 
|
Энергетическое завтраА.Л.Дмитриев, гл. науч. сотр., д.т.н., ФГУП "РНЦ "Прикладная химия", Санкт-Петербург
Практически все крупные автомобильные фирмы мира проводят работы в этом направлении. Президентом США провозглашена программа создания автомобиля с «нулевой» токсичностью. В Японии поступают на рынок так называемые «гибриды», в которых в городской черте движение осуществляется благодаря аккумуляторной батареи, которая будет замещаться ЭХГ, работающем на водороде с воздухом. Однако для широкой коммерцилизации рынка ЭХГ необходимо снижение их стоимости до 100 -500долл./кВт (при современной стоимости в несколько тысяч долларов). Рассматривается применение стационарных водородных энергоустановок для получения электроэнергии и тепла на отдельных предприятиях, в отелях, жилых домах, больницах и других объектах. Это будет способствовать децентрализация большой энергетики, замене ими городских ТЭС, АЭС Для выработки электроэнергии могут использоваться как паротурбинные установки, так и ЭХГ на топливных элементах. Децентрализация позволит не только более сбалансировано обеспечивать энергией потребителей, но и избавиться от многих бед, связанных с протяженными энергосетями. Одной из проблем большой энергетики является суточная неравномерность потребления электроэнергии. Водород – единственный универсальный энергоноситель, который может аккумулировать и конвертировать электроэнергию в больших объемах. Поэтому сглаживание графика пиковых нагрузок может быть достигнуто с помощью водородных блоков, устанавливаемых на крупных ТЭС, АЭС. Затраты в сотни миллионов долларов на строительство специальных гидроаккумулирующих электростанций могут быть направлены на модернизацию и повышение эффективности работы действующих энергообъектов. Применение водородных блоков на установках ВИЭ позволяет накапливать электроэнергию в периоды отсутствия ветра, солнца или других возобновляемых источников электроэнергии. Разработка миниатюрных ТЭ для электронной аппаратуры, должна заменить собой менее эффективные существующие литиевые элементы, батарейки и др. Это направление получило название «портативная» водородная энергетика. В качестве источника водорода при этом рассматривается применение химических соединений (например, амминборатов), наноструктур, спиртов и др. Что препятствует широкому применению водородной энергетики сегодня? Камнем преткновения является практически отсутствие в природе запасов свободного водорода. Задачей водородной энергетики является получение водорода из воды. Перевод хотя бы части автотранспорта на водород потребует огромных энергетических затрат, что на сегодняшний день не выполнимо. Поэтому в настоящее время рассматриваются более дешевые методы получения водорода.Высока и стоимость капитальных затрат на создание инфраструктуры для производства, хранения, транспортировки и применения водорода в различных энергосистемах. торой проблемой является хранение водорода на борту транспортного средства. Экономически оправданным является использование водорода в транспортных системах при следующих параметрах: при плотности не менее 45 кг/м3 с массовым содержанием в баке 6-7%. В настоящее время указанные проблемы решаются разработкой специальных конструкционных материалов для создания облегченных и прочных баллонов и поиском обратимых абсорбентов водорода, отвечающих требованиям конкретных технических задач. Еще одной важной проблемой, над решением которой работают многочисленные зарубежные и отечественные фирмы, является разработка надежных и дешевых ТЭ, отвечающих требованиям по мощности и ресурсу. На сегодняшний день существуют пока лишь опытные и экспериментальные образцы транспортных и энергетических систем (не считая ракетной техники), использующих в качестве топлива водород. Например, опытные автомобили фирмы BMW имеют криогенные баки с запасом водорода, обеспечивающего пробег без дозаправки в 320 км. Существуют опытные автомобили и заправочные станции в Германии и США. Значительные успехи в разработке опытных образцов ЭХГ и водородных баков достигнуты в Японии. В нашей стране экспериментальные исследования с автомобилями и ДВС, работающими на водороде, проводились еще в 1980-е годы в Институте проблем машиностроения в Харькове. В настоящее время над водородным автомобилем работают (в порядке частной инициативы) на фирме ОАО «Автоваз», в ГНЦ РФ ФГУП «Центральном научно-исследовательском автомобильном и автомоторном институте «НАМИ» и др. Производство водорода Десятки лет водород в больших количествах производится как сырье для химической промышленности. Химики получают водород из природного газа для производства аммиака, метанола и других продуктов последующей химической переработки. Полученный таким образом водород имеет большое количество (до15%) примесей, что делает его непригодным для непосредственного применения в ТЭ или сжижения.. Поэтому требуется его дополнительная очистка до содержания основного элемента 99,999%. Затраты на очистку чуть ли не в несколько раз превосходят расходы на его получение. Универсальна и экологически безопасна технология получения водорода путем электролиза воды. Но это производство требует большого количества электроэнергии и поэтому должно быть приурочено к месту ее производства, т.