 68 л. Некоторые характеристики машины, такие как масса, пока засекречены. В качестве преимуществ использования топливных элементов в армейской технике разработчики называют низкий уровень шума, хорошие динамические характеристики, сравнимые с бензиновыми и дизельными машинами, а также возможность генерации электричества для дополнительного оборудования: средств разведки, связи, наведения и т.п. [117].

Американская аэрокосмическая компания Boeing разрабатывает одноместный самолет, который должен перемещаться в воздухе исключительно за счет двух 25-киловатгных ЭХГ. Топливные элементы будут обеспечивать электроэнергией двигатели летательного аппарата в полете. Однако для того, чтобы набрать необходимую скорость перед взлетом, самолет должен будет использовать аккумуляторные батареи. В 2003 г. при испытаниях потерпел аварию разработанный этой же компанией летательный аппарат Helios, имеющий размах крыльев 75 м, с ЭХГ на ТПТЭ мощностью 18.5 кВт [118]. Планер НК36 Super Dimona австрийского производства также оснащен батареей ТПТЭ мощностью 22 кВт, массой 78 кг [119].

5. Стационарные комплексы, использующие ВИЭ

За период 1990-2000 гг. мировое потребление энергии ветра выросло на 25%, солнечной энергии -на 20, геотермальной - на 4, в то время как рост потребления нефти составил 1, газа - 2%. Ожидается, что в Европе к 2010 г. доля ВИЭ в общем энергопроизводстве должна увеличиться с 6.25 до 12.5%, а к 2050 г. - до 50%. Общепризнано, что использование традиционных источников энергии вызывает многочисленные экологические проблемы. Однако вопрос последствий долговременного и широкомасштабного использования систем на основе ВИЭ на окружающую среду также требует тщательного изучения. В частности, использование ветроэнерго-установок уже вызвало серьезные проблемы с миграцией птиц в Северной Европе и США, не решен вопрос утилизации отслуживших свой срок солнечных батарей (СБ) [3].

электрической энергии в России

5.1. Энергоустановки на базе ветрогенераторных энергоустановок

В настоящее время одним из востребованных и быстроразвивающихся направлений возобновляемой энергетики в мире стала ветроэнергетика. Мировые ветроэнергетические ресурсы чрезвычайно велики и широко распространены. Согласно [120] технически доступная суммарная энергия ветра составляет величину порядка 53000 ТВт-ч в год, что примерно в четыре раза превышает ежегодное мировое потребление электроэнергии.

Наибольшее развитие технологии с использованием энергии ветра получили в США, Дании, Германии и Испании. На долю этих государств приходится более трех четвертей всего мирового парка ветроэнергетических установок (ВЭУ). Некоторые крупные коммерческие ветроустановки (с диаметром ветроколеса, доходящим почти до 50 м) вырабатывают ежегодно свыше 1 млн кВт-ч электроэнергии. Производительность малых автономных ВЭУ значительно меньше, но они обладают высоким КПД, доходящим до 85-90%.

Необходимо отметить, что в развитых странах Запада ветроэнергетика является самостоятельной, бурно развивающейся отраслью промышленности. Подавляющее количество производимых установок являются сетевыми и предназначены для работы в крупных энергосистемах, где ВЭУ не замещает, а дополняет другие источники энергии. Большое участие в развитии ветроэнергетики принимает государство путем введения различного вида льгот.

В России ветроэнергетики как отрасли промышленности не существует. В то же время Россия располагает значительными ресурсами ветровой энергии, в том числе в тех районах, где отсутствует централизованное энергоснабжение. В нашей стране еще в 30-х гг. прошлого века была создана первая в мире Балаклавская ветроэнергетическая станция мощностью 100 кВт, которая была разрушена во время войны. Тогда же было освоено серийное производство разнообразных ВЭУ мощностью 3-4 кВт. Однако их производство было прекращено в конце 60-х гг. [120].

