Понятие - «водородная энергетика» сформировалось в середине 70-х г. XX столетия. Водородную энергетику можно определить как научно-техническое направление, охватывающее проблемы получения, хранения, транспортировки и использования водорода. По мере развития этого направления становились все более очевидными экологические и энергоресурсосберегающие преимущества водородных технологий в различных областях экономики. Успехи в развитии ряда водородных технологий (в первую очередь, таких как топливные элементы и системы хранения и получения водорода) продемонстрировали, что использование водорода приводит к качественно новым показателям в работе установок и систем, а выполненные технико-экономические исследования показали, что хотя водород является вторичным энергоносителем, его применение во многих случаях экономически оправдано и эффективно.
Работы в области водородной энергетики в большинстве промышленно развитых стран относятся к приоритетным направлениям развития науки и техники и находят все большую финансовую поддержку, как со стороны государства, так и со стороны частного капитала.
В этом плане Россия отличается от зарубежных промышленно развитых стран в худшую сторону. Если финансовая поддержка, инвестиции в развитие водородной энергетики со стороны государства ощущается, то активности в этом вопросе со стороны частного бизнеса незаметно.
Следует отметить, что технологии водородной энергетики в большинстве стран Евросоюза, в США, Японии, а также в России, включены в перечень критических технологий, от уровня развития которых зависит энергетическая безопасность страны.
Результаты разработок последних лет, обостряющиеся энергетические и экологические проблемы определяют основные направления развития нового рынка водородных технологий и использования водорода в качестве экологически чистого энергоносителя в ближайшей перспективе и общие для всех стран направления НИОКР.
Наблюдаемое в мире в последние десятилетия резкое увеличение интереса к водороду как к горючему и энергоносителю определяется следующими его основными особенностями:
во-первых, запасы водорода практически не ограничены;
во-вторых, водород - универсальный вид энергоресурса, он может использоваться в качестве горючего для производства электричества в рабочих циклах различного типа и в качестве энергоносителя для транспортировки в газообразном, жидком и связанном состояниях;
в-третьих, при помощи водорода возможна аккумуляция энергии;
в-четвертых, среди прочих видов топлива водород отличается наибольшей теплотворной способностью на единицу массы и наименьшим отрицательным воздействием на окружающую среду.
Принцип работы энергоустановок на топливных элементах
Топливные элементы относятся к химическим источникам тока.
Топливный элемент - электрохимическое устройство, подобное гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне - в отличие от ограниченного количества энергии, запасенного в гальваническом элементе или аккумуляторе.Топливные элементы осуществляют превращение химической энергии топлива в электричество, минуя малоэффективные, идущие с большими потерями, процессы горения.Топливный элемент в результате высокоэффективного «холодного горения» топлива непосредственно вырабатывает электроэнергию.Хотя открытие топливного элемента англичанином У. Гровом произошло сравнительно давно, в 1838 г., их интенсивное развитие началось всего несколько десятилетий тому назад, особенно после создания твердополимерного электролита. Топливные элементы являются ключевым звеном в энергоустановках, работающих на водородном топливе.
Состав и конструктивные особенности ЭУ с ТПТЭ
Топливные элементы не являются конечным рыночным продуктом, во-первых, мощность единичного ТЭ достаточна мала, во-вторых, ТЭ не могут функционировать без соответствующей инфраструктуры. ТЭ конструктивно оформляются в батареи топливных элементов (БТЭ), которые представляют собой сборку параллельно-последовательно соединенных топливных элементов для набора напряжения, тока и мощности, оснащенную устройствами подачи топлива и окислителя, отвода продуктов реакции (вода) и теплоты.
Следующий уровень - электрохимический генератор (ЭХГ) - это энергоблок, состоящий из батарей топливных элементов, систем хранения и подачи топлива и окислителя, отвода продуктов реакции и теплоты.
Электрохимическая энергоустановка на топливных элементах (ЭУ с ТЭ) - 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). Внешний вид конструкции ЭУ с ТПТЭ и конструкции батареи ТЭ представлен на рис. 3. Образец является совместной разработкой 2006 года с ФГУП «Курчатовский институт».
