журналы подразделения новости подписка контакты home

архив
2001 год
2002 год
рубрики
ГЛАВНЫЕ СОБЫТИЯ МЕСЯЦА

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА. Ядерная энергетика

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА. Собственность

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА. Регулирование

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА. Тенденции

ТЕМА НОМЕРА. Углепром

ГАЗ И НЕФТЬ. Нефтерынок

ГАЗ И НЕФТЬ. Сектор газа

ГАЗ И НЕФТЬ. Проекты

ГАЗ И НЕФТЬ. Тенденции

гостям
Агентство "Стандарт" предлагает вам подписаться на экномические журналы – лидеры в своей области.
























"ТЭК" – №11, 2001
Приложения к статье
Таблица 1,2,3

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА. Тенденции

Топливные элементы как шаг к устойчивому развитию энергетики

Сегодня европейский истеблишмент крайне озабочен поиском таких решений проблем загрязнения атмосферы, глобальных климатических изменений и надежности энергообеспечения, которые бы не ставили под угрозу экономическое процветание, культурное наследие и будущее хрупких экосистем как стран региона, так и всего мира. Нет сомнения, что ответственность за создание и развитие критических технологий для решения указанных проблем должны взять на себя развитые страны. Топливные элементы, по мнению специалистов, как раз и принадлежат к числу таких критических технологий. Именно они являются спасительным мостиком между нынешним энергохозяйством, основанным на сжигании ископаемого топлива, и энергетикой будущего, которая будет базироваться на широком использовании возобновляемых источников энергии.

Основные принципы работы топливных элементов были открыты Уильямом Гроу еще в 1839 году. Однако прошло более 150 лет прежде чем появились материалы и технологические процессы, позволяющие использовать тот громадный потенциал, который топливные элементы внесут в дело обеспечения устойчивого развития энергетики. Нерешенные технические вопросы в настоящее время препятствуют широкому (и оправданному с экономической точки зрения) применению топливных элементов и требуют дальнейших исследований. В первую очередь, необходимо существенно сократить стоимость топливных элементов. Ограниченный же выбор топлива остается важнейшим препятствием их применения на транспорте.

Комиссар Европейского Союза по научным исследованиям Филипп Бюскуин считает, что существенные успехи могут быть достигнуты в случае целенаправленного сотрудничества исследователей и разработчиков стран-членов ЕС и других государств в сфере управления безопасностью, разработки стандартов и руководств, подготовки молодых ученых и инженеров по специальности "топливноэлементные технологии". Эффективное сотрудничество, по его мнению, поможет найти адресатов, способных решить в будущем такую критическую проблему, с точки зрения использования топливных элементов, как выбор топлива.

Индустрия производства топливных элементов находится пока в зародышевом состоянии. Однако в ближайшей перспективе ожидается ее быстрый рост как ответ на рост потребностей общества в производстве и использовании чистой энергии в динамично изменяющейся экономической среде, на которую окажет сильное влияние либерализация энергетического рынка.

Основа энергетики будущего

Ожидается, что топливные элементы будут играть основную роль в энергообеспечении будущего. В долговременной перспективе они заменят большую часть современных систем сжигания топлива во всех секторах конечного использования энергии. В средне- и долгосрочной перспективе они могут внести основной вклад в достижение экономических, социальных и экологических целей Европейского Союза — устойчивое развитие, энергосбережение, сокращение выбросов углекислого газа и других вредных загрязнителей. Топливные элементы также способствуют диверсификации энергообеспечения, так как работают на водороде, а не на углеводородном сырье. Водород можно получать из различных источников: из природного газа либо из жидких видов топлива, получаемых из природного газа, например метанола, а также из возобновляемых источников энергии.

Устойчивость является краеугольным камнем концепции долгосрочного развития и процветания Европейского Союза и всего остального мира. Сценарий "Безусловная реализация независимо от внешних неблагоприятных условий" всемирной модели развития энергетики, разработанный под эгидой Европейского Союза, предполагает, что рост мировой экономики на 3,3% приведет к удвоению энергопотребления и к удвоению порождаемых им объемов выбросов в атмосферу углекислого газа (с 6,3 млрд. т до 13 млрд. т углерода) в период между 2000 и 2030 годами. Две трети этого роста "обеспечат" индустриально развитые страны. Несмотря на то, что имеется достаточно много вариантов замены технологии сжигания топлива и энергосбережения, удовлетворяющих требованиям Киотского протокола по сокращению выбросов "парниковых" газов, Международное энергетическое агентство (International Energy Agency) отмечает, что все они влекут за собой большие отклонения от сложившихся тенденций и потребуют новых широкомасштабных политических инициатив.