е. к гидро- и атомным электростанциям. С каждым годом добыча традиционных углеводородов становится все дороже и через два–три десятка лет эти затраты сравняются с расходами на электролизные технологии. К тому же совершенствуются и сами электролизеры. Интенсивное развитие ЭХГ на водородных топливных элементах и необеспеченность их электролитическим водородом стимулировало разработку компактных реакторов (риформингов), в которых производится наработка водорода из углеводородного сырья (например, природного газа ) с его последующей очисткой и использованием в ЭХГ. Указанные риформинги предполагается использовать не только в стационарных энергоустановках, но и на транспортных системах. Рассматриваются и другие методы получения водорода для относительно небольших энергоустановок (мощностью 10-300 кВт), например, взаимодействием некоторых металлов или их гидридов с водой. Транспортировка и хранение водорода В стационарных хранилищах водород хранится в газгольдерах под небольшим избыточным давлением, в стальных сосудах под давлением 150-350 бар. или в сжиженном виде (при температуре –253°С). Проблема возникает при использовании водорода на транспортном средстве. Выше уже отмечались экономически оправданные требования к таким системам хранения. Сегодня на базе многослойных металлопластиковых композитных материалов созданы баллоны, рассчитанные на давление до 350 бар. с удельным значением массы к объему 18-20 кг/м3. Разрабатываются баллоны для давлений 700 бар. с объемной плотностью до 30кг/м3 и содержанием водорода свыше 6% масс. Это позволяет увеличить протяженность пробега автомобиля без заправки до 350км. При больших объемах лучшие показатели дает хранение водорода в сжиженном виде. В свое время, при выполнении космического проекта «Энергия-Буран», криогенная инфраструктура в нашей стране была достаточно хорошо развита и налажена. Были разработаны промышленные криогенные резервуары для транспорта. Для автозаправочных станций и небольших по объему баков потребуется создание криогенных технологий на более высоком техническом уровне. Третьим способом является хранение водорода в связанном состоянии, в металлогидридных и интерметаллидных соединениях (ИМС). Гидридные аккумуляторы основаны на способности водорода образовывать с металлами нестойкие соединения – гидриды, которые под воздействием температуры распадаются с десорбцией водорода. Из ИМС наиболее изучены соединения LaNi5 и ТiFе. Практическое использование их ограничено низкой массовой долей содержащегося водорода (1,4...1,7%) и высокой стоимостью (соответственно 50 и 25 долл./кг). Состояние с разработкой топливных элементов ТЭ со щелочным электролитом. Более дешевыми в изготовлении являются ТЭ со щелочным электролитом. Именно с их применения в 1960-е годы в ракетно-космической технике и начались работы по широкому практическому использованию ЭХГ. Так в США щелочные ТЭ успешно использовались для программы Аполлон (высадка человека на Луну). В настоящее время они стоят на космических кораблях «Шаттлах». В нашей стране ЭХГ типа «Фотон» мощностью 36 кВт на щелочных ТЭ был разработан в 1970-е годы Уральским химическим комбинатом по программе «Энергия-Буран». В этот же период в НПО «Квант» был разработан ЭХГ мощностью 280 кВт для экспериментальной подводной лодки по проекту «Катран». В щелочных ТЭ в качестве окислителя применяется кислород для исключения реакции щелочи с диоксидом углерода, содержащегося в воздухе. Топливные элементы с твердым полимерным электролитом (ТПЭ). В автотранспорте рассматривается применение в основном ТЭ с ТПЭ, в которых роль электролита выполняют фторированные и перфторированные мембраны, обладающие относительно низким сопротивлением, высокой механической прочностью и наибольшей химической стойкостью. Стоимость такой мембраны очень высока. Например мембрана Nafion фирмы Дюпон стоит более 700 долл. за 1 м2. Другой дорогостоящей составляющей на ТЭ является использование в качестве электрокатализаторов платиновой черни. Поэтому мировые фирмы (Dow Chemical, Du Pount, Ballard Power Systems, Asachi Glass Co.; в России: РНЦ “Курчатовский институт”, ЦНИИ СЭТ, Уральский химический комбинат, “Центр Келдыша” и др.) работают над снижением стоимости полимерной мембраны и уменьшением расхода платины. В энергетике рассматривается применение и других типов ТЭ, фосфорнокислотных (Tokyo Gas, Fuji Electric и др.), расплавкарбонатных (MTU и др.), твердооксидных (Westinghouse Electric Corporation и