ЭУ на базе ТПТЭ, работающая на природном газе и воздухе, в общем случае включает в себя:
батареи БТЭ с протонообменной мембраной (ПОМ);
систему подготовки и подачи топлива, включая конвертор природного газа;
систему подготовки и подачи воздуха;
систему термостатирования;
систему пожаровзрывобезопасности, включая контур инертного газа и средства газового анализа атмосферы;
систему преобразования и коммутации электроэнергии;
систему автоматического управления и контроля.
Преимущества ЭУ с ТЭ относительно ЭУ теплового цикла
Актуальность широкого внедрения ЭУ с ТЭ в экономику связана, прежде всего, с истощением запасов топлива и ухудшением экологической ситуации.В этом смысле энергетические установки на топливных элементах вне конкуренции. Их коэффициент полезного действия по электричеству может достигать 70% (комбинированные высокотемпературные ЭУ), а количество вредных выбросов на несколько порядков ниже, чем у энергоустановок машинного типа. Именно это явилось причиной и движущей силой интенсивного развития в последние годы водородной энергетики во всем мире.Итак, основными преимуществами ЭУ с ТЭ 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;
высокая маневренность и эффективность во всем диапазоне нагрузок.
Современное состояние индустрии топливных элементов
Обзор разработок ЭУ с ТЭ за рубежом
Для всего промышленно развитого мира водородная энергетика и ЭУ с ТЭ давно уже не экзотика, а одно из самых перспективных научно-технических направлений развития экономики и один из самых перспективных и желанных инновационных продуктов, стремительно завоевывающий рынки малой, рассредоточенной, автономной энергетики, уже нашедший применение в стационарной и транспортной энергетике, занимая обширную область от портативных источников тока мощностью в десятки и сотни ватт до достаточно крупных энергоустановок, мощность которых составляет несколько мегаватт.
В развитых и развивающихся странах Европы, Азии и Америки действуют национальные программы развития водородной энергетики и началось внедрение ЭУ с ТЭ в различные отрасли хозяйства при поддержке государства. Так в Японии по национальной программе NEDO с 2005 года установлено более 2000 энергоустановок с ТЭ для домашнего использования, суммарная наработка которых составила 4,87 млн. кВт*ч. В США при поддержке государства только одной компанией UTC Power установлено 278 стационарных электростанций PureCell(TM) 200, которые наработали суммарно более 1 млрд. кВт*ч. Интенсивные исследования и опытные работы по созданию энергоустановок судового назначения с использованием топливных элементов ведутся в Финляндии, Норвегии и Швеции. Анализ статистических данных стационарных ЭУ с ТЭ различных производителей, находившихся в эксплуатации в мире в 2008 году.
Как видно из таблицы 2 в 2008 году большинство из находящихся в эксплуатации ЭУ с ТЭ разработаны на основе твердополимерных топливных элементов. Это связано с хорошими конструктивно-технологическими и эксплуатационными качествами, присущими данному типу ТЭ, а также наибольшей степенью коммерциализации. По данным авторитетного международного аналитика в области водородной энергетики компании FuelCallToday в последние годы динамика превалирования на рынке ЭУ на основе ТПТЭ не только сохранилась, но и значительно усилилась. Если в 2008 году доля ЭУ с ТПТЭ составляла 43,2%, то в 2012 году их доля составила 90,6% по количеству и более 41,9% от суммарной мощности всех ЭУ с ТЭ, находящихся в эксплуатации.
По данным FuelCallToday за последние годы произошли крупные сдвиги в области разработки новых систем на основе ТЭ и их коммерциализации. Так, общее количество систем топливных элементов (не считая макеты и наборы учебных материалов), поставленных в 2011 году, составило 24 600 шт., что на 39% больше, чем в 2010 году. Рост поставок произошел, в основном, благодаря расширению стационарного сектора. Годовая установленная мощностьвсех ЭУ с ТЭ впервые с момента коммерциализации этой отрасли превысила 100 МВт.
