CC BY
100Водородная энергетика и транспорт Топливные элементы
Hydrogen energy and transport
Fuel cells
ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ: СОСТОЯНИЕ РАЗВИТИЯ И ПРОБЛЕМЫ
УДК 541.135
Н. В. Коровин
Московский энергетический институт (Технический университет) ул. Красноказарменная, 14, Москва, 111250, Россия Тел.: (095) 2730278; e-mail: KorovinNV@mpei.ru; nikolay.korovin@mtu-net.ru
Сведения об авторе: профессор, доктор хим. наук, засл. деятель науки и техники РФ, профессор Московского энергетического института.
Образование: химик-технолог.
Профессиональный опыт: в течение 6 лет работал на предприятиях г. Москвы мастером и начальником цеха; с 1957 г. работает в Высшей школе; стаж работы в МЭИ (ТУ) 44 года.
Область научных интересов: топливные элементы, химические источники тока, электрокатализ, водородная энергетика.
Публикации: 2 учебника, 2 учебных пособия, 5 монографий, справочник по химически источникам тока (научный редактор и соавтор), более 300 статей в российских и зарубежных журналах.
Коровин Николай Васильевич
Modern state of fuel cells (FC) and fuel cell power plants (FCPP) in the Russia and in the world and main their merits are considered. The FC and FCPP problems and ways of their solution are discussed. It is shown that parameters of FC and FCPP were recently considerably improved. Main fields of application of the FCPP are analysed. It is shown that wide FCPP application will solve many environmental and raw materials problems of power engineering and transport.
Введение
В области энергетики и транспорта в настоящее время существует ряд серьезных проблем, прежде всего сырьевых и экологических. Доля энергетики и транспорта в загрязнении атмосферы составляет около 60 %. Сырьевые и экологические проблемы обусловлены характером используемых в настоящее время процессов преобразования энергии, поэтому основным направлением решения должен быть переход на другие способы преобразования энергии, например, электрохимический с использованием электрохимических энергоустановок (ЭЭУ) на основе топливных элементов (ТЭ).
Энергоустановки на основе ТЭ обладают многими достоинствами [1—4]:
■ количество удельных выбросов вредных компонентов из ЭЭУ с ТЭ на 1,5-2,5 порядка ниже, чем из традиционных;
■ они практически бесшумны и потребляют на порядок меньше воды;
■ высокий КПД (40-70 %), относительно мало зависящим от установленных мощности и нагрузки;
■ возможность использования различных видов топлива;
■ модульный характер, быстрый монтаж, простота обслуживания;
■ когенерация тепла и воды.
Эти достоинства обеспечивают большой интерес к разработке и применению ЭЭУ с ТЭ во многих странах. Затраты на их разработку в мире достигают сотен млн. долларов в год.
К настоящему времени разработаны ЭЭУ на основе ТЭ с щелочным электролитом (ЩТЭ), фосфорно-кислым электролитом (ФКТЭ), твердо-полимерным электролитом (ТПТЭ) — ионообменной мембраной (ИОМ), расплавленным карбонатным электролитом (РКТЭ) и твердооксидным электролитом (ТОТЭ), а также разрабатываются ТЭ для прямого окисления метанола (МТЭ) (табл. 1, 2).
Таблица 1
Параметры топливных элементов
Тип ТЭ ЩТЭ ФКТЭ ТПТЭ РКТЭ ТОТЭ МТЭ
Электролит КОН, 30-40 % Н3РО4, 98 % ИОМ Li2COз + К2СО3 Zг02 + Y20з ИОМ
Температура, К 353-370 463-490 343-363 893-923 1073-1273 363-383
Восстановитель Чистый Н2 Технический Н2 Технический Н2 Н2+СО, СН4 Н2+СО, СН4 СН3ОН
Материал анода N ( С) +Pt С + Pt С + Pt № + Сг № + Zг02 С + Pt + Ru
Материал катода N (С) +Pt С + Pt С + Pt №0 + Li2O LaxSг1хMn03 С + Pt
Плотность тока, кА/м2 1,5-3,0 2,5-3,5 3-5 1,5-2,0 2,0-4,0 1,0-2,0
Напряжение, В 0,9-0,85 0,75-0,65 0,8-0,75 0,8-0,75 0,8-0,75 0,6-0,5
Ресурс, ч До 10000 До 50000 До 20000 До 20000 До 60000 —
Проблемы Потребность в Р1 Высокая чувствительность к ядам. Работа на чистом водороде Потребность в Р1 Чувствительность к ядам. Коррозия катода Потребность в Р1 Высокая чувствительность к ядам и влажности ИОМ Коррозия катода. Миграция электролита. Изменение смачивания электродов Взаимодействие твердых слоев. Технологические проблемы Отравление анода. Диффузия метанола к катоду. Пока невысокий ресурс
Таблица 2
Уровень разработок энергоустановок с ТЭ, 2002 г.