В настоящее время в опытной эксплуатации находится несколько сетевых ветроэлектрических станций, использующих импортное оборудование суммарной мощностью несколько десятков МВт. Опыт их эксплуатации показал, что сетевая ветроэнергетика в России на ближайшие 10-15 лет не имеет перспектив, так как загруженность энергосистем РАО ЕЭС составляет порядка 50% от их возможностей, стоимость энергии в 2-3 раза ниже стоимости ветровой электроэнергии, а государственная поддержка ветроэнергетики отсутствует.

Более перспективным для нашей страны является развитие автономной ветроэнергетики, что свя-

зано с особенностями России, такими как огромные расстояния между населенными пунктами, низкая плотность населения на подавляющей площади территории. В настоящее время в стране насчитываются десятки тысяч локальных энергосистем, в основном базирующихся на дизель-генераторах. Часть населения страны в удаленных районах вообще не имеет электричества в связи с отсутствием дорог и трудностями с доставкой топлива для дизелей и, как следствие, высокой стоимостью электроэнергии. В этих условиях ветроэнергетика становится конкурентоспособной и выгодной. Широкое применение автономных ВЭУ в настоящее время сдерживается высокой ценой на автономные установки (3-5 $11 Б/Вт), снизить которую можно только организовав серийное производство ветроустановок.

ВЭУ как источнику энергии присущ существенный недостаток - нестабильность вырабатываемой энергии, что связано с существенной изменчивостью ветрового потока во времени. По этой причине возникают проблемы аккумулирования энергии и сопряжения ВЭУ с другими источниками энергии.

В настоящее время Россия отстает от западных производителей в области ВЭУ большой мощности, в то время как отечественные ВЭУ небольшой мощности (1-60 кВт) сегодня часто превосходят зарубежные по техническим и экономическим показателям.

ЗАО «СКБ “АТИК”» серийно выпускает ВЭУ с двухлопастным ротором, устойчиво работающие при скорости ветра 2.5 м/с и имеющие мощность 2 и

5 кВт (при 10 м/с) и выходное напряжении 120 В. ВЭУ комплектуются инвертором на 6 кВт и свинцово-кислотными аккумуляторными батареями [121].

ФГУП «Полет» разрабатывает и производит несколько серий ВЭУ с лопастными и роторными (на эффекте Магнуса) ветроколесами мощностью в десятки кВт. По оценке разработчиков, стоимость этих ВЭУ составляет порядка 1 $118/Вт установленной мощности, а стоимость производимой электроэнергии при скорости ветра 4.5 м/с - порядка 0.6-1.2 руб./кВт-ч [122].

5.2. Энергоустановки на базе солнечных батарей

Солнечная энергетика в последние годы также развивается очень интенсивно: в 2000 г. мощность фотоэлектрических установок в мире составляла порядка 1000 МВт, в 2002 г. было введено в эксплуатацию уже около 530 МВт. Прогнозируется, что в 2015 г. мощность ФЭУ только в Европе составит более 5000 МВт [123]. Двадцать лет назад один кВт-ч электричества, полученный за счет использования энергии Солнца, стоил 2.50 $№, сегодня его стоимость снизилась до 8-23 центов.

В России первый серно-таллиевый фотоэлемент с КПД, равным 1%, был создан в лаборатории академика А.Ф. Иоффе в 1938 году. Уже тогда была предложена государственная программа по оборудованию ими крыш зданий. В 1958 г. солнечные батареи на кремниевых фотоэлементах были установлены на третьем искусственном спутнике Земли и с тех пор являются основным источником электроэнергии в космосе [124]. Наземное применение СБ в России сдерживается сегодня их высокой стоимостью (4 и более ЗШ/Вт) и отсутствием государственной поддержки (в 2000 г. в России работали всего 600 фотоэлектрических станций [125]).