Из всех регионов, первое место по количеству поставленных в 2011 году ЭУ с ТЭ заняла Азия, куда было отправлено 17 000 установок (69% от мирового рынка). Больше всего мощных ЭУ с ТЭ в 2011 году было произведено в Северной Америке (59,6 MВт) -50% от общего количества; Азия заняла второе место (36%).
По прогнозам FuelCallToday топливные элементы с протонообменной мембраной (ТЭ с ПОМ) останутся лидерами по количеству поставок в 2013 году (по типу электролита), также увеличатся продажи твердооксидных топливных элементов для стационарных применений.
Стационарные ЭУ с ТПТЭ
Поставки систем топливных элементов для стационарных энергетических установок в 2011 году значительно увеличились по сравнению с 2010 годом по всем категориям. Эта сфера применений включает в себя крупные стационарные системы (как правило, более 100 кВт) в качестве основного источника электроэнергии и систем меньшего размера (менее 50 кВт, как правило, менее 10 кВт) для мини установок комбинированного производства электроэнергии и тепла и для систем бесперебойного электроснабжения. Повышение спроса привело к увеличению количества поставок систем и установленной мощности (в мегаваттах). За 2011 год было поставлено более 16 000 стационарных систем, а количество выработанной электроэнергии превысило 81 МВт. Для сравнения, в 2010 году было поставлено 8 300 систем и выработано 35 МВт электроэнергии; рост составил 94% и 133%, соответственно. Это увеличение поставок стало возможным благодаря объединению ряда факторов:
большее количество продукции после усовершенствования стало поступать на рынок;
существующие установки стали более надежными;
продолжили выделяться льготные тарифы и субсидии, убеждая клиентов в выборе ЭУ с ТЭ;
появилось желание клиентов в обеспечении энергетической безопасности и достижении независимости от единой электросети, в частности в Японии и США.
Помимо этого, продукция на основе топливных элементов является более удобной, надежной и безопасной при эксплуатации, чем другие представленные на рынке технологии, которые, например, не удовлетворяли потребности в обеспечении резервного электропитания для телекоммуникационной сети.
Технология топливных элементов с протонообменной мембраной начинает проникать на рынок ЭУ с ТЭ большой мощности благодаря компании Dantherm (дочерней компанией BallardPowerSystems), поставляющей 50 кВт ЭУ с ТПТЭ компании GSPlatech в Корею для выработки электроэнергии с использованием отходов и 150 кВт ЭУ с ТПТЭ в Южную Африку для одной из англо-американских компаний по добыче платины. Компания Ballard также изготавливает 1 МВт системы топливных элементов с протонообменной мембраной CLEARgenTM, начало поставок которых намечена на 2013 год. В 2011 году на заводе Solvay в Лилло (рядом с г. Антверпен) по производству хлора была установлена ЭУ с ТПТЭ мощностью 1 МВт компании Nedstack. Система будет работать на водороде, который является побочным продуктом от деятельности завода.