Тип ЭЭУ ЭЭУ с ЩТЭ ЭЭУ с ФКТЭ ЭЭУ с ТПТЭ ЭЭУ с РКТЭ ЭЭУ с ТОТЭ
Единичная мощность, МВт До 0,1 До 11 До 0,25 До 2 До 0,3
Суммарная мощность, МВт 2 50 2 5 1,5
Ресурс, ч 5000 До 40000 До 10000 До 10000 До 20000
КПД для СН4 электрический 35-37 37-42 35-37 55-55 50-60 и 50-70 (гибридные ЭЭУ)
КПД для СН4 при когенерации — 75-80 — 75-85 75-85
Недостатки Необходимость глубокой очистки топлива и воздуха от СО2 и каталитических ядов, трудность утилизации тепла Необходимость очистки водорода от каталитических ядов, коррозия катода при остановках и малых токах Необходимость глубокой очистки от каталитических ядов и регулирования влажности мембран, трудность утилизации тепла Недостаточный ресурс и стойкость к термоциклирова-нию, сложность обслуживания Недостаточный ресурс и стойкость к термоциклирова-нию
Преимущества Хорошая маневренность, высокая удельная мощность Когенерация тепла, высокий суммарный КПД Высокая удельная мощность, отсутствие жидкого электролита, высокая маневренность Высокий КПД, бесплатиновые электроды, возможность использования различных видов топлива Высокий КПД, бесплатиновые электроды, возможность использования различных видов топлива
Энергоустановки на основе щелочного электролита
Разработкой ЩТЭ занимались многие лаборатории и фирмы мира. Наибольших успехов достигли фирма «United Technology Co.» (UTC) и Уральский электрохимический комбинат (УЭХК) совместно с РКК «Энергия» им. С. П. Королева. В ТЭ применяются матричные электролиты и электроды с катализаторами из платины и ее сплавов. Характеристики американских и российских ЩТЭ близки друг другу (см. табл. 1).
На основе ЩТЭ созданы энергоустановки космического назначения мощностью до 27 кВт [5] (см. в табл. 2). Для специальных целей были также созданы и испытаны энергоустановки мощностью до 100 кВт. В ЭЭУ с ЩТЭ применялись чистые водород и кислород. Электроды содержали достаточно большое количество платинового катализатора, что существенно увеличивало стоимость ЭЭУ и генерируемой энергии. В последнее время УЭКХ проводит работы по улучшению параметров ТЭ и по созданию энергоустановок, работающих на недорогом топливе и воздухе [6].
Так, уменьшение толщины матрицы ТЭ с 0,4 до 0,1 мм позволило увеличить плотность мощности в 2-2,5 раза.
Энергоустановки на основе фосфорно-кислого электролита
Разработка ФКТЭ и энергоустановок на их основе проводилась в основном в США (фирмой «UTC», создавшей совместно с японской фирмой «Toshiba» компанию «IFC» и ее дочерней фирмой «ONSI», а позднее «UTCFC») и Японии (несколькими фирмами) [1-3]. В качестве электролита используется 98 %-ная фосфорная кислота в матрице из карбида кремния. Электродами служат графитовые пластины, содержащие платиновый катализатор с высокоразвитой поверхностью (более 80 м2/г) (количество катализатора 2,5 г/м2 на аноде и 5г/м2 на катоде). Характеристики ТЭ см. в табл. 1. На основе ФКТЭ созданы и испытаны энергоустановки мощностью от 12 кВт до 11 МВт, работающие на природном газе. В ЭЭУ помимо электрохимического генератора (ЭХГ) входят системы подготовки топлива (установка сероочистки, конвертор природного газа, шифт-реактор, теплообменник), водоочистки, подачи воздуха, инвертор, водонагреватель и паровой котел для теплофикации [1] (параметры см. в табл. 2). Площадь, занимаемая ЭЭУ, составляет 0,1-0,2 м2/кВт. Время запуска из холодного состояния 4 ч, маневренность в рабочем состоянии 11 % мощности за минуту. Фирма «ONSI» создала и реализовала более 250 коммерческих ЭЭУ мощностью 200 кВт. Российская фирма «Оргэнерггаз» купила энергоустановку с ФКТЭ РСТМ200 и в 2004 г. запустила ее в эксплуатацию. После ликвидации «ONSI» работы продолжает фирма «UTCFC». Энергоустановка напряжением 230 В (постоянный ток) и 400 В (переменный ток) генерирует теплоту (вода при 80 °С и пар при 120 °С). Тепловая мощность ЭЭУ 733 МДж/ч, суммарные выбросы оксидов азота, монооксида углерода и углеводородов составляют 0,1 г/кВтч, уровень шума — 60 дБ за 10 м. Установка работает в автоматическом режиме и требует лишь регламентных работ. Из-за высокой стоимости (порядка $3000 за кВт) и недостаточного ресурса, обусловленного в основном деградацией катода, интерес к ЭЭУ с ФКТЭ в США и Европе постепенно ослабевает, однако в Японии энергоустановки по-прежнему активно совершенствуются.