В США, в настоящее время занимающих 3-е место после Японии и Германии по установленной мощности эксплуатируемых ФЭУ, до 2010 г. предполагается установить СБ на 1 млн крыш. В Конгрессе обсуждается федеральный закон о 15%-ной финансовой льготе этим домовладельцам. В ряде штатов определена минимальная доля ВИЭ в производстве электроэнергии, а также предоставляются скидки (до 80%) от стоимости ФЭУ [126, 127]. Во Франции с 2003 г. хозяева ФЭУ, отпускающие электроэнергию в стационарную электросеть, стали получать государственные субсидии в размере 0.1525 евро/кВт ч [128]. В Германии в 2003 г. было выработано 45 ГВт (8% от всего количества) электрической энергии, за которую государство доплатило 1.9 млрд евро [129].

ФЭУ аналогично ВЭУ имеют существенный недостаток - количество вырабатываемой энергии зависит от времени суток и погоды. Поэтому на практике они всегда используются вместе с электрическим накопителем, причем часто в состав ЭУ входит еще один источник энергии. Например, в Южной Австралии для электроснабжения аппаратуры используется КЭУ, которая наряду с двумя блоками СБ мощностью 3 кВт и АБ емкостью 860 Ач имеет еще и дизель-генератор мощностью 10 кВт. Дизель-генератор включается только зимой не более одного раза в неделю [130]. В [131] сообщается о разработке пилотной КЭУ для энергоснабжения измерительных и управляющих систем, устройств телекоммуникации, в которой кроме солнечной и аккумуляторной батарей имеется батарея топливных элементов, работающих на метаноле.

В России восемь предприятий имеют технологии и производственные мощности для производства СБ общей мощностью 2 МВт [124]. В настоящее время производятся СБ на аморфном и монокри-сталлическом кремнии, а также многокаскадные СБ для использования в системах электропитания космических аппаратов (ОАО «Сатурн», ГНПП «Квант», АКО «Полет» совместно с НПО «Муссон» и др.), а также наземного применения в качестве источника электропитания теле- и радиоаппаратуры, зарядных устройств и др.

Для наземного применения ОАО «Сатурн» выпускает фотоэлектрические станции на широкий ряд мощностей от единиц Вт до 10 кВт и напряжением постоянного тока 12, 24, 35, 60, 110 и 220 В, а также переменного тока частотой 50 Гц с напряжением 220 В. Аккумуляторные батареи и опорные конструкции для СБ поставляются по спецзаказу [61].

ГНПП «Квант» выпускает:

• Осветительно-сигнальный светодиодный фонарь ФСС-4м. Встроенная СБ обеспечивает непрерывный автономный заряд АБ емкостью 1.3 А ч при наличии естественного или искусственного освещения. Имеется также возможность заряда АБ от сети 220 В.

• Солнечные зарядные устройства серии СЗУ с выходным напряжением 7.2 В (Р = 4-16 Вт) и 14.2 В (Р = 7.5-32 Вт).

• Автономные переносные солнечные электростанции серии ЭПС с выходным напряжением 12.5 В и мощность 50 и 100 Вт. Они комплектуются герметизированными гелевыми СКА емкостью 7.5 и 15 А ч соответственно.

• Автономная мобильная солнечная электростанция ЭМС-140 с выходным напряжением 12.5 В и мощность 140 Вт. Она комплектуется герметизированными гелевыми СКА емкостью 65 А ч, а при дополнительном заказе - электронным преобразователем на 7 номиналов напряжения от 1.5 до 12 В мощностью 100 Вт.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В утвержденной в 2003 г. «Энергетической стратегии России на период до 2020 года» констатируется, что для устойчивого развития экономики страны необходимо эффективное использование ее энергетических ресурсов, но проблемы развития высокотехнологичных направлений в автономной энергетике не нашли в ней должного отражения и, как следствие, необходимого бюджетного финансирования. В российском перечне критических технологий федерального уровня практически нет пунктов, направленных на решение вопросов создания производства перспективных ХИТ и энергетических систем на базе альтернативных источников энергии, развития водородной энергетики. Недостаточными темпами развивается законодательная база, без соответствующих изменений которой, как показал зарубежный опыт, невозможно осуществление ни одного значимого экологического проекта.

