Алексей Михайлов, д.т.н., профессор, Виктор Сайданов, д.т.н., доцент, Военный инженерно-технический университет, Игорь Ландграф, инженер, ФГУП «ЦНИИ СЭТ» г. Санкт-Петербург
В настоящее время мировая потребность в энергоустановках для децентрализованного энергоснабжения по разным оценкам составляет около 50-100 тыс. единиц в год.
Традиционные газопоршневые, дизельные и газотурбинные установки имеют множество недостатков, главными из которых являются довольно низкий КПД и экологический вред.
В качестве наиболее перспективных энергетических установок для малой энергетики могут быть рассмотрены получающие всё большее распространение в мире установки на основе топливных элементов. О них сегодня рассказывают наши петербургские авторы.
Основными преимуществами установок на основе топливных элементов по сравнению с традиционными по экономическим и потребительским качествам являются:
значительно меньшие выбросы вредных веществ в окружающую среду;
значительно меньшие показатели уровня шума и вибрации;
эффективное использование топлива и высокий КПД;
низкие затраты на эксплуатацию (не требуются замена масла, присутствие оператора);
плавные вольт-амперные характеристики, высокая маневренность и эффективность во всем диапазоне нагрузок.
Физика процесса и определения
Процессы прямого преобразования химической энергии в электрическую и наоборот осуществляются в электрохимических элементах (ячейках).
Простейшая электрохимическая ячейка состоит из двух электродов, разделенных проводником второго рода (ионным проводником или электролитом). Электрод – проводник первого рода, находящийся в контакте с ионным проводником. На границе между этими проводниками возникает скачок потенциала, называемый электродным потенциалом. На электродах протекают реакции окисления восстановителя (на анодах) и восстановления окислителя (на катодах).
Совокупность окислителя, восстановителя и ионного проводника называется электрохимической системой ячейки или элемента.
Топливный элемент (ТЭ) – одна из разновидностей электрохимических элементов, существенным преимуществом которой является то, что в отличие от гальванических (первичных) элементов и аккумуляторов электроды в ТЭ в процессе выработки электрической энергии не изменяются, так как химические реагенты (топливо и окислитель) в их состав не входят, а подаются в ТЭ в момент его работы. Таким образом, схема обеспечения реагентами ТЭ подобна схемам топливоснабжения тепловых машин, однако в них достигается более высокий КПД за счет прямого преобразования химической энергии топлива в электрическую энергию.
ТЭ вырабатывают постоянный электрический ток. Напряжение ТЭ обычно не превышает 1 В, а токи, отбираемые от одного элемента, относительно невелики [1]. Для увеличения напряжения, тока и электрической мощности отдельные ТЭ соединяют между собой в батареи ТЭ.
Для постоянного получения электроэнергии необходимо непрерывно подводить в батарею ТЭ топливо и окислитель, отводить из батареи продукты реакции и теплоту. Поэтому реальная выработка электрической энергии и теплоты осуществляется в электрохимических генераторах и энергоустановках.
Электрохимический генератор (ЭХГ) – это энергоустановка, состоящая из батареи топливных элементов, систем хранения и подачи топлива и окислителя, отвода продуктов реакции и теплоты. На рис.1 представлена упрощенная структурная схема ЭХГ.
Электрохимическая энергоустановка (ЭЭУ) – это установка, предназначенная для выработки электрической энергии и теплоты, включающая в себя ЭХГ, устройства для преобразования напряжения и тока (например, инвертор) и систему утилизации теплоты, генерируемой в ТЭ, например, для теплофикации (низкопотенциальная теплота) или получения электрической энергии (высокопотенциальная теплота) в паровой или газовой турбине (в концевом цикле). На рис. 2 представлена упрощенная структурная схема ЭЭУ.
Мировая практика
Как показывает анализ, основные работы в области разработок ЭЭУ с ТЭ сосредоточены в трех регионах планеты: в Северной Америке (США, Канада), Западной Европе (Германия, Италия, Великобритания и др.), Юго-Восточной Азии (Япония, Южная Корея, Китай). Япония практически целиком сосредоточила свои усилия на разработке ЭЭУ с ТЭ для бытового применения, так называемых Homе Fuel Cells. В Европе и особенно в США практически одинаковое внимание уделяют разработкам ЭЭУ для резервного электроснабжения и ЭЭУ для совместной выработки электроэнергии и теплоты.