Энергоустановки на основе твердополимерного электролита
Топливные элементы. В ТПТЭ электролитом служит ионообменная мембрана, обладающая проводимостью с переносом заряда ионами водорода. Так как электролит имеет кислотный характер, то он не карбонизуется, поэтому в ТПТЭ можно применять воздух и технический
водород, содержащий С02 [1]. Современный этап развития ТПТЭ начался с разработки фирмой «Du Pount» перфторированной мембраны Nafion, обладающей высокой химической и термической стойкостью, приемлемой ионной проводимостью и газонепроницаемостью. Разработка я ТПТЭ и энергоустановок на их основе ведется в ^ США, Канаде, Германии, России (РНЦ «Курча- * товский институт»), Японии, Швейцарии и дру- | гих странах. Наибольших успехов добилась ка- -надская фирма «Ballard Power Systems». |
За последние годы характеристики ТПТЭ ^ существенно улучшились благодаря оптимиза- | ции состава электродов и технологии нанесения S Pt-катализаторов и уменьшению толщины мем- g бран. Для расширения зоны реакции электроды 0 пропитываются раствором твердого электролита [7]. Оптимизация состава электродов и технологии нанесения катализаторов позволила снизить содержание платиновых катализаторов с 10 г/см2 до 0,5-1 мг/см2 и ниже. Толщина мембран Nafion снижена с 0,35 мм до 0,2/ 0,18 мм (Nafion-117), 0,127 мм (Nafion-115) и 0,05/0,06 мм (Nafion-112) [8] (в числителе указаны толщины в сухом, в знаменателе — в набухшем состояниях). С уменьшением толщины мембраны заметно улучшаются вольтамперные характеристики ТЭ, но снижается ее ресурс, поэтому существует оптимальная толщина мембраны, зависящая от технологии и конструкции ТЭ и режима его работы. Цена мембраны Nafion сейчас составляет $600-700 за 1 м2.
Фирма «Dow Chemical», изменив состав боковой цепи, разработала мембрану, имеющую более высокую электропроводность, благодаря чему более толстые, чем мембраны Nafion, мембраны Dow имеют меньшие сопротивления. Например, ТПТЭ с мембраной Dow XUS-13204.10 толщиной 0,125 мм имеет такую же вольтампер-ную характеристику, что и ТПТЭ с мембраной Nafion 112 толщиной 0,051 мм. Стоимость мембран Dow-XUS13204.10 и Nafion на единицу мощности примерно одинакова и составляет $135 на 1 кВт при напряжении 0,65 В и $230 на 1 кВт — при напряжении 0,75 В. Японская фирма «Asachi Glas Co.» [8] создала мембрану Flemion толщиной 0,02-0,2 мм, параметры которой несколько лучше, чем у мембраны Nafion (по данным фирмы, ее удельная электропроводность 0,1 0м/см).
Фирма «Ballard Advanced Materials» (Канада) [8] предложила более дешевую мембрану с меньшей степенью фторирования, чем мембраны Nafion, Dow и Flemion. Начальные вольтамперные характеристики ТПТЭ с этими мембранами были близки к характеристикам ТПТЭ с мембранами Nafi-on-112 и Dow. В России АО «Пластполимер» разработана и выпускается небольшими партиями мембрана МФ-4СК, близкая по составу и свойствам к мембранам Nafion (обобщенные характеристики ТПТЭ различных фирм см. в табл. 1). Плот-
ности тока и мощности (до 0,4 Вт/см2 при длительной работе и 0,6 Вт/см2 при кратковременных пиковых нагрузках) у ТПТЭ выше этих параметров других типов ТЭ.