Очевидно, что если ЕС хочет избежать дефицита энергообеспечения либо (что еще хуже) возможных катастрофических последствий глобального изменения климата, то обеспечение тепло- и электроэнергией в странах Европейского Союза все в большей степени будет базироваться на передовых энергетических технологиях, использующих устойчивые надежные первичные источники энергии.

Что такое топливный элемент?

Топливный элемент представляет собой электрохимический преобразователь энергии. На элементарном уровне в нем соединяются водород с кислородом, образуя воду и выделяя энергию. Будучи по существу электрохимическим устройством, он функционирует подобно аккумулятору, но, в отличие от последнего, сам по себе не запасает энергию. Наоборот, в топливном элементе осуществляется непрерывный процесс поступления жидкого или газообразного топлива из отдельной емкости и, при необходимости, выделения из него водорода в преобразователе. Затем в топливном элементе водород соединяется с кислородом воздуха, вследствие чего образуется вода и электроэнергия.

Процесс преобразования энергии в топливном элементе — в сравнении с традиционным — чист и бесшумен. Топливный элемент обладает также более высоким (например, в сравнении с двигателем внутреннего сгорания) коэффициентом полезного действия, поскольку эффективность процесса электрохимического преобразования не ограничена теми законами термодинамики, которые определяют протекание процессов горения. Обычно в топливных элементах в качестве топлива используется водород, однако могут применяться и другие виды топлива, такие как природный газ, метанол и даже уголь. Однако из них следует сначала извлечь водород с помощью преобразователя или газификатора угля. К тому же автономность транспортного средства на топливных элементах ограничена необходимостью дозаправки топливного бака жидким или газообразным топливом, которую можно осуществить так же быстро, как и дозаправку автомобиля с бензиновым или дизельным двигателем внутреннего сгорания, и обычно быстрее, чем зарядить аккумулятор электромобиля. Топливный элемент производит тепло- и электроэнергию. Их соотношение можно варьировать. В системах когенерации (комбинированного производста электроэнергии и тепла) на основе топливных элементов могут достигаться температуры в диапазоне от 80 до 800°С.

Типы топливных элементов

Существует пять основных типов топливных элементов. Все они работают с использованием водорода и кислорода воздуха (в качестве топлива) и различных электролитов (которым типы топливных элементов собственно и обязаны своими наименованиями). Кроме того, прямой метаноловый топливный элемент непосредственно преобразует метанол и кислород в воду, углекислый газ и электроэнергию. Сведения о различных типах топливных элементов и возможных сферах их применения представлены в таблице 1. Как видно из нее, MCFC (топливный элемент на жидком карбонате) и SOFC (топливный элемент на твердом оксиде) представляют собой высокотемпературные устройства, в то время как AFC (топливный элемент на щелочном электролите), PEMFC (топливный элемент на полимерной обменной мембране) и DMFC (прямой метаноловый топливный элемент) работают в диапазоне температур 80 — 100 °С, а PAFC (топливный элемент на фосфорной кислоте) - 170 — 200 °С.

Принципиальными препятствиями на пути к коммерчески эффективному использованию топливных элементов можно считать две проблемы: достижение приемлемой стоимости и выбор топлива (особенно для транспортных средств). Желательно также усовершенствовать рабочие характеристики для повышения удельной мощности и увеличения продолжительности срока службы.

Стоимость большинства демонстрационных образцов разработанных в Европе топливных элементов все еще находится за пределами коммерческой целесообразности в сравнении со стоимостью применяющихся для аналогичных целей двигателей внутреннего сгорания (см. таблицу 2). В настоящее время проводимые под эгидой Европейского Союза исследования и разработки ставят целью доказать их технико-экономическую целесообразность, высокую производительность и продолжительность срока службы, а также ожидаемую высокую эффективность, особенно в случае высокотемпературных топливных элементов.