Сейчас в мире эксплуатируются сотни опытных ЭЭУ с ТЭ единичной мощностью от 0,01 кВт до 1 МВт. Стоимость установленной мощности ЭЭУ с ТЭ составляет 3000–10000 долларов США за 1 кВт. На сегодняшний день ни одна компания не предложила потребителям свою продукцию в промышленном масштабе, однако следует ожидать ее массового появления на рынке начиная с 2010 года. Работы по созданию промышленных ЭЭУ с ТЭ в развитых странах получают всё более широкую государственную поддержку. При этом за рубежом крупные негосударственные компании также вкладывают значительные инвестиции в разработку ЭЭУ.
В России из негосударственных компаний работы по водородной энергетике и ЭЭУ финансирует только Национальная инновационная компания «Новые энергетические проекты» (НИК «НЭП»). Успешное решение сложных задач в области водородной энергетики невозможно без реальной поддержки и участия государства. В этом плане наметилась положительная тенденция. В рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007–2012 годы» и ФЦП «Национальная технологическая база» на 2007–2011 годы на решение этих задач выделяются сотни миллионов рублей.
Классификация установок
Классификация ЭЭУ может быть произведена по различным признакам: по назначению, виду ТЭ, виду топлива и окислителя и т.п. Поскольку основой ЭЭУ является батарея топливных элементов, то в литературе [1, 3] принято классифицировать их по видам и типам ТЭ.
Существует ряд признаков, по которым классифицируются ТЭ:
по рабочим температурам (низкотемпературные – до 100 OС, среднетемпературные – до 250 OС, высокотемпературные – до 1000 OС), по типу ионного проводника-электролита (щелочной, кислотный, твердополимерная мембрана, расплавленные карбонаты, твердооксидная керамика), по виду топлива (водород, метанол) и т.п. Несмотря на то, что к настоящему времени разработано большое число различных типов топливных элементов, интерес с точки зрения практического применения представляют лишь несколько типов, а именно:
низкотемпературные топливные элементы со свободным (жидкий раствор КОН) и со связанным (пропитанная водным раствором КОН асбестовая мембрана) щелочным электролитом и топливные элементы с твердополимерной ионообменной (протонопроводящей) мембраной;
среднетемпературные топливные элементы с фосфорно-кислым электролитом (ТЭФК);
высокотемпературные топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом (ТЭРК) и с твердооксидным керамическим электролитом (ТЭТО).
Основные характеристики всех перечисленных типов топливных элементов приведены в табл. 1 [3, 4], которая дает наглядное представление об энергетической эффективности ЭЭУ. Рассмотрим основные типы ЭЭУ с топливными элементами.
Электрохимические энергоустановки на базе топливных элементов со щелочным электролитом
Топливные элементы со щелочным электролитом работают при относительно низкой температуре (60–120 OС) и потребляют в качестве топлива и окислителя соответственно водород и кислород высокой чистоты. В качестве окислителя в принципе возможно использование воздуха, очищенного от диоксида углерода и примесей, отравляющих катализатор топливного элемента.
В качестве электролита используется либо непосредственно жидкий раствор КОН, либо матрица, пропитанная раствором электролита (матричный электролит). Токообразующая реакция в водородно-кислородном топливном элементе со щелочным электролитом: 2Н2 + О2 = = 2Н2О. Т.о. единственным продуктом, образующимся при работе ЭХГ, является вода высокой чистоты, которая может быть использована для удовлетворения технологических и бытовых нужд. В 1950–1980-х годах в Англии, Германии, США, Франции и СССР проводились активные исследования и опытно-конструкторские работы по созданию ЭХГ с топливными элементами со свободным и связанным щелочным электролитом (ТЭЩЭ). В качестве электролита применялся раствор КОН, обладающий высокой электрической проводимостью.
