Примеры использования водорода, в качестве источника энергии

Первая электрическая  энергия была получена с помощью  топливного элемента еще в 1839 г. Однако бум вокруг водородной энергетики возник тогда, когда началось освоение космоса. В 60-е годы прошлого века были созданы топливные элементы мощностью до 1 кВт для программ "Джемини" и "Аполлон", в 70-80-е годы - 10-киловаттные топливные элементы для "Шаттла". У нас такие установки разрабатывались для программы "Буран" в НПО "Энергия", которое выступало координатором всей программы, но сами щелочные топливные элементы создавались в Новоуральске на электрохимическом комбинате. В те же годы были построены электростанции мощностью порядка 100 кВт на фосфорнокислотных топливных элементах. В Японии и США имеются опытные 10-мегаваттные электростанции.

С 1990-х годов и по настоящее время идет разработка топливных элементов мощностью  от 1 кВт до 1 МВт для стационарной автономной энергетики. Нужно иметь в виду, что и в автотранспорте находят применение топливные элементы, а в качестве их нагрузки - электрические двигатели. Кроме того, сейчас разрабатываются портативные источники электроэнергии (мощность менее 100 Вт) для компьютеров, сотовых телефонов, фотоаппаратов. В качестве топлива в них используется, как правило, метанол, из которого получают водород. Подзарядка элементов производится всего один раз в месяц.

Топливный элемент состоит  из ионного проводника (электролита) и двух электронных проводников (электродов), находящихся в контакте с электролитом. Топливо и окислитель непрерывно подводятся к электродам - аноду и катоду, продукты (инертные компоненты и остатки окислителя, а также продукты окисления) непрерывно отводятся от них. Основные типы топливных элементов приведены в таблице 2. По типу электролита они классифицируются на щелочные, твердо-полимерные, фосфорнокислые, расплавкарбонатные и твердооксидные; по рабочей температуре - на низко-, средне- и высокотемпературные. Замечу, что использование электродов из палладия и металлов платиновой группы приводит к повышению удельных характеристик и увеличению ресурса топливных элементов. Полимерная мембрана Nafion, применяемая в твердополимерных топливных элементах, в США и Канаде производится фирмой "Дюпон", в России аналогичные мембраны выпускает фирма "Пластполимер".

Я приводил пример топливного элемента, в электролите которого перенос заряда осуществляется ионами водорода (см. рис. 3). В других топливных  элементах носителями заряда могут  выступать ион кислорода, радикал  ОН^- или СО₃^- окислителями могут быть кислород либо воздух (рис. 4).

Таблица 3 демонстрирует  требования к чистоте водорода для  различных топливных элементов. Щелочные, твердополимерные и фосфорнокислые электролиты очень чувствительны к СО. В карбонатных и твердооксидных топливных элементах СО является топливом. Чувствительность к CO₂ щелочных элементов тоже очень высокая, но CO₂ не влияет на работу других топливных элементов. Достаточно большую чувствительность к таким примесям, как H₂S и COS, показывают все топливные элементы. Примеси отнесены к ядовитым, если их присутствие приводит к выходу из строя топливных элементов из-за отравления электродов или электролитов. В конечном счете примеси к водороду сокращают срок службы топливных элементов.

Сейчас в мире активно  разрабатываются твердополимерные топливные элементы на водороде (рис. 5,а). Считается, что они будут применяться  в основном на автотранспорте. Пока их стоимость довольно высокая: 1 кВт  установленной мощности в лучших образцах обходится в (3-5) тыс. долл. Нужно снизить стоимость 1 кВт до 100 долл., чтобы сделать твердополимерные топливные элементы конкурентоспособными на транспорте. Что касается автономной энергетики, то для нее предназначаются в первую очередь твердооксидные топливные элементы (рис. 5,б). Вырабатываемый ими 1 кВт установленной мощности стоит сейчас 3 тыс. долл., приемлемая для водородной энергетики стоимость - 1 тыс. долл. - может быть вскоре достигнута.

Топливный элемент - лишь составная часть электрохимического генератора, который содержит еще системы кондиционирования, подготовки топлива, утилизации отходов и др. (рис. 6). Первичным топливом могут быть метан, пары метанола, керосина, синтез-газ и т.д. Коэффициенты полезного действия у генераторов с топливными элементами (рис. 7) изменяются от 30% (двигатели внутреннего сгорания и газовые турбины) до 60-65% (энергоустановки с твердооксидными топливными элементами).

Вернусь еще раз к  вопросу о выбросах в атмосферу, чтобы понять важность экологического аспекта водородной энергетики. В  таблице 4 приведены предельно допустимые выбросы существующих энергоустановок. Если мы перейдем на водородную энергетику, то некоторые выбросы (NO_х и СО) снизятся на порядки, а некоторых (SO₂ и твердых частиц) вообще не будет.