Сравнение текущих данных о стоимости топливных элементов с ожидаемыми к 2005 году свидетельствует о ее возможном снижении в 10-20 раз для стационарных устройств генерирования электроэнергии и в 50 раз — для устройств, устанавливаемых на транспортных средствах. Для систем топливных элементов типа PAFC уже достигнута стоимость около 3200 EURO/кВт (30 таких систем проходят эксплуатационные испытания на военных полигонах). Топливные элементы иных типов, предназначенные для генерирования электроэнергии, должны достичь предкоммерческой стадии к 2004 году с показателем удельной стоимости около 2000 EURO/кВт, которая все еще будет вдвое превышать показатель конкурентоспособной стоимости. Потребуются еще 3-4 года для их подготовки к серийному производству. Некоторые автомобилестроительные фирмы уже предпринимают меры для снижения текущей удельной стоимости электрохимических источников питания с 5000 EURO/кВт до 100 EURO/кВт. Появление первых серийных образцов ожидается в Европе к 2004 году.

Снижение стоимости — трудная стадия коммерциализации для любой новой технологии, поскольку экономически целесообразное массовое производство невозможно наладить до тех пор, пока не появится достаточно высокий спрос, а он в свою очередь зависит от снижения стоимости, которого можно достичь за счет роста объемов производства.

В настоящее время именно это является ключевым вопросом коммерциализации использования топливных элементов на транспорте. Топливные элементы большинства типов работают на водороде в качестве топлива, однако в настоящее время не существует производственно-коммерческой инфраструктуры водородного топлива. Оно может храниться в сжиженном или в сжатом виде. В качестве альтернативных вариантов получения водорода можно рассматривать использование природного газа и/или других видов ископаемого топлива в виде его жидких производных таких как газолин, лигроин, метанол. Стоит отметить, что использование водорода представляет собой одно из главных направлений в технологии возобновляемых источников энергии, причем его можно получать путем электролиза воды или из биоэтанола (этанола, произведенного из биомассы). Метанол также можно синтезировать из возобновляемых источников. Значительная доля европейского парка транспортных средств может заправляться метанолом, синтезированным из добываемого природного газа. Наблюдается некоторое сближение (по характеру спроса) различных рыночных сегментов: сжиженного и сжатого водорода, метанола, газолина, лигроина. Транспортные средства на водородном топливе не образуют вредных выбросов (на выходе процесса — только вода). Для стационарных систем топливных элементов наиболее приемлемым и эффективным решением в настоящее время представляется получение водорода из природного газа.

Вопросы безопасности производства и использованиЯ водорода

Часто возникает беспокойство в отношении безопасности водорода как топлива. Действительно, водород весьма огне- и взрывоопасен. Однако при этом он чрезвычайно быстро рассеивается, а пламя горящего водорода излучает мало тепла. Обширные исследования данного вопроса были проведены в Объединенном исследовательском центре Европейского Союза "Испра" с целью моделирования последствий утечки водорода в ограниченных и неограниченных пространствах. До сих пор не зафиксировано никаких утечек, которые можно было бы считать неприемлемыми либо связанными с неуправляемым риском. Ведь в транспортных средствах, работающих на метаноле или другом жидком углеводородном топливе, производится только такой объем водорода, который необходим для выработки топливными элементами необходимого количества электроэнергии.

Существует несколько вариантов хранения водорода на борту транспортного средства на топливных элементах, непосредственно использующих водород. Все они требуют весьма сложных технологий и инфраструктуры производства, стационарного хранения и продажи сжиженного водорода (с температурой сжижения — минус 250 °С) или сжатого водорода, обычно хранимого при очень высоком давлении (300 бар). Чтобы достичь плотности сжатого водорода, обеспечивающей двигателю на топливных элементах характеристики, сравнимые с современным карбюраторным или дизельным двигателем внутреннего сгорания, следует повысить давление водорода в бортовом "баке" до 600 бар. Возможно экстрагирование водорода и из металлогидридов, однако для этого требуется их нагревание, что не сулит особого выигрыша.

Хранение водорода в углеродных нановолокнах в настоящее время привлекает внимание многих исследователей. Некоторые аналитики предвидят успешное применение этого способа, обеспечивающего безопасное хранение на борту такого количества водорода, которое позволит автомобилю на топливных элементах стать значительно "автономнее".

ПоЧему топливные элементы

важны длЯ будущего?

Основная причина того, что топливные элементы являются ключевым фактором на пути к достижению устойчивого развития энергетики, состоит в высокой эффективности электрохимического процесса превращения энергии, при котором образуется только вода и (если топливный элемент потребляет водород из углеводородного топлива) лишь пренебрежимо малые объемы оксидов углерода и азота. Корпускулярное излучение не представляет особой проблемы. Таким образом, топливные элементы по существу представляют собой чистый, эффективный и бесшумный источник энергии.