Однако имеются и положительные тенденции -крупные российские компании начали проявлять интерес к отечественным научным разработкам, а также вкладывать средства в экологические проекты. Например, затраты на охрану природы «Сургутнефтегаза» увеличились с 4.4 млрд руб. в 2003 г. до

5.5 млрд руб. в 2004 г., компания «ЛУКОЙЛ» пла-

j/vMuimui u^wxuowAWiDo DDituNuicAnujiuiичных автономных источников электрической энергии в России

нирует в 2004-2008 гг. потратить на экологию

34.5 млрд руб., компания ТНК-ВР - 1 млрд долл. на ближайшие десять лет. Компания «Норильский никель» и Российская академия наук подписали в конце 2003 г. «Комплексную программу поисковых, научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по водородной энергетике и топливным элементам». «Норильский никель» предполагает вкладывать в программу 20-40 млн долл. ежегодно для развития инфраструктуры рынка водородных топливных элементов в России.

Развитие мирового рынка и снижение стоимости ЭУ на базе возобновляемых источников энергии идёт медленнее, чем предполагалось ранее. Из-за этого, в частности, откладывается начало серийного производства ЭХГ с ТЭ рядом американских и европейских компаний. В этой ситуации российский рынок становится все более привлекательным для производителей таких ЭУ. В России около половины юррнюрии не охвачено сетями РАО «ЕЭС России». Там же имеются серьезные транспортные проблемы с централизованной доставкой традиционных видов топлива, но есть возможность использования ВИЭ, в частности местных источников какого-либо углеводородного топлива (природного газа, биогаза и др.). Эти факторы создают объективные экономические предпосылки для коммерческого использования в указанных районах России ЭУ на базе ЭХГ и других ВИЭ.

Проведенный в данном обзоре анализ показывает, что российская наука и производство сегодня все еще способны решать сложные задачи создания новых высокотехнологичных источников электрической энергии для автотранспорта, ракетно-космической техники, энергетики и других отраслей народного хозяйства. При соответствующем финансировании научно-исследовательских и проектных раои!, постановки на производство изделий новой техники со стороны государства и крупного бизнеса в ближайшие годы возможно развитие серийного производства энергоустановок различного назначения на базе высокотехнологичных химических источников тока: щелочных, твердополимерных и твердооксидных ТЭ, металло-воздушных источников тока, литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов, электрохимических конденсаторов.

Развитие широкомасштабного производства вышеназванных электрохимических систем применительно к портативным источникам тока представляется менее реальным из-за ограниченности этого сегмента российского рынка в основном потребностями специальной техники, вследствие практического отсутствия отечественного производства мобильных средств связи, ноутбуков, портативного электроинструмента.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Безруких П.П. И Альтернативные источники энергии для транспорта и энергетики больших городов: Сб. докл.: В 2 ч. М.: Изд-во Прима-Пресс-М, 2005. 4.2. С.69.

2. РЖ 22 Энергетика 22Ф. Генераторы прямою преобразования тепловой и химической энергии. 2005. №2. 05.02-22Ф.176.

3. В поисках новых энергий - американские вариации // Информ. пром. вестн. 2005. №1. С.46.

4. Казанских Е.Б. // Альтернативные источники энергии для транспорта и энергетики больших городов: Сб. докл.: В 2 ч. М.. Изд-во Прима-Пресс-М, 2005. 4.2. С.124.

5. Алексеев Б.А. // Энергетика за рубежом. 2004. №6. С.30.

6. VarleyJ. И Modified Power Syst. 2003. V.23, №9. С.12.

7. Казановский С.П., Казановский П.С., Есьман В.И., Козляков В. И. II Альтернативные источники энергии для транспорта и энергетики больших городов: Сб. докл.: В 2 ч. М.: Изд-во При-ма-Пресс-М, 2005. 4.2. С. 192.