Первая батарея ТЭЩЭ мощностью 5 кВт была сконструирована Ф. Беконом в Англии в 1952 году. Она работала при температуре 200 OС и давлении водорода и кислорода 2–4,5 МПа. Из-за высокого давления масса конструкционных материалов была очень велика, а ресурс батареи не превышал нескольких сотен часов [1].
В 1970–1980-х годах английская фирма Varta разработала и испытала несколько ЭЭУ мощностью от 0,1 до 5 кВт, имеющих ресурс около 4000 часов.
Впервые успешная попытка использования ЭЭУ с ЭХГ в качестве источника энергии для подводного аппарата была предпринята в США фирмой United Technologies Corp. (UTC), которая по заказу ВМС США создала в 1974 году ЭЭУ на базе ТЭЩЭ для подводной лодки «Дип квест», спроектированного фирмой «Локхид» [5]. В составе ЭЭУ были использованы водородно-кислородные топливные элементы со щелочным электролитом. Водород и кислород хранились в газообразном состоянии под давлением в стальных сферических емкостях.
Первый позитивный опыт американских фирм послужил толчком к активизации разработок ЭЭУ с ЭХГ в европейских странах, в первую очередь в ФРГ, которые в наибольшей степени заинтересованы в развитии подводных лодок с неатомной энергетикой.
Фирма Siemens в 1980-е годы на базе матричных водородно-кислородных ТЭ разработала транспортные ЭЭУ мощностью 6, 17,5 и 48 кВт, а также ЭЭУ для подводного аппарата мощностью более 300 кВт. ТЭ фирмы Siemens работали при температуре 95 оС, давлении водорода и кислорода 300 кПа и имели ресурс в пределах 10000 часов.
Параллельно с разработкой ЭХГ в Германии в 80-х годах были успешно решены техни
На основании успешных результатов наземных испытаний Федеральное бюро ФРГ по военной технологии (BWB) вынесло решение об установке ЭЭУ с ЭХГ на подводных лодках проекта 205 (U-1). К корпусу была добавлена секция, содержащая энергоустановку с ЭХГ.
В 1988 г. модернизированная лодка сошла со стапелей и успешно прошла ходовые испытания [5].
В 90-х годах немецкие фирмы прекратили разработки корабельных ЭЭУ с ТЭЩЭ и сконцентрировались на создании ЭЭУ на базе ТЭ с твердополимерным электролитом (ТПТЭ).
В СССР (а затем в России) разработкой ЭЭУ с ТЭЩЭ для подводных лодок занималось ленинградско-петербургское ОАО «Специальное конструкторское бюро котлостроения» (СКБК), назначенное правительством в 1978 году головным предприятием страны по ЭЭУ с ЭХГ для морских объектов. До 1986 года было разработано несколько типов энергоустановок с доведением их до макетных и опытных образцов основного оборудования.
В дальнейшем работы по одной из энергоустановок – ЭЭУ «Кристалл-20» с низкотемпературными ТЭ с жидким щелочным электролитом и газобаллонными системами хранения водорода и кислорода под давлением до 40 МПа мощностью 130 кВт были продолжены и завершены в полном объеме в 1991 году, ЭЭУ отработала в стендовых условиях и была сдана Госкомиссии [2, 6]. Продолжением работ ОАО «СКБК» по ЭЭУ явилась разработка энергоустановки с низкотемпературными ТЭ со щелочным матричным электролитом, интерметаллидной системой хранения водорода и криогенной системой хранения кислорода мощностью 300 кВт – ЭЭУ «Кристалл-27» (рис. 3) [2].
Объем выполненных работ по состоянию на конец 2000 года составил около 70%, включая незавершенный технический проект ЭЭУ и значительный объем опытных работ по основным системам и оборудованию ЭЭУ.
В 2002 году на экспериментальной базе ОАО «СКБК» была создана действующая стендовая модель ЭЭУ на базе ТЭ со щелочным матричным электролитом, интерметаллидной системой хранения водорода и криогенной системой хранения кислорода мощностью 25 кВт и проведены демонстрационные испытания, результаты которых позволили рекомендовать разработанную ЭЭУ к использованию в качестве энергоустановки для малой подводной лодки.