Исключительная значимость для экономики Европейского Союза автомобильной промышленности (каждое новое рабочее место в этой отрасли порождает 10 новых рабочих мест в других отраслях) и прогресс в ней обусловлены применением лидирующих и опережающих современный уровень технологий. Так, уже исследовано множество альтернативных энергетических установок с целью ослабления отрицательного эффекта от применения двигателей внутреннего сгорания на транспортных средствах (например, использование очищенного топлива, газовых турбин, электрических аккумуляторов, маховиков, комбинированных технологий). Топливные элементы представляются наиболее перспективной технологией, совмещающей очень высокий коэффициент полезного действия и нулевые (или же пренебрежимо малые) объемы выхлопных газов, низкий уровень шума, причем без ухудшения эксплуатационных характеристик транспортных средств и без сужения сферы их использования. Возможность соединения блоков топливных элементов в модули означает, что ими можно оснащать широкий спектр транспортных средств различной мощности и назначения — от легковых автомобилей до грузовиков, тягачей и автобусов. Причем столь разнообразные требования могут быть удовлетворены с помощью ограниченного числа различных типов топливных элементов, что открывает широкие возможности для их массового производства и обусловленной этим масштабным фактором существенной экономии средств. А если окажется, что та же топливноэлементная технология может применяться и для малых децентрализованных стационарных энергетических установок (например домашних бытовых установок когенерации), то объемы производства топливных элементов станут еще больше.

Мощный потенциал массового применения топливных элементов становится весьма ощутимым, если учесть уже продекларированные мировыми производителями автомобилей намерения представить готовые к серийному производству образцы автомобилей на топливных элементах в 2003-2004 году.

Если прогнозируемая себестоимость в пределах 50-100 $/кВт будет достигнута, то двигатели на топливных элементах станут конкурентоспособными относительно двигателей внутреннего сгорания, особенно если вырастут цены на топливо или же если правительства (в первую очередь развитых стран) реализуют мероприятия по стимулированию продвижения на рынки энергетически эффективных транспортных средств. Однако, как уже отмечалось, нерешенность проблемы выбора вида топлива остается главным препятствием на пути к коммерчески целесообразному использованию топливных элементов на транспорте.

В средне- и долгосрочной перспективе топливные елементы имеют значительный потенциал энергосбережения в области децентрализованной когенерации (параллельного производства электрической и тепловой энергии) в домашних хозяйствах, в отраслях, производящих услуги, и в сфере инфраструктуры национальной экономики, где допустимые издержки составляют около 300 EURO/кВт по электроэнергии. Ожидается, что рынок топливных элементов станет весьма большим, особенно если себестоимость используемых в автомобилях топливных элементов на полимерных обменных мембранах будет снижена до 50-100 EURO/кВт по электроэнергии. Традиционные бойлерные установки, производящие только тепловую энергию, будут в таком случае вытеснены установками на топливных элементах, производящими как тепло, так и электроэнергию. По результатам проведенных консалтинговой компанией "Хэглер Бэйли" исследований, потенциальная емкость рынка топливных элементов для автомобилей превышает таковую для применений в стационарных установках распределенного производства энергии в 10-50 раз. Ожидается, что и те и другие появятся на рынке одновременно (см. таблицу 3).

Комплексный эффект одновременного вторжения на рынок топливных элементов, предназначенных как для автомобилей, так и для стационарных энергетических установок, может в долгосрочной перспективе привести к значительным изменениям в структуре отраслей, связанных технологическими цепочками с автомобильной промышленностью.

ЕС продвигает

топливноэлементные технологии

Энергетическая проблематика — основной фундамент, на котором возник и развивается Европейский Союз. Европейское Экономическое Сообщество (ЕЭС) выросло из Европейского объединения угля и стали и Комиссии "Евроатом". Начиная с 1970-тых Европейское Сообщество активно поддерживает исследования и разработки по неядерной энергетике. Причем самое пристальное внимание уделяется проблематике рационального использования энергии, возобновляемым источникам энергии и ископаемым видам топлива. С 1985 года управление исследованиями и разработками в области энергетики осуществляется в процессе выполнения многолетних рамочных программ.