8. Корнилов Г.С. // Альтернативные источники энергии для транспорта и энергетики больших городов: Сб. докл.: В 2 ч. М.: Изд-во Прима-Пресс-М, 2005. 4.1. С.22.

9. Hibrid electric vehicle testing released // Adv. Battery Techno!. 2004. V.40, №6. P.6.

10. РЖ 22 Энергетика 22Ф. Генераторы прямого преобразования тепловой и химической энергии. 2004. №1. 04.01-22Ф.74.

11. Таганова А.А., ПакИ.А. Герметичные химические источники тока для портативной аппаратуры. СПб.: Химиздаг, 2003.

12. Ганзбург М.Ф., Манелис С.Б., Яблочкин СБ. И Наука и технологии в промышленности. 2003. №4; 2004. №1. С 40.

13. Перспективы развития и применения литий-ионных источников тока: Материалы науч.-практ. конф. / Под ред. Ю.А. Быстрова, Н.А. Кудрявцева, Е.Н. Власова. СПб.: Отраслевые журналы, 2004.

14..Sigha G., Popov В. //Power Sources. 2004. V.I34, №1. P. 130

15. Пат. 2106724 РФ, Н01М2/26. Кислородно (воздушно)-металлический механически перезаряжаемый химический источник тока.

16. Пат. 2106722 РФ, Н01М12/04. Металловоздушный химический источник тока.

17. Пат. 6753672 США, Н01М10/46. Анодная структура, имеющая увеличенную контактную поверхность для МВИТ.

18. Пат. 2199801 РФ, Н01М12/04. Металловоздушный источник тока.

19. Севрук С.Д. и др. II Альтернативные источники энергии для транспорта и энергетики больших городов: Сб. докл.: В 2 ч. М.: Изд-во Прима-Пресс-М, 2005. 4.2. С.138.

20. Груздев А.И., Туманов В.Л. О разработках в области экологически чистых источников энергии для автономной энергетики, проводимых в АОЗТ «НТпарк». Проект «Российские зеленые страницы 1995/1996». М.: Изд-во «Soba», 1996. С.52.

21. Фонарь «СВЭЛ» // www.344.ru

22. Asano К., Hibino Т., Iwahara Н. II J. Electrochem. Soc.

1995. V. 142, №10. Р.3241.

23 Коровин Н.В. Топливные элементы и электрохимические установки. М.: Изд-во МЭИ, 2005.

24. Kobayashi Т. е! а!. II J. Power Sources. 2003. V. 115, №2.

Р.236.

25. Сыромятников B.C. 100 рассказов о стыковке и о других приключениях в космосе и на Земле. М.: Изд-во «Логос», 2004.

26. Зинин В., Аваков В. II Военный парад. 1997, май-июнь. С.82

27. Малышенко СП. // Энергия. 2003 №7. С.ЗЗ.

28. Норильский никель. Перспективы и проблемы развития водородной энергетики и топливных элементов // WWW пп. nornick.ru/upload/presentations

29. Орлов СБ. II Электронные компоненты 2000. №4. С.54.

30. Lee Bong-Do, Jung Doo-Hwan, Ко Young-Ho II J. Power Sources. 2004. V.131, №1-2. P.207.

31. РЖ 22 Энергетика 22Ф. Генераторы прямого преобразования тепловой и химической энергии. 2005. №6. 05.06-22Ф.12.

>

32. Chu Derun, Jiang Rohgzhong // Solid State Ionics. 2002. V.148, №3-4. P.591.

33. Toshiba develops world’s smallest direct methanol fuel cell // Atoms Jap 2004. V.48, №9. P. 19.

34. New battery could allow PC to run 40 h per charge // Chem. Eng. (USA). 2003. V.l 10, №8. P. 17.

35. Pede G„ Lacabazzi A., Passerini S. // J. Power Sourses.

2004. V. 125, №2. P.280.

36. VarleyJ. II Mod. Power Syst. 2003. V.23, №10. P.l 1.

37. На топливных элементах работают энергоустановки 21 века // Нефтегазовая вертикаль. 2004. №5. С.76.