При разработке и эксплуатации ТПТЭ воз-
„ никает ряд проблем. Так как ТПТЭ работают
<с
£ при относительно невысоких температурах, то
* Р"Ь-катализаторы очень чувствительны к ката-1 литическим ядам, прежде всего к СО, который
* может присутствовать в анодных газах после | конверсии метанола или природного газа. Пред-
си
^ ложено несколько способов предотвращения | отравления катализатора: применение допол-^ нительного реактора-дожигателя СО в системе § подготовки топлива [9]; введение в анодный о газ кислорода или воздуха (не более 2 %); применение устойчивых к отравлению катализаторов, например, Pt-Ru [10]. Применение катализатора-сплава и введение небольших количеств кислорода в анодный газ позволяет повысить толерантность анода к примеси СО до 200 ррт и выше.
Вторая проблема работы ТПТЭ — регулировка влажности. Вода в ТПТЭ образуется на катоде, кроме того, она поступает к катоду за счет диффузии ф1) и электроосмоса (ЭО) с протонами. От катода в результате диффузии ф2) вода переносится к аноду и испаряется в циркулирующий воздух. В результате этих процессов содержание воды в мембране возрастает у катода и уменьшается у анода. При недостатке воды снижается электропроводность мембраны, при избытке воды ухудшаются характеристики катода. Для предотвращения значительного перепада влажности анодный газ увлажняют, а в катодной камере ускоряют циркуляцию воздуха. Необходимость регулирования и сохранения влажности мембраны создает проблемы эксплуатации ТПТЭ при температурах ниже 0 °С.
Электрохимические энергоустановки. На основе ТПТЭ созданы энергоустановки мощностью до 250 кВт, работающие на водороде, природном газе или метаноле. Установка включает в себя ЭХГ, системы подвода водорода и воздуха, отвода тепла, автоматики и кондиционирования тока и напряжения (инвертор, трансформатор). В случае применения метанола или природного газа ЭЭУ также имеет систему подготовки топлива. Удельная мощность ЭХГ с ТПТЭ 400 Вт/кг. Обобщенные параметры ЭЭУ см. в табл. 2.
Основная проблема для специалистов многих стран — это снижение затрат. В структуре стоимости установки наибольшая часть приходится на ионообменные мембраны (ИОМ). Хотя за последние годы стоимость мембран снизилась примерно в 1,2-2 раза и составляет $130-300 на 1 кВт, однако необходимо снизить их стоимость до $10-25 на 1 кВт в транспортных ЭЭУ и до $50-100 на 1 кВт — в стационарных. Стоимость установки может быть снижена путем
увеличения плотности мощности мембраны, упрощения и удешевления вспомогательных систем, но с одновременным увеличением ресурса установки минимум в 2 раза.
Метанольные топливные элементы
В последние годы уделяется большое внимание разработке топливных элементов с прямым окислением метанола (МТЭ). Исследования ведутся в США, Японии, Германии, Англии, Канаде и других странах [11, 12]. Это обусловлено большим количеством электричества, которое можно получить при электроокислении метанола (5Ач/г), его невысокой стоимостью, простотой хранения, возможностью окисления при невысоких температурах. В качестве электролита МТЭ обычно используется ИОМ, например, Nafion. Катализаторами воздушных электродов служит платина на углеродистых носителях, а на аноде — Pt-Ru. Для ускорения реакции повышают температуру до 90-130 °С, увеличивают давление до 2-5 бар, применяют электроды с относительно большим содержанием платины (2-4 мг/см2) на каждом электроде. Серьезной нерешенной проблемой МТЭ является проникновение метанола к катоду, вызывающее потерю топлива и уменьшение напряжения. Эта проблема может быть решена созданием катода, толерантного к метанолу, или электролита, непроницаемого для метанола. Как видно из табл. 1, в МТЭ получены относительно высокие плотности тока, но ресурс их пока очень мал. По своим параметрам разработанные метаноль-ные ТЭ пока не могут конкурировать с ТПТЭ транспортного назначения. В последние годы ме-танольные ТЭ применяются в качестве механически перезаряжаемых источников тока для портативных приборов [13].