Опыт создания ЭУ с ТПТЭ в филиале «ЦНИИ СЭТ»
История отечественных разработок направления водородной энергетики
Филиал «ЦНИИ СЭТ» ФГУП «Крыловский государственный научный центр» имеет многолетний опыт создания энергоустановок на основе топливных элементов (ЭУ с ТЭ), в том числе специального назначения, располагает модернизированной опытно-производственной и испытательной базами водородной энергетики и значительным научно-техническим заделом в области водородной энергетики. На протяжении более 30 лет предприятием проводились научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, связанные с развитием водородной энергетики:
в 1991 году создан опытный образец ЭУ с ТЭ первого поколения мощностью 130 кВт для морского объекта, образец сдан межведомственной комиссии и рекомендован к внедрению;
в 2002 году создан действующий демонстрационный образец ЭУ с ТЭ второго поколения для морского объекта, большей мощности и более совершенный по основным характеристикам и конструкции;
на основе ТЭ с протонообменной мембраной создано более двух десятков действующих водородно-кислородных батарей мощностью от 3 до 10 кВт;
в 2004 году разработаны аванпроекты энергоустановки на топливных элементах для обеспечения резервного электропитания (РЭУ) мощностью 5 кВт и энергоустановки для автономного энергоснабжения потребителей электроэнергией и теплом (ЭТГ) мощностью 10 кВт по заказу РАН;
в 2006 году совместно с ФГУ РНЦ Курчатовский институт реализован проект по созданию макетного образца модульной энергоустановки на твердополимерных топливных элементах с модулем 10 кВт по Государственному контракту с ФАНИ;
в 2009 году в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» создан опытный образец электротеплогенератора (ЭТГ-10) на твердополимерных ТЭ электрической мощностью 10 кВт;
с использованием полученного опыта производства основных агрегатов, оборудования и комплектующих, на основе унифицированных батарей БТЭ-84 в 2009 году создана демонстрационная резервная энергоустановка РЭУ-5 электрической мощностью 5 кВт и макетный образец автомобильной энергоустановки АЭУ-20 мощностью 20 кВт;
в 2011 году завершен проект «Разработка технологии гибридной судовой энергетической установки мощностью от 250 до 2500 кВт на основе высокоманевренного низкотемпературного электрохимического генератора с твердополимерными топливными элементами (ЭХГ с ТПТЭ)», в результате которого создан демонстрационный образец гибридной энергоустановки на твердополимерных топливных элементах «МГЭУ-60».
«ВЭУ-Перспектива» - энергоустановки киловаттногокласса для судов и объектов ГАЗПРОМА
С июня 2012 года предприятием выполняется ОКР «Разработка отечественной технологии создания батарей топливных элементов с протонообменной мембраной и энергоустановок на их основе, работающих на природном газе и воздухе», основной целью которой является создание опытного образца БТЭ с ПОМ единичной мощностью до 5 кВт для энергоустановок с ПОМ киловаттного класса.
Рассматриваются три основные области применения ВЭУ, а именно:
для комплектации блочно-комплектных устройств электроснабжения (БКЭС) береговых участков газопроводов морских газодобывающих сооружений, и других труднодоступных объектов ОАО «Газпром» и нефтедобывающих предприятий;
для энергообеспечения судов в качестве вспомогательной энергоустановки, при этом на одном судне в зависимости от его класса и назначения может использоваться несколько ВЭУ;
для энергообеспечения автономных объектов и использования в составе электросетей малой рассредоточенной энергетики.
Преимущество ВЭУ на базе БТЭ с ПОМ по сравнению с лучшими зарубежными и отечественными ДГУ, вытекает из потребительских качеств энергоустановок на топливных элементах:
значительно меньшие (на несколько порядков) вредные выбросы в окружающую среду;
значительно меньшие показатели уровня шума и вибрации; (Уровень шума в большинстве случаев является определяющим при выборе того или иного источника электропитания. У современных дизель-генераторных установок этот показатель соответствует 75- 100 дБА, при этом, достижение нижнего предела уровня шума связано со значительным увеличением стоимости 1 кВт мощности установки и ее веса. Это видно на примере сравнения электростанций итальянской компании Gen Set
Как видно из таблицы 5 снижение уровня шума на 24 дБ ведет к троекратному увеличению ее стоимости и двукратному увеличению веса. Электрохимический генератор (ЭХГ), являющийся основной генерирующей частью ВЭУ, работает бесшумно и без вибрации, эти показатели определяются для ВЭУ на базе БТЭ с ПОМ шумом и вибрацией комплектующих, не выше 65 дБ;
эффективное использование топлива и высокий КПД
(КПДэл. современных дизель-генераторных установок составляет около 30 -32%, у ВЭУ на базе БТЭ с ПОМ равной мощности показатель КПДэл.= 40 - 45%, поэтому и объем запаса топлива для ВЭУ на базе БТЭ с ПОМ меньше, чем для ДГУ);
более низкие затраты на эксплуатацию (не требуется замена масла, присутствие оператора).
Опытно-промышленный выпуск ВЭУ на базе БТЭ с ПОМ планируется начать в период с 2016 - 2020 года. В настоящее время по ОКР «ВЭУ-Перспектива» выполнен эскизный и технорабочий проект опытного образца БТЭ с ПОМ мощностью 5 кВт и демонстрационного образца ВЭУ на базе БТЭ с ПОМ мощностью 10 кВт, проведены испытания макетов и моделей подтверждающие основные технические решения.