38. Scok A., Eschbach S.P. Full cell reach MW class // Power (USA). 2005. V.149, №1. P.26.

39. Алексеев Б.А. II Энергетика за рубежом. 2004. №6. С.30.

40. Перфильев М.В., Демин А.К., Кузин Б.Л., Липилин А С. Высокотемпературный электролиз газов. М.: Наука, 1988.

41. Твердооксидные топливные элементы: Сб. науч.-техн. ст. Снежинск: Изд-во РФЯЦ-ВНИИТФ, 2003.

42 Домашенко А.М., Горбатский Ю.В., Передельский В.А. Скородумов Б.А. Альтернативные источники энергии для транспорта и энергетики больших городов: Сб. докл.: В 2 ч. М.: Изд-во Прима-Пресс-М, 2005. 4.2. С.213.

43. Пашов Б.М., Вдовин Н.Н., Груздев А.И., Трофимен-ко В. И. II Альтернативные источники энергии для транспорта и энергетики больших городов: Сб. докл.: В 2 ч. М.: Изд-во Прима-Пресс-М, 2005. 4.2. С.99.

44. Пат. 2224117 РФ. Морская, экологическая станция.

45. http://center.fio.ru/som/

46. Таганова А.А., Бубнов Ю.И. Герметичные химические источники тока. Способы и устройства заряда. СПб.: Химиздат,

2002.

47. Вопьфкович ЮМ., Сердюк Т.М. // Фундаментальные проблемы электрохимической энергетики: Материалы 6-й Меж-дунар. конф. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2005. С.72.

48. Пат. 2036523 РФ, H01G9/00. Конденсатор с двойным электрическим слоем.

49. Пат. 2041516 РФ, H01G9/00. Конденсатор с двойным электрическим слоем.

50. Менухов В. // Электронные компоненты и технологии. 2000. №5. С.59.

51. Michael M.S., Prabaharan S.R.S. II J. Power Sources. 2004. V.136, №2. P.250.

52. Брахман Т. // Альтернативные источники энергии для транспорта и энергетики больших городов: Сб. докл.: В 2 ч. М.: Изд-во Прима-Пресс-М, 2005. 4.1. С.ЗЗ.

53. Пряхин С. II Компонента и технологии. 2002. №2. С.8.

54. Volfkovich У.М., Shmatko Р.А. // The 8th international seminar on double layer capacitors and similar energy storage devices. Florida-Deerfieldbiasch, 1998. Spec. iss.

55. Производство электротранспортных средств. Суперконденсаторы // www.energia.ru

56. Plitz 1. et at. II J. Power Sources. 2003. V.l 13, №1. P.62.

57. Таганова A.A., Смирнов A.E. Свинцовые аккумуляторные батареи: стационарные, тяговые, для портативной аппаратуры: Справочник. СПб.: Химиздат, 2004.

58. Каменев Ю.Б. // Фундаментальные проблемы электрохимической энергетики: Материалы 6-й Междунар. конф. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2005. С.535.

59. Таганова А.А., Бубнов Ю.И., Орлов С.Б. Герметичные химические источники тока: Элементы и аккумуляторы. Оборудование для испытаний и эксплуатации: Справочник. СПб.: Хим-нздат, 2005

60. Центер Б.И., Лызлов Н.Ю. Металл-водородные электрохимические системы. Л.. Химия, 1989.

61. www.satum.Krasnodar.net

62. Rlem V. etal III Power Sources. 2004. V.136, №2. P.317.

63. Баженов М.Д. и др. // Изв. РАН. Энергетика. 2003. №5.

С.21.

64. Багоцкий B.C., Скундин Л.М. Химические источники тока. М.: Энергоиздаг, 1981.