Энергоустановки на основе расплавленного карбонатного электролита
Топливные элементы. Электролитом является расплавленная смесь карбонатов лития и калия (62:38 масс. %) в порах матрицы из LiAlO2; рабочая температура 620-650 °С. Благодаря высокой температуре можно применять электроды без платиновых катализаторов: на аноде обычно используется никель, легированный хромом, на катоде — литированный оксид никеля. Топливом может быть не только водород, но и монооксид углерода. В реакции на катоде наряду с кислородом участвует диоксид углерода, который выделяется из продуктов анодной реакции и вводится в катодный газ. РКТЭ разрабатываются в США, Японии, Германии, Нидерландах и других странах. В России исследования и разработки РКТЭ ведутся в ИВТЭ УрО РАН. Обобщенные параметры разработанных в мире РКТЭ приведены в табл. 1. Достигнуты плотность мощности до 1,5 кВт/м2
и ресурс непрерывной работы до 2,5 лет, разработаны ТЭ с внутренней конверсией. Одна из задач разработчиков — увеличение ресурса ТЭ минимум в 2-3 раза. Ресурс РКТЭ в значительной мере определяется стабильностью катода: оксид никеля растворяется в карбонатном электролите и, восстанавливаясь на аноде, образует дендриты, вызывающие короткие замыкания ТЭ. Кроме того, происходит деградация катода. Повысить ресурс ТЭ можно заменой К2СО3 на Na2CO3 и введением добавок Са или Ва в электролит, модифицированием оксида никеля оксидами кобальта и железа [14], заменой оксида никеля модифицированным оксидом кобальта. Решаются задачи так же повышения стабильности матричного электролита и уменьшения испарения электролита.
Электрохимические энергоустановки. К настоящему времени разработано, смонтировано и испытано большое число энергоустановок, включая ЭЭУ мощностью до 1 МВт (Япония — более 5000 ч) и 2 МВт (США — 4000 ч) [14, 15]. Энергоустановки включают системы подготовки топлива, подачи реагентов, кондиционирования тока и напряжения и использования тепла. Некоторые ЭЭУ включают паротурбинную установку (ПТУ). Параметры ЭЭУ приведены в табл. 2.
Разработаны энергоустановки с внешней и внутренней конверсией. Внутренняя конверсия осуществляется как непосредственно в ТЭ (прямая конверсия на катализаторах в анодной камере) и в конверторах, встроенных в батарею ТЭ (непрямая конверсия). Разработчики отдают предпочтение внутренней конверсии. По оценкам разработчиков капитальные затраты на энергоустановки к 2005 г. не превысят $2000 за 1 кВт, а к 2010 г. — $1000-1200 за 1 кВт. Начало коммерциализации ЭЭУ с РКТЭ ожидается к 2005-2010 гг.
Энергоустановки на основе твердооксидного электролита
Разработка ТОТЭ ведется многими фирмами и организациями США, Японии, Германии, Италии, Франции, Англии и других стран. В России работы ведутся в ИВТЭ УрО РАН (г. Екатеринбург), ФГУП «РФЯЦ-ВНИИТФ» (г. Сне-жинск), ГНЦ «Физико-энергетический институт» (г. Обнинск), Специальное конструкторское бюро котлостроения (СКБК) (г. С.-Петербург), ВНИИХТ (г. Москва), МЭИ(ТУ) и других организациях.
Электролитами в ТЭ обычно служат смешанные оксиды циркония и иттрия, ^Ю2)(0 9-0 92)-^203)(0 1-0 . Толщина электролита за последние годы снижена с 0,25 до 0,04 мм [1, 17]. Большое внимание обращается на изучение твер-дооксидных электролитов с протонной проводимостью, например, ВаСе09М01О3 [16]. Практического применения в ТЭ они пока не получили из-за наличия некоторых нерешенных проблем, например, обеспечения стабильности.
Материалы электродов и коммутаций элементов. В качестве анодного материала применяется кермет, состоящий из никеля и твердого электролита. Толщина анода 0,10-0,2 мм [17]. Катодным материалом обычно служит сложный манганит LaxSr1-xMnO3. Толщина несущего катода 1,5-2,2 мм. Для коммутации элементов i обычно применяют хромит лантана толщиной k 0,08-0,09 мм. Дополнительным материалом то- £
а
коотвода служит никелевый войлок [18]. ^
Конструкции ТЭ. Наиболее распространена J пока трубчатая конструкция с несущим като- ^ дом или твердым электролитом. Также исполь- i зуется планарная конструкция, которую актив- тз но развивала фирма «Siemens», но в последние g годы отказалась от нее в связи с созданием кон- ^ струкции, обеспечивающей более высокие характеристики [19]. Разработкой планарных ТЭ занимаются ряд других фирм и организаций, в том числе и в России [19].