ЭЭУ на базе ТЭЩЭ также были разработаны для энергоснабжения пилотируемых космических объектов. В США такие ЭЭУ были созданы фирмой UTC [1], а в России – Уральским электрохимическим комбинатом (УЭХК) совместно с Российской космической корпорацией «Энергия» им. С.П. Королева [1, 7]. Эти ЭЭУ отличаются от корабельных меньшей мощностью, энергоемкостью и ресурсом ТЭ.
Анализ литературных источников свидетельствует о том, что к началу 1990-х годов большинство фирм и исследователей, работавших в области создания ЭЭУ с ЭХГ на базе ТЭЩЭ, эти работы прекратили. Это объясняется следующими причинами: необходимостью использования чистого водорода и кислорода, применения в больших количествах платиновых катализаторов, относительно невысоким ресурсом, сложностью использования низкопотенциальной теплоты, генерируемой в ТЭ, и в конечном счете высокими капитальными затратами (ориентировочная стоимость 1 кВт установленной мощности ЭЭУ составляет более 10000 долларов США).
В последнее время, например в [1], сообщается о возобновлении работ по использованию созданных для космических целей ЭХГ для электромобилей на базе автомобилей «Нива» и «Бычок» (совместные работы УЭХК, РКК «Энергия», ОАО «АвтоВАЗ» и ОАО «ЗИЛ»).
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ НА БАЗЕ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С ТВЕРДОПОЛИМЕРНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ
В топливных элементах с твердополимерным электролитом (ТПТЭ) ионным проводником является ионообменная мембрана с проводимостью по ионам водорода (протонам).
Впервые ЭХГ с ТПТЭ были разработаны американской фирмой General Electric Co. для космического корабля Geminy. ЭЭУ включала в себя ЭХГ, систему криогенного хранения топлива и окислителя и аккумуляторную батарею. В ЭХГ входили три батареи ТПТЭ мощностью 1,8 кВт и напряжением 25–30 В. Масса батареи была 31 кг, ресурс – 2000 ч.
Позднее наибольших успехов в разработке ЭЭУ с ТПТЭ достигли фирмы UTC совместно с Los-Alamos National Laboratory (США), Вallard Power Sources (Канада), Siemens (Германия) [1].
Так, фирмой Siemens в 1990-х годах была успешно завершена разработка ЭЭУ для подводной лодки U-1 на базе ЭХГ с ТПТЭ. Учитывая положительные результаты натурных испытаний подводной лодки U-1 с такой энергоустановкой, в ФРГ фирмы HDW и Thyssen выполнили проектирование и строительство новых лодок проекта 212. В настоящее время в составе ВМС Германии находятся две подводные лодки проекта 212 с комбинированной энергоустановкой, включающей энергоустановку с ЭХГ, а еще две готовятся к спуску на воду [6].
В 2001–2006 годах фирмы UTC (США), Вallard Power Sources (Канада), Siemens (Германия) создали также опытные образцы стационарных ЭЭУ с ТПТЭ мощностью от одного до сотен киловатт для объектов малой энергетики. Удельная мощность ЭЭУ при длительной нагрузке составляет 100–400 Вт/кг, ресурс – 5000–20000 часов, доля мощности на собственные нужды в зависимости от назначения и режима эксплуатации 10–20 %. Стоимость демонстрационных образцов ЭЭУ составляет по разным оценкам 4000–5000 долларов США. В СССР, а затем в России разработками ЭЭУ с ТПТЭ занимались в УЭХК, в Институте электрохимии РАН, в Российском федеральном ядерном центре – Всероссийском научно-исследовательском институте экспериментальной физики (РФЯЦ ВНИИЭФ), в Российском национальном центре «Курчатовский институт», в Московском энергетическом институте (МЭИ), а также в ОАО «СКБК». Наибольших практических результатов по созданию действующих образцов ЭЭУ с ТПТЭ в России добились специалисты направления водородной энергетики ОАО «СКБК» под руководством В.Б. Авакова.