65. Дижур М.М., Козловский А.Б., Леонов Н.И. II Тр. НАМИ. 1998. С.94.

66. Пополов А.С. Солнечный транспорт. М.: Транспорт,

1996.

67. Скундин А.М., Ефимов О.Н., Ярмоленко О.В. II Успехи химии. 2002. Т. 71, № 4. С. 378.

68. РЖ 22 Энергетика 22Ф. Генераторы прямого преобразования тепловой и химической энергии. 1995. №6. 6Ф.51.

69. www.kokam.ru.

70. Пат. 6479186 США, МПК HOI М 2/32. Литиевый аккумулятор для использования на транспортном средстве.

71. BeltJ.R. et at. II J. Power Sources. 2003. V.123, №2. P.241.

72. www.saftbatteries.com

73. Лысенко Г.П., Тибрин Г.С. II Ремонт, восстановление, модернизация. 2003. №9. С.29.

74. www.membrana.ru/new.html

75. Кедринский И.А., Яковлев ВТ. Li-ионные аккумуляторы. Красноярск: ИПК «Платина», 2002.

76. Краснобрыжий А.В. II Фундаментальные проблемы преобразования энергии в литиевых электрохимических системах: Материалы VIII Междунар. конф. Екатеринбург: Издат. дом «Зебра», 2003. С.15.

77. Вдовин Н.Н. и др. И Фундаментальные проблемы электрохимической энергетики: Материалы VI Междунар. конф. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2005. С.63.

78. Алмазов В.А. и др. И Электрохимическая энергетика.

2005. Т.5, №2. С. 120.

79. Груздев А.И. И Электрохимическая энергетика. 2005. Т.5, №2. С.90.

80. СадуорсДж., Тилли А. Сернонатриевые аккумуляторы / Пер. с англ. М.: Мир, 1988.

81. Price A., Nichols D. //Mod. Power Syst. 2003. V.23,№3. P.36.

82. РЖ 22 Энергетика 22Ф. Генераторы прямого преобразования тепловой и химической энергии. 2004. №5. 04.05-22Ф. 151.

83. Wicker К. II Power (USA). 2005. V. 149, №1. Р.34-36.

84. DustmannC.H. //.I. Power Sources. 2004. V.127,№l-2. P.85.

85. Козловский А.Б., Дижур ММ. II Автомобильная промышленность. 1992. №4. С.21.

86. www.auto.ngs.ru/reviews/more98.shtmI

87. Каменев В.Ф., Лежнев Л.Ю. Альтернативные источники энергии для транспорта и энергетики больших городов: Сб. докл.: В 2 ч. М.: Изд-во Прима-Пресс-М, 2005. 4.2. С.279.

88. Дидманидзе О.Н., Иванов С.А. Использование конденсаторов в комбинированных энергоустановках тяговых транспортных средств. М.: Триада, 2005.

89. Lee S.H., Kim S.IV.. Jung D.Y. II J. Power Sources. 2003. V.l 14, №2. P.366.

90. Chu A., BraatzP. II J. Power Sources. 2002. V I12, №1. P.236.

91. www.elektromobile.narod.ru

92. www.airsoftgun.ru

93. Орлов С.Б., Суслов B.M., Тарасов В.П. II Фундаментальные проблемы преобразования энергии в литиевых электрохимических системах: Материалы VIII Междунар. конф. Екатеринбург: Издат. дом «Зебра», 2004. С.6.

94. Груздев А.И., Кузовков А.В., Куликов Н.И. И Электрохимическая энергетика. 2005. Т.5, №2. С.94.

95. Пат. 6624616 США, H02J07/04. Портативная зарядная

станция. ,

96. РЖ 22 Энергетика 22Ф. Генераторы прямого преобразования тепловой и химической энергии. 2004. №5. 04.05-22Ф.59.

97. Пат. РФ на полезную модель №40264, B60LI1/8. Комбинированная система питания транспортного средства.