Рабочие температуры и давление. С повышением температуры растет электропроводность электролита, уменьшается поляризация и чувствительность электродов к ядам, но из-за взаимодействия электролита и катодных материалов с образованием слоев с малой проводимостью снижается ресурс, поэтому выбирается компромиссная рабочая температура 850-1000 °С. В большинстве ТЭ реагенты подаются под атмосферным давлением. В последние годы создаются ТЭ, работающие под давлением 3-4 бара [19].
Технологии изготовления ТЭ. Несущий катод ТЭ обычно получают методами экструзии или прокатки шликера, состояшего из порошка основного компонента, полимера и растворителя, с последующим спеканием [1, 17, 18, 20]. Остальные слои получают способами плазменного напыления, электрохимического газового напыления, термолиза металлорганических соединений с осаждением компонентов и др. [1, 20]. Большое внимание уделяется снижению толщины слоев. В работах ВНИИТФ показано, что применение исходных материалов в виде нанопо-рошка улучшают характеристики слоев. Существенное удешевление ТЭ обеспечивается автоматизацией технологических процессов.
Характеристики ТЭ. Обобщенные характеристики ТЭ приведены в табл. 1. Благодаря совершенствованию ТЭ за последние 10 лет плотность тока увеличилась примерно вдвое, а ресурс — в 5 раз. Удельная мощность ТЭ фирмы «Siemens-Westinhouse» за последние 5 лет возросла в 2 раза по массе (до 200 Вт/кг) и в 3 раза — по объему (до 400 Вт/л) [21]. Новые конструкции и технологии производства ТЭ обеспечивают повышение производительности труда и снижение стоимости. Например, стоимость ТЭ фирмы «Siemens-Westinghouse» за последние 5 лет снизилась в 6 раз [21].
Электрохимические энергоустановки с ко-генерацией тепла. ЭЭУ имеет систему подготовки топлива. В последние годы конверторы при-
родного газа, как правило, включают непосредственно в батарею ТЭ (внутренняя конверсия). В состав ЭЭУ входят системы кондиционирования тока и напряжения, нагрева воды и генерации пара (для теплофикации) и система автоматики. Обобщенные параметры ЭЭУ приведе-^ ны в табл. 2.
* К настоящему времени созданы и испытаны
ЭЭУ с когенерацией тепла с электрической мощ-- ностью >100 кВт. Ресурс их достигает 20 тыся-
и
ч часов. Энергоустановка мощностью 109 кВт ^ (электрической) и 63 кВт (тепловой) работает в 1 Голландии с 1997 г. на природном газе с КПД 3 46 % (электрический) и 80 % (суммарный). Вы-§ брос оксидов азота составил 0,2 ррт. Оксиды о серы, углеводороды и СО в выбросах не обнаружены [21]. «Siemens-Westmghouse» с 2001 г. испытывает энергоустановки мощностью 250 кВт и планировала с конца 2003 г. выпускать коммерческие энергоустановки [21]. ЭЭУ с ТОТЭ разрабатываются также в России (ФГУП «РФЯЦ-ВНИИТФ», ГНЦ «ФЭИ» и СКБК), Японии, Италии и других странах.
Гибридные энергоустановки. В ТОТЭ генерируется не только электроэнергия, но и высокопотенциальная теплота, которую можно использовать в концевом цикле газотурбинной установки (ГТУ), ПТУ или парогазовой установки (ПГУ). Установку, включающую ЭХГ и ГТУ или другую концевую установку, назвали гибридной, а при высоких значениях мощности ее называют гибридной электрохимической электростанцией (ЭЭС). Включение концевого цикла позволяет увеличить КПД энергоустановки.
Идея гибридных ЭЭУ известна давно [1], однако воплотила ее в средине 2000 г. фирма «Siemens-Westinghousе»: она начала испытание ЭЭУ мощностью 186 кВт, в том числе 164 кВт ЭХГ (постоянный ток) и 18 кВт — газовая микротурбина (переменный ток) [21]. ЭЭУ работала на природом газе. Отходящие из ТЭ при 850 °С газы поступали в турбину, где вырабатывалась дополнительная электроэнергия. Планируется, что вновь проектируемые ЭЭУ будут работать без обслуживания. Рассчитывается, что выбросы СО2 будут ниже 350 г/кВтч, оксидов азота — ниже 0,5 ррт, а выбросы оксидов серы, СО и твердых частиц будут отсутствовать; уровень шума ниже 75 дБ на расстоянии 5 м от ГТУ. Подготовлен проект гибридной ЭЭУ мощностью 1 МВт с КПД около 60 % и аналогичными экологическими показателями. Предполагается, что затраты на энергоустановку могут быть снижены до $1000 за 1 кВт.