Начаты и в настоящее время продолжаются испытания по ресурсной наработке МЭБ в топливных ячейках площадью 25 см2 и модели с МЭБ площадью 330 см2, которая к настоящему времени достигла 3000 часов и 2600 часов соответственно. Испытания проводятся на автоматизированной
5-ти канальной станции PS Altima и на лабораторном стенде и имеют целью достижение ресурса МЭБ собственного производства не менее 10000 ч с характеристиками, обеспечивающими скорость снижения рабочего напряжения не более 15 мкВ/ч при плотности тока не менее 0,5 А/см2 при работе на воздухе и водороде без избыточного давления газов;
ГЭУ-Шельф -энергоустановки мегаваттного класса для ледостойких газодобывающих морских платформ и крупнотоннажных судов
ОКР «Разработка технологии создания электрохимической энергоустановки мегаваттного класса для судов и морских объектов, эксплуатируемых в акваториях и прибрежных зонах с повышенными экологическими требованиями», шифр ГЭУ-Шельф, выполняемая с сентября
2012 г. по государственному контракту с МИНПРОМТОРГОМ, по сути является продолжением ранее проводимых работ и органично сочетает достижения предыдущих периодов и современные разработки, полученные в ходе выполнения работ по проекту с учетом мировых достижений в области совершенствования энергетических установок, используемых для судов различного назначения и энергообеспечения морских газодобывающих сооружений с высокой экономичностью и экологической чистотой при комфортном уровне шума.
Важнейшей составной частью настоящей ОКР является разработка отечественной технологии создания батарей топливных элементов (БТЭ) с протонообменной мембраной (ПОМ). Комплекс ОКР по разработке отечественной технологии и созданию опытного образца батареи с ПОМ единичной мощностью до 50 кВт, работающей на очищенном синтезгазе и воздухе, включает:
разработку КД на опытный образец БТЭ с ПОМ;
изготовление и приемочные испытания опытного образца БТЭ с ПОМ;
доработку КД на БТЭ с ПОМ с присвоением литеры О1.
Создаваемый по проекту опытный образец БТЭ с ПОМ является главной определяющей составной частью энергоустановок с ПОМ мегаваттного класса, предназначенных для работы на природном газе и воздухе. Другой важной частью настоящей ОКР является создание стендового образца автономного функционального модуля ЭУ на базе БТЭ с ПОМ мощностью 50 кВт.В ходе выполнения вышеуказанных работ филиалом ЦНИИ СЭТ привлечено восемь предприятий-соисполнителей, в число которых входят: ФГУП РФЯЦ-ВНИИЭФ, ФГУП РНЦ Прикладная химия, ИФХЭ РАН, АРМАЛИТ-1, СПбГМТУ, ПАНТЭКС-1, УНИКАТ, Инновационная компания МЕВОДЭНА.
В ОКР «ГЭУ-Шельф» рассматриваются три основные области применения ГЭУ, а именно:
для энергоснабжения ледостойких нефтегазодобывающих платформ арктического шельфа и других объектов Газпром и нефтедобывающих предприятий;
для энергообеспечения судов в качестве главной энергоустановки;
для энергообеспечения автономных объектов и использования в составе электросетей малой рассредоточенной энергетики.
Опытно-промышленный выпуск ГЭУ на базе БТЭ с ПОМ планируется начать в период с 2017 по 2021 год.
Результатами испытаний макета 36-ти элементной батареи БТЭ-50В подтверждены основные технические решения и зафиксирована стабильная работа батареи на режимах при заданных программой испытаний расходах реагентов.