др.), позволяющих в несколько раз повысить температуру на электродах, а следовательно и КПД установок (до 60-70% выработки электроэнергии, а при комбинировании с газовой турбиной - до 80%).). В основном это крупные стационарные энергоустановки с мощностью ЭХГ от нескольких сот киловатт до 1 МВт и выше. В фосфорнокислотных топливных элементах (рабочая температура 150–2200С) в качестве электролита используется фосфорная кислота. ТЭ этого типа с ресурсом более 40 тыс. часов разрабатывались в Японии, Европе и США для стационарного энергоснабжения. Расплавкарбонатные топливные элементы с ресурсом 20 тыс. часов и рабочей температурой 600–8000С начали разрабатываться еще в 1940-е гг. Их производством сегодня занимаются такие компании, как «Fuel Cell Energy» (США) и «Motoren und Turbinen Union» (Германия). У нас разработкой этого типа ТЭ занимаются в ИВЭХ УрО РАН в Екатеринбурге и РФЯЦ ВНИИЭФ в Сарове. Твердооксидные топливные элементы первоначально разрабатывались для стационарного применения. Компанией «Siemens Westinghouse Power Corporation» были разработаны мощные энергоустановки (до 250 кВт). Сейчас ведутся эксперименты по созданию энергоустановок небольшой мощности для использования в городском автотранспорте. Отечественные организации ИВЭХ Уро РАН, РФЯЦ ВНИИТФ (г.Снежинск), ГНЦ РФ ФЭИ (г.Обнинск) также ведут разработку твердо-оксидных топливных элементов. Для очистки водородсодержащего газа от примесей используются катализаторы на основе металлов платиновой группы, поэтому системы очистки повышают стоимость водородного энергоносителя. Разработкой неплатиновых катализаторов на основе сплавов платины, а также комплексных соединений, занимаются ФГУП « РНЦ «Курчатовский институт», Институт электрохимии РАН им. А.Н.Фрумкина, химфак МГУ. Таким образом интенсивное развитие ТЭ привело к интенсификации работ по водородной энергетике в целом. Прогнозируется, что потенциальный рынок ТЭ на транспорте к 2020 году будет соответствовать суммарной мощности 57000 МВт. Наша страна, в связи с отсутствием требуемого финансирования, по данным разработкам отстает примерно на 10 лет. Впервые явление протекания электрического тока за счет химической реакции окисления было открыто более 160 лет назад У. Грувом. С тех пор мировое научно-техническое сообщество сделало определенные шаги в развитии этого направления. А уже сегодня можно сказать, что начинается третий бум водородной энергетики, когда она становится центром внимания всех энергетических программ мира. Огромный импульс развитию водородных технологий был положен в 1960-е годы в США и в нашей стране, когда стало ясно, что без использования водородного топлива невозможно вывести полезную нагрузку, необходимую для высадки человека на Луну. Именно в эти годы впервые были разработаны технологии по производству больших количеств жидкого водорода, его хранения, транспортировки, безопасного обращения с газообразным и жидким водородом. Были разработаны ракетные водородные двигатели и ЭХГ на топливных элементах. В нашей стране основная часть работ с водородом проводилась в Ленинграде в ФГУП «Прикладная химия» (бывшем ГИПХ). В дальнейшем указанные работы были продолжены по программе РКС «Энергия-Буран», по применению жидкого водорода в ЭХГ экспериментальной подводной лодки, в проверке эксплуатационных характеристик водорода в экспериментальном самолете ТУ-155.В настоящее время работы проводятся по созданию бортовой установки непрерывного получения водорода путем взаимодействия активных металлов с водой. Водородная энергетика удовлетворяет всем важнейшим требованиям, предъявляемым к энерготехнологиям – экологической чистоты, высокой эффективности и децентрализованности. В США финансирование проблемы форсированного развития альтернативной энергетики из правительственных источников и от частных компаний исчисляется миллиардами долларов в год. Оставшиеся 20–30 лет «углеводородных каникул» надо использовать на создание развитой инфраструктуры для перевода в первую очередь мирового автомобильного парка на водородное топливо, которая включает: производство водорода в промышленных масштабах с высокой степенью чистоты (99, 999%), его сжижение для транспортирования к хранилищам и местам заправки, разработку автомобильных, железнодорожных и других транспортных средств и хранилищ, либо его производство непосредственно на месте заправки, создание сети заправочных станций. Реализовать столь капиталоемкую программу невозможно без активной государственной поддержки. Приоритетными мерами здесь являются законодательное и нормативное обеспечение, организация и стимулирование исследований новых технологий, создание принципиально нового оборудования. Пока позволяют углеводородные ресурсы и время, необходимо разумно использовать шанс для технологической революции в энергетике. |
||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||