98. BaisdenA.C., Emadi А. И IEEE Trans Veh. Technol. 2004. V.53,№1. P. 199.

99. Пат. 2085413 РФ, B60L11/18. Комбинированная система питания транспортного средства.

100. Пат. 94021360 РФ, B60I.11/02. Неколейное транспортное средство.

101. Пат. 2048309 РФ, B60LU/02. Электромобиль.

102. www.akb.carclub.ru/articles/hybrid/0000002089

»

pujun i ПЛ иришоидьюа ooiwAUiCAnujlUl ИЧКЫЛ dU lUHUMHblX ИСТОЧНИКОВ

электрической энергии в России

103. Златин П.А., Семенов В.А., Ксеневич И.П. Электромобили и гибридные автомобили / Под общ. ред. IIА. Златина. М.: Афоконсалт, 2004.

104. Yang S., Knckle Н. //J. Power Sources. 2002. V.l 12, №1.

P. 162.

105. www.electric-fuel.com

106. Hasvold O. et al. II J. Power Sources. 2004. V.136, №1.

P.232.

107 РЖ 22 Энергетика 22Ф. Генераторы прямого преобразования тепловой и химической энергии. 2004. №3. 04.031-22Ф.40.

108 РЖ 22 Энергетика 22Ф. Генераторы прямого преобразования тепловой и химической энергии. 2005. №1. 05.01-22Ф.13.

109.Бродач М. М.. Шилкин Н.В. IIАВОК: Вентиляция. Отопление, Конденционирование. 2004. №2. С.52.

110. Авдиенко А.А., Морозов Ю.В., Побледнев В.М., Туманов B.J1. И Мобильная техника. 2003. №1. С.21.

111. www.autoreview.ru/exhibit/num21/tokio4.htm

112. www.stra.teg.ru/lenta/innovation/207/print

113 Anderson С. el о/. // J. Power Sources. 2003. V.l 18, №1-2. Р.349.

114. Jemain A. II Usine nouv. 2003. №2870. P.30.

115. Авдиенко А.А., Морозов Ю.В., Подледнев B.M., Туманов В.М. // Приводная техника. 2003. №4. С.35.

116. Иевлев С.Н., Мирзоев ГК. Альтернативные источники энергии для транспорта и энергетики больших городов: Сб. докл.: В 2 ч. М.: Изд-во Прима-Пресс-М, 2005. 4.2 С. 198.

117. Токарев Н.. Мирзоев Г.К. II Экология и жизнь. 2001. №6. С.35.

118. Helios lost with fuel cell // Refocus. 2003, Nov.-Dee.

P. 12.

119. Fuel cell aircraft to mark Wright centennial // Refocus.

2003. Nov.-Dee. P.18.

120. Селезнев И.С. II Наука и технологии в промышленности. 2003. №4; 2004. №1. С.47.

121. www.clean-wind.ru

122. www.polyot.su

123. РЖ 22 Энергетика 22Ф. Генераторы прямого преобразования тепловой и химической энергии. 2005. №1 05.01 -22Ф. 152.

124. www.mlt.com.ua/art.php?a=2

125. Strebkov D.S. II Гелиотехника. 2002. №4. С.З.

126. Mead Т. II Refocus. 2003. July-Aug. Р.20.

127. Solar PV incentive in the Windy City // Refocus 2003. July-Aug. P.9.

128. РЖ 22 Энергетика 22Ф. Генераторы прямого преобразования тепловой и химической энергии. 2004 №5. 04.05- 22Ф.208.

129. РЖ 22 Энергетика 22Ф. Генераторы прямого преобразования тепловой и химической энергии. 2005. №3. 05.03.-22Ф.124.

130. РЖ 22 Энергетика 22Ф. Генераторы прямого преобразования тепловой и химической энергии 2004. .№2. 04.02-22Ф.87.

131. РЖ 22. Энергетика. 22Ф. Генераторы прямого преобразования тепловой и химической энергии. 2004. №5.04.05-22Ф.26.