Рассмотрим энергоустановку, основой которой является солнечная  батарея. Наличие солнечного света  и потребность в энергии не всегда совпадают. Когда потребление энергии незначительное, электрическая энергия от солнечной батареи может использоваться для электролиза воды и получения водорода. Водород поступает в накопитель и по мере необходимости используется для выработки электроэнергии в водородных электрохимических генераторах. Такая гибридная система, возможно, и будет основой для будущей автономной электроэнергетики.

Теперь коротко о  перспективах применения топливных  элементов на транспорте и в децентрализованной энергетике (табл. 5). В мегаваттных  установках для децентрализованной энергетики используются фосфорнокислые и расплав-карбонатные топливные элементы и метан в качестве топлива с последующим преобразованием его в водород химическими методами. На транспорте находят применение киловаттные энергетические установки с твердооксидными и твердополимерными топливными элементами.

В Японии создана энергетическая установка на топливных элементах  мощностью 100 кВт, в Германии - установка  мощностью 250 кВт, функционирующая как  небольшая автономная электростанция. Фирма "Сименс Вестигхаус" разработала гибридную энергетическую установку на твердооксидных топливных элементах. В ней мощная струя выходящих газов используется для работы газовой турбины, то есть к электрической энергии, вырабатываемой топливными элементами, добавляется электрическая энергия, вырабатываемая турбиной. Крупнейшие автомобильные компании мира ведут разработку электромобилей. В таких городах, как Амстердам, Барселона, Лондон, Гамбург, Мадрид, прошли показательные испытания городских автобусов на топливных элементах. Первая такая демонстрация состоялась в 1993 г., а наибольшее их число пришлось на 1999-2003 гг.: 60 демонстраций 17 компаний, производящих легковые автомобили, и 11 демонстраций 7 компаний, выпускающих автобусы. Компании "Дженерал Моторс" и "Даймлер-Крайслер" намереваются продемонстрировать электромобиль в 2004 г. (водород предполагается получать из бензина), компании "Баллард Пауэр Системе" и "Даймлер-Крайслер" - в 2005 г.

А как обстоят дела с водородной энергетикой и топливными элементами в России?

Надо сказать, что водородной энергетикой у нас занимаются довольно давно, поскольку эти работы имели очень большое значение для автономной энергетики в космосе  и подводном флоте. Космос и подводный  флот были фактическими источниками  средств для развития водородной энергетики. Почти 20 институтов АН СССР, а затем РАН (в Москве, Екатеринбурге и Новосибирске) решали те или иные вопросы водородной энергетики. В последние годы исследования поддерживались в основном за счет совместных контрактов с иностранными компаниями (ряд разработок, о которых я упоминал, в той или иной мере были сделаны при участии российских ученых).

На протяжении 20 лет  десятки академических институтов ведут исследования в этой области. В Институте катализа им. Г.К.Борескова СО РАН, имеющем хорошую экспериментальную базу и испытательное оборудование, изучается возможность использования металлов платиновой группы (палладия, платины и др.) для получения водорода. Здесь создан ряд катализаторов для получения водорода из метана с последующей его очисткой с помощью мембран. Что касается мембран, то очень хорошие результаты достигнуты в Институте общей и неорганической химии им.Н.С.Курнакова РАН и в Институте нефтехимического синтеза им. А.В.Топчиева РАН. В Институте электрофизики УрО РАН по совместной программе с Институтом высокотемпературной электрохимии УрО РАН разработаны методы получения нанопорошков и нанокерамики путем магнитного прессования. Генерация электрическои энергии в твердооксидных топливных элементах происходит при температуре 950^оС и плотности мощности 470 МВт/см².

Уральский электрохимический  комбинат - пионер в создании электрохимических  генераторов мощностью в десятки  киловатт. В 1971 г. здесь  был разработан электрохимический генератор  "Волна" (мощность 1.2 кВт) на щелочном топлив ном элементе для отечественной лунной про граммы, в 1988 г. - система "Фотон" (мощность 10 кВт) для "Бурана". Комбинат может выпускать такие установки по несколько штук в год. В 1999 г. для космического аппарата "Ямал" были созданы модули из двух никель-водородных  аккумуляторных батарей то есть водород можно использовать не только для топливных элементов, но и для аккумуляторов энергии.

В 1982 г. НПО Квант впервые  снабдил авто мобиль "РАФ" водородным щелочным топливным элементом. В 2001 и 2003 гг. Уральский  электрохимический комбинат, РКК "Энергия" и  АвтоВАЗ на автосалонах в Москве демонстрировали автомобиль "Лада" с электродвигателем и электрохимическим генератором "Фотон". В первой системе окислителем служил кислород, во второй - очищенный от CO₂ воздух, что существенно упростило конструкцию автомобиля. Однако и в том, и в другом случае  использовался хранящийся в баллонах водород. На одной заправке эти автомобили могут  проехать 300 км

В нашей стране для  автономной энергетики созданы различные установки с электрохимическими генераторами мощностью от 1 до 16 кВт, в том  числе корабельные мощностью 150 кВт и более.