В 2003 г. направление водородной энергетики ОАО «СКБК» вошло в состав ФГУП «Центральный научно-исследовательский институт судовой электротехники и технологии» (ФГУП «ЦНИИ СЭТ»).
В настоящее время ФГУП «ЦНИИ СЭТ» является единственной в России организацией, обладающей совместно со сложившейся кооперацией соисполнителей реальным опытом создания и сдачи государственной комиссии ЭЭУ с ЭХГ. Так, в 2004–2005 годах были разработаны аванпроекты ЭЭУ для резервного электроснабжения потребителей мощностью 5 кВт и ЭЭУ для комбинированного электро- и теплоснабжения электрической мощностью 5 кВт и тепловой мощностью 7 кВт [2, 8]. На рис. 4 в качестве примера представлены некоторые проектные решения ФГУП «ЦНИИ СЭТ».
В 2005–2006 годах по заказу Федерального агентства по науке и инновациям, в рамках Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002–2006 годы» (направление «Энергетика и энергосбережение»), ФГУП «ЦНИИ СЭТ» совместно с ФГУ РНЦ «Курчатовский институт» был разработан и создан опытный образец блочно-модульной ЭЭУ с ТПТЭ мощностью 10 кВт, которая в настоящее время проходит испытания на стендах ФГУП «ЦНИИ СЭТ». Ее рабочая температура составляет 30–80 ОС; давление 0,12 МПа, ресурс – 10000 ч. Основой ЭЭУ являются разработанные по новой технологии ФГУП «ЦНИИ СЭТ» при участии ФГУ РНЦ «Курчатовский институт» водородновоздушные топливные элементы с твердополимерным электролитом.
На рис. 5 представлено конструктивное исполнение батареи топливных элементов. Следует отметить, что в настоящее время ФГУ РНЦ «Курчатовский институт» обладает значительным научным заделом по технологиям создания ТПТЭ, а между ФГУП «ЦНИИ СЭТ» и ФГУ РНЦ «Курчатовский институт» существует соглашение о совместных исследованиях в области водородной энергетики, в том числе и по вопросам создания ЭЭУ.
В следующем номере журнала авторы рассмотрят устройство и практическую реализацию проектов ЭЭУ на базе топливных элементов с фосфорно-кислым электролитом, ЭЭУ на базе топливных элементов с расплавленным карбонатным электролитом и ЭЭУ на базе топливных элементов с твердооксидным электролитом.
Список литературы
Коровин Н.В. Топливные элементы и электрохимические энергоустановки. – М.: Издательство МЭИ, 2005. – 280 с.
Аваков В.Б. Об опыте работ ФГУП «ЦНИИ СЭТ» в области водородной энергетики // Материалы международного форума «Водородные технологии для производства энергии»/ Москва, 6–10 февраля 2006 г.
Аваков В.Б., Зинин В.И., Ландграф И.К. Автономные энергоустановки на основе высокотемпературных электрохимических генераторов для промышленных и коммунальных объектов // Теплоэнергоэффективные технологии. – 1997. – № 4. – С. 25–29.
Аваков В. Б., Зинин В. И., Ландграф И.К. Пути разработки и перспективы создания экономичной экологически чистой энергетики на топливных элементах // Российский химический журнал, т. XXXVIII. – 1994. – № 3. – С. 55–60.
Gunter Sattler. Air Independent Propulsion Systems for Submarines // Naval Forces, 1989, March, p. 71–74.
Аваков В.Б., Зинин В.И. Подводным лодкам XXI века – совершенные энергоустановки // Военный парад. – 1998. – № 5. – С. 26–28.
Худяков С.А. Энергоустановки на основе топливных элементов для пилотируемых космических кораблей // Известия РАН. Энергетика. – 2003. – № 5. – С. 48–60.
Ландграф И.К. Система получения и аккумулирования водорода и генерирования энергии на основе топливных элементов с твердополимерным электролитом как составная часть автономных источников энергоснабжения, использующих возобновляемую энергию ветра // Материалы III международного семинара «Топливные элементы и энергоустановки на их основе»/г. Екатеринбург, 31.01 – 03.02. 2006 г.