Перспективы применения энергоустановок
К настоящему времени наметились три основных направления применения ЭЭУ с ТЭ: автономное энергоснабжение отдельных объектов электроэнергией и теплом; электроснабжение транспорта (электромобили); крупномасштаб-
ная генерация энергии. Кратко остановимся на двух из них.
Автономное энергоснабжение отдельных объектов электроэнергией и теплом. Автономные стационарные энергоустановки с ТЭ мощностью до нескольких мегаватт могут применяться для обеспечения электроэнергией и теплом (и при необходимости водой) отдельных поселков, отдаленных районов, островов, кооперативов, ферм, коттеджей, больниц, супермаркетов, газопроводов, вахтовых бригад, геологических партий, метеостанций и т. д. По сравнению с заменяемыми дизель-агрегатами и электростанциями малой мощности они имеют более высокий КПД и экологически более безопасны. Для этой цели уже применяются установки с ФКТЭ, рассматривается возможность использования энергоустановок с ТПТЭ и ТОТЭ. Применение ЭЭУ с ТЭ обеспечит значительное энергосбережение, так как КПД установки в 1,5 раза выше КПД дизель-агрегата, и экологическую безопасность. Возможность их широкого применения появится при снижении стоимости до $15001000 на 1 кВт в США, Европе и Японии и $800500 на 1 кВт — в России. Выбор типа энергоустановки будет определяться, в первую очередь, экономическими факторами. Ожидается начало массового применения ЭЭУ с ТЭ для автономного энергоснабжения после 2005 г. В России использование автономных ЭЭУ особо актуально, так как более 60 % территории страны не имеет централизованного энергоснабжения. В России эксплуатируется около 50 тысяч дизельных и бензиновых электроагрегатов, которые ежегодно потребляют около 8 млн. тонн моторного топлива. Замена хотя бы половины из них на энергоустановки обеспечит экономию 1-2 млн. тонн моторного топлива в год. В настоящее время в России эксплуатируется большое число электростанций мощностью от 1 до 30 МВт с суммарной мощностью около 5 ГВт, которые расходуют более 5 млн. тонн условного топлива (более 1,510й МДж). Их средний КПД ниже 30%. Замена электростанций на энергоустановки обеспечит экономию порядка 2,5 млн. тонн условного топлива в год.
Транспортные энергоустановки. В настоящее время все более актуальны экологические и топливные проблемы транспорта. В автомобилях применяется очень ценное топливо, запасы которого ограничены. Транспортные средства расходуют около трети топливных ресурсов, причем с низким КПД (25-35 %). Автомобили представляют собой серьезную экологическую опасность для окружающей среды и человека. Доля выбросов от автомобилей составляет 70 % общего количества по СО, 39 % — по N0^, 30 % — по углеводородам и 22 % — по твердым частицам.
Наиболее оптимальным путем решения экологических и топливных проблем транспорта считается применение электромобилей, над созда-
нием которых работают ведущие фирмы мира, в том числе и в России [1, 5, 12, 22, 23]. В качестве энергоустановок электромобилей рассматриваются аккумуляторы и ЭЭУ на основе ТЭ. Испытания, проведенные на транспортных устройствах, показали, что ЭЭУ с ТЭ, и прежде всего ЭЭУ с ТПТЭ, соответствуют основным требованиям, предъявляемым к энергоустановкам на транспорте. Преимущества: низкий уровень выбросов, высокие удельная мощность и КПД; применение ЭЭУ на транспорте позволит решить проблемы энергосбережения и экологии. Стоимость пробега электромобиля на метаноле на 1 км пути близка к стоимости пробега автомобилей с двигателем внутреннего сгорания. Однако затраты на создание ЭЭУ с ТПТЭ в настоящее время на два порядка выше, чем на ДВС. Потребуется не менее 10 лет, чтобы решить проблему снижения стоимости энергоустановки с ТЭ до $100-150 за кВт. Необходимо также снизить содержание платины до 0,1-0,3 г/кВт. В этом случае для замены 10 % автомобилей на электромобили с ЭЭУ потребуется от 20 до 60 % платины, расходуемой в настоящее время ежегодно.