Финансовая поддержка Европейским Союзом исследований и разработок по топливным элементам выросла с EURO8 млн. во Второй рамочной программе (1988 — 1992 годы) до EURO54 млн. в Четвертой рамочной программе (1994 — 1998 годы). В Пятой рамочной программе (1998 — 2002 годы) особое внимание уделяется исследованиям и разработкам, призванным достойно ответить на значимые экономические, социальные и экологические вызовы современности. Такой подход, ориентированный на решение актуальных проблем, обусловил необходимость проведения консультаций с ведущими специалистами с целью разработать стратегию освоения топливноэлементных технологий. Соответствующий документ — "Европейская стратегия исследований, разработок и освоения топливных элементов на период до 2005 года" — включает проблематику технологий высоко- и низкотемпературных топливных элементов и устанавливает приоритеты и цели достижения коммерчески целесообразных уровней себестоимости и эксплуатационных характеристик. Упомянутая стратегия содержит следующие рекомендации, нацеленные на коммерциализацию топливноэлементных технологий:

Программы исследований, разработок и освоения следует сфокусировать на достижении конкурентоспособности топливноэлементных технологий, прежде всего по себестоимости и рабочим характеристикам.

Первоочередное внимание следует уделить низкотемпературным типам топливных элементов, таким как PEMFC (топливный элемент на полимерной обменной мембране) и DMFC (прямой метаноловый топливный элемент), которые обладают значительным потенциалом достижения наиболее низкой удельной себестоимости на кВт электрической мощности. Ожидается, что в среднесрочной перспективе PEMFC (топливные элементы на полимерных обменных мембранах) найдут применение в системах когенерации (комбинированного производства тепло- и электроэнергии), устанавливаемых в зданиях, а те же PEMFC и DMFC — на транспорте, хотя последнее зависит от выбора вида топлива.

Провести оценку и технико-экономическое обоснование создания и развития сетей топливных элементов, включающих централизованный преобразователь, поставляющий водород как для автозаправочных станций, так и для децентрализовнных (автономных) систем топливных элементов бытового и промышленного применения.

Необходимо разработать и реализовать целевую программу распространения информации для ознакомления широкой общественности с преимуществами топливноэлементных технологий.

Предпринять усилия по проведению исследований и разработок в области пока еще дорогостоящих высокотемпературных топливных элементов, которые открывают возможности создания систем когенерации для промышленного применения и крупномасштабного производства электроэнергии в более отдаленной перспективе.

Ограничить мощность топливноэлементных блоков и автономных систем до примерно 200-300 кВт с перспективой достижения приемлемой удельной себестоимости при непрерывной работе в течение 40 тыс. ч (эксплуатируемые газовые турбины такой мощности имеют меньший коэффициент полезного действия и более дороги в эксплуатации, в то время как загрязняющие выбросы дизельных двигателей аналогичной мощности на несколько порядков выше в сравнении с топливными элементами).

Следует предусмотреть поддержку исследований по созданию комбинированной технологии, объединяющей преимущества высокотемпературных топливных элементов и газовых турбин.

Приведенные рекомендации и приоритеты положены в основу программы "Энергетика: исследования, разработки и освоение", являющейся составной частью Пятой рамочной программы.

Для стимулирования процесса коммерциализации топливноэлементных технологий весьма желательны такие временные мероприятия как налоговые льготы, хотя их введение и будет зависеть от согласования политики на уровне Европейского Союза в целом, а также политики на национальном и местном уровнях. Например, основным политическим аргументом в пользу выведения на рынок автомобилей на топливных элементах является достижение европейским парком автомобилей средней величины выбросов углекислого газа 140 г/км к 2008 году. Правда, это произойдет лишь в том случае, если в 2005 году конференция "ЕВРО IV" примет решение ограничить загрязняющие выбросы. Хотя на уровне Европейского Союза в целом эта цель может быть достигнута путем дальнейшего совершенствования традиционных технологий и применения более чистого топлива, в то же время локальные "пятна" загрязнений могут потребовать специальных мер на местном уровне, в том числе и применения нетрадиционных технологий, таких как аккумуляторные батареи, топливные элементы или их комбинации.

Топливные элементы весьма важны для достижения базовых целей политики Европейского Союза по обеспечению устойчивого развития энергетики. В сущности, топливные элементы обеспечивают необходимую связь между основанной на ископаемых видах топлива современной энергетикой и будущими системами возобновляемых источников энергии. Присущие топливным элементам эффективность, маневренность, способность работать на различных видах топлива и модульная структура делают их заведомо приспособленными к широкому спектру разнообразных применений в стационарных и транспортных энергоустановках. Неудивительно, что многие специалисты считают, что топливные элементы будут играть в сфере энерготехнологий такую же роль как Интернет в сфере информационных и телекоммуникационных технологий.

Лидия Шейн, по материалам Fuel Cells Powering the Future

 
© агенство "Стандарт"