* * *

Чем привлекательны топливные  элементы и почему их нет на рынке? К числу достоинств относятся: высокий  кпд, низкая токсичность, бесшумность, модульная конструкция (имея, скажем, киловаттные топливные элементы, можно собирать из них установки большой мощности), многообразие первичных видов топлива, широкий интервал мощности. Проникновение их на рынок сдерживается прежде всего высокой себестоимостью по электроэнергии и малым ресурсом. Наибольший ресурс у твердополимерных топливных элементов - (2-5) тыс. часов работы, требуемый же срок службы - (20-30) тыс. часов.

Что касается коммерциализации электрохимических генераторов  на топливных элементах, то около 100 компаний участвует в их демонстрационных испытаниях, достигнута установленная мощность в 50 МВт. Потребность децентрализованной стационарной энергетики (мощность электрохимических генераторов от 5 кВт до 10 МВт) -100 тыс. МВт за 10 лет. Сейчас 1 кВт установленной мощности стоит более 3 тыс. долл., приемлемая цена - 1 тыс. долл. Потребности автотранспорта в электрохимических генераторах на топливных элементах (мощность 15-100 кВт) - 500 тыс. штук в год. Сейчас стоимость одного такого генератора более 3 тыс. долл., приемлемая цена - 50-100 долл. Таким образом, необходимо многократное снижение стоимости стационарных топливных элементов и десятикратное - стоимости топливных элементов для транспорта.

Учитывая потребности  рынка, программа бюджетных инвестиций США предполагает в ближайшие 10 лет вложить 5.5 млрд. долл. в развитие технологии топливной энергетики, промышленные компании - почти в 10 раз больше.

Россия на уровне системного понимания проблемы топливных элементов  нисколько не уступает Западу. Десятки отечественных институтов так или иначе работают над этой проблемой в кооперации с международными компаниями. Отечественная компания "Пластполимер" предполагает построить в Европе один из заводов по производству полимерной пленки для твердополимерных топливных элементов. На недавней конференции в Вашингтоне американцы говорили, что покупают в Испании полимерную пленку, изготовленную по российской технологии.

Мы сильно отстали  от Запада в области традиционных технологий. Но традиционные технологии, несмотря на огромные вложения, до сих пор не позволили Западу и Японии создать топливные элементы коммерческого уровня. Нам надо обгонять Запад, не догоняя. Для этого, мне кажется, у нас есть хороший задел в области нанотехнологий, направленного синтеза материалов, тонкопленочных, лучевых технологий. Необходимо объединить достаточно мощный потенциал Российской академии наук, отраслевых институтов, Минатома РФ, чтобы быстро продвигаться вперед.

В Комплексной программе  поисковых, научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по водородной энергетике и топливным элементам запланировано исследование палладия. Металл платиновой группы палладий является одним из основных материалов для топливных элементов и всей водородной энергетики. На его основе изготовляются катализаторы, мембранные аппараты для получения чистого водорода, материалы с повышенными функциональными характеристиками, топливные элементы, электролизеры, сенсоры для определения водорода. Палладий может эффективно накапливать водород, особенно нанопорошок палладия.

Помимо водородной энергетики, палладий находит применение в катализаторах  для доочистки выхлопных газов  обычных автомобилей; электролизерах для получения водорода и кислорода  путем разложения воды; портативных  топливных элементах, в частности метанольных; твердооксидных электролизерах с электродами на основе палладия; устройствах для получения кислорода из воздуха, в том числе и в медицинских целях; сенсорах для анализа сложных газовых смесей.

Задачи Российской академии наук в развитии водородной энергетики и палладиевых технологий, по нашему мнению, следующие:

• разработка новых технологий для водородной энергетики;

• поиск и исследование новых материалов и процессов, перспективных  в области водородной энергетики;

• исследования по рациональному  и эффективному применению палладия и металлов платиновой группы в энергетике и катализе;

• научное сопровождение  со стороны академических институтов разработок промышленных технологий (мы не можем организовать серийное производство, но обязаны организовать научное сопровождение);

• разработка прогнозов  развития водородной энергетики в России;

• создание концепции  водородной экономики.

Перечислю приоритетные направления работ академических  институтов в рамках Генерального соглашения между Российской академией наук и ОАО "Горно-металлургическая компания «Норильский никель»":

• создание твердополимерных и твердооксидных топливных элементов, а также дальнейшее изучение возможностей щелочных топливных элементов, топливных  процессоров для получения водорода из углеводородных топлив;

• разработка комплексов по производству, очистке, аккумулированию, хранению и транспортировке водорода;

• создание высокоэффективных  экологически чистых энергетических установок  и электрохимических генераторов широкого класса на основе топливных элементов, в том числе для использования в бытовых электронных устройствах;

• разработка ключевых элементов  инфраструктуры водородной энергетики;