В последние годы в мире снова проявляется интерес к ЭЭУ на основе ЩТЭ, предназначенным для электромобиля [5]. Их применение станет возможным с решением проблемы карбонизации электролита, увеличения ресурса и снижения стоимости установки.
Заключение
Характеристики ТЭ, особенно ТПТЭ и ТОТЭ, и энергоустановок на их основе за последние десять лет значительно улучшились: увеличились удельная мощность и ресурс, снижена стоимость; в перспективе — возможность широкого применения ЭЭУ в энергетике и на транспорте; уже существуют коммерческие энергоустановки. Применение ЭЭУ выведет энергетику и транспорт на качественно новый уровень развития.
Список литературы
1. Коровин Н. В. Электрохимическая энергетика. М: Энергоатомиздат, 1991.
2. Коровин Н. В. Электрохимические энергоустановки на основе топливных элементов // Теплоэнергетика. 1994. № 1. С. 22-24.
3. Коровин Н. В. Электрохимическая энергетика // Изв. РАН. Сер. Энергетика. 1997. № 4. С. 49-65.
4. Коровин Н. В. Состояние топливных элементов и перспективы их развития // Топливные элементы и энергоустановки на их основе. Обнинск, 2000. С. 6.
5. Голин Ю. Л., Матренин В. И., Поспелов Б. С. и др. Щелочные топливные элементы для транспортных средств // Там же. С. 31-34.
6. Grigorov E., Korovin N., Hudjakov C. The electrochemical direct current generanor for space system "Buran" // Abstr. 42 ISE Meeting. Montreux. 1991. 1-18.
7. Lee S. J., Mukerjee S., McBreen J. et al // Abstr. Joint Meeting of ESA and ISE. Paris, 1997. P. 224.
8. Коровин Н. В., Кулешов Н. В. Твердо-полимерные электролиты для топливных элементов // Электрохимическая энергетика. 2000. Т. 3. С. 3-6.
9. Watanabe M., Igarashi H., Uchida H. Selective Oxidation of Carbon Monoxide from Hydrogen-rich Fuels over Platinum Catalyst Supported on Zeolite // Abstr. Joint Meeting of ESA and ISE. Paris, 1997. P. 71.
10. Schmidt V. M., Stimming U. Fuel cell systems for Vehicle application // New promising electrochemical systems for rechargeable batteries. Dordrecht: Kluwer Academic Publischers, 1996. P. 233-246.
11. Hogarth M. P., Ralph T. R. Catalysis for low temperature fuel cell // Platinum Metals Rev. 2002. Vol. 46. P. 146-164.
12. Гогель В., Фрей Т., Керес Е. и др. Проблемы развития метанольных топливных элементов // Электрохимическая энергетика. 2002. Т. 2. С. 18-26.
13. Багоцкий В. С., Осетрова Н. В., Скун-дин А. М. Топливные элементы: современное состояние и основные научно-технические проблемы //Электрохимия. 2003. Т. 39. С. 1027-1045.
14. Баталов Н. Н., Александров К. А., Вечер-ский С. И. и др. Основные проблемы при создании коммерческих батарей топливных элементов // Топливные элементы и энергоустановки на их основе. Обнинск, 2000. С. 24-30.
15. Eichenberger P. N., O'Shea T. P. Update on the World's first 2-MW carbonate fuel cell demonstration // Fuel Cell Seminar. 1992. P. 183.
16. Пальгуев С. Ф. Высокотемпературные протонные твердые электролиты. Екатеринбург: УрО РАН, 1998.
17. Липилин Ф. С., Кузин Б. Л. Развитие конструкций и технологий в высокотемпературных устройствах с твердооксидным электролитом // Топливные элементы и энергоустановки на их основе. Обнинск, 2000. С. 20.
18. Сasanova A. C., Veyo S. E. Demonstrating market performance//Siemens Power J. 2001. № 1. P. 14-17.
19. Межерицкий Г. С., Рыжков А. Н., Руж-ников В. А.,Храмушин Н. И. Разработка ЭУ на пленарных ТОТЭ // Обнинск: Изд-во ГНЦ «ФЭИ». 2000. С. 78.
20. Kordesh K., Simader G. Fuel Cells and their application. Weihheum: VCN, Verlagsgeselschaft, 1996.