ГЭУ на базе БТЭ с ПОМ формируется из модулей минимальной мощностью 250 кВт. В рамках ОКР«ГЭУ-Шельф» разрабатывается стендовый образец автономного функционального модуля мощностью до 50 кВт, с целью отработки технологии создания электрохимической энергоустановки мегаваттного класса на основе БТЭ с ПОМ и технических решений, закладываемых при ее создании, а также с целью создания научно-технического задела по совершенствованию энергетических установок, используемых для судов различного назначения и энергообеспечения морских газодобывающих сооружений с высокой экономичностью и экологической чистотой при комфортном уровне шума.
Рассматриваемая промышленная технология создания ГЭУ на базе БТЭ с ПОМ является исключительно важной для развития отечественных технологий формирования ЭУ мегаваттного класса мощности для судов различного назначения и энергообеспечения морских газодобывающих сооружений с использованием новых видов топлива.
Состав стендового образца автономного функционального модуля ЭУ на базе БТЭ с ПОМ в общем случае следующий:
блок производства анодного газа из природного газа (обогащенного водородом синтезгаза или чистого водорода);
блок подготовки и подачи воздуха;
блок электрохимического генератора на базе БТЭ с ПОМ;
блок согласующих электрических устройств;
вспомогательные системы;
система автоматического управления и контроля;
система обеспечения взрывопожаробезопасности;
накопитель энергии.
Перспективы внедрения ЭУ с ТЭ на объектах инфраструктуры нефтегазового комплекса и судостроительной отрасли
Стратегической целью филиала ЦНИИ СЭТ ФГУП Крыловский государственный научный центр в области водородной энергетики является скорейшее достижение уровня передовых зарубежных разработок ЭУ на базе ТЭ с решением в ближайшие 5-7 лет следующих научно-технических задач:
создание научно-технического задела и совершенствование высокоэффективных энергоустановок киловаттного и мегаваттного классов на топливных элементахдля автономного энергоснабжения береговых участков газопроводов морских газодобывающих сооружений и морских газодобывающих сооружений с высокой экономичностью и экологической чистотой при комфортном уровне шума, а также для оснащения судов различных классов, в том числе газовозов и судов танкерного флота;
разработка отечественных технологий создания батарей топливных элементов (БТЭ) с протонообменной мембраной (ПОМ) для оснащения ЭУ киловаттного и мегаваттного классов и энергоустановок на основе этих батарей, работающих на природном газе и воздухе.
Ожидаемые конечные продукты по результатам разработок:
опытный образец батареи топливных элементов на основе протонообменной мембраны (БТЭ с ПОМ) номинальной мощностью 5 кВт работающей на водороде и воздухе, для оснащения энергоустановок киловаттного класса, с возможностью поставки по ТУ. Начало выпуска продукции - 2014 - 2015 г.г.;
опытный образец батареи топливных элементов на основе протонообменной мембраны мощностью до 50 кВт работающей на водороде и воздухе, для оснащения модулей энергоустановок мегаваттного класса, с возможностью поставки по ТУ. Начало выпуска продукции - 2015 - 2016 г.г.;
опытный образец энергоустановки мощностью 10 кВт на основе БТЭ с ПОМ, работающей на природном газе и воздухе, с возможностью поставки по ТУ. Начало выпуска продукции - 2015 - 2016 г.г.;
опытный образец модуля мощностью 250 кВт для формирования энергоустановки мегаваттного класса на основе БТЭ с ПОМ, работающей на природном газе и воздухе, с возможностью поставки по ТУ. Начало выпуска продукции - 2017 - 2021г.г.
По своей сути водородная энергетика является новым, инновационным видом энергетики, основанном на прямом преобразовании энергии топлива в электроэнергию с высокими показателями эффективности и экологической чистоты.
В соответствии с мировой практикой внедрение таких разработок осуществляется по государственным программам с использованием бюджетного финансирования вплоть до начала промышленного выпуска. Во многих странах для продвижения такой инновационной продукции на рынок меняются действующие государственные стандарты, позволяющие «отсечь» дальнейшее производство старой техники или сделать ее производство и эксплуатацию невыгодными для владельцев.
Совершенно очевидно, что Россия должна войти в число разработчиков и поставщиков новой высокотехнологичной продукции, поскольку именно это предопределит путь инновационного развития отечественной энергетики.
Игорь Ландграф,
Михаил Касаткин
