ЭНЕРГОУСТАНОВКИ НА ОСНОВЕ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Газификация средних и малых городов и поселков городского типа, создание рынка конкурентоспособных электрохимических энергоустановок с топливными элементами высокой степени заводской готовности и большим ресурсом функционирования (не менее 40 тыс. ч) создаст необходимые условия для их активного внедрения.
Наиболее привлекательными для России являются когене-рационные автономные энергетические установки на высокотемпературных топливных элементах (ТПТЭ, ТОТЭ и ФКТЭ), а также модульные ТЭС малой и средней мощности от 250 кВт до 35 МВт, создаваемые на их базе. Такое использование электрохимических энергоустановок с топливными элементами позволяет рассчитывать как на проектирование и ввод новых ТЭС, так и на замену имеющихся неэффективных энергетических мощностей страны по мере их окончательного износа.
Преимущества водородных технологий и ТЭ делают их единственно приемлемыми для развития систем децентрализованного производства электричества и тепла.
Крайне остро также стоит вопрос о замене систем централизованного электро- и теплоснабжения городских районов и домов распределительными автономными системами с целью повышения надежности энергоснабжения, отказа от подземных теплосетей, линий электропередачи и дорогостоящих местных высоковольтных трансформаторных подстанций. Использование для этих целей малых газотурбинных установок нереально из-за существенных уровней их вибрации и шума, особенно в условиях плотной городской застройки, их более низкого КПД, существенно больших операционных расходов на обеспечение эксплуатации и более высокой стоимости генерируемых электроэнергии и тепла.
Оптимальным решением указанной проблемы могут стать только энергоустановки с топливными элементами, оснащенные конвертерами природного газа в богатый водородом синтез-газ. При этом одновременно решается проблема более эффективного использования природного газа.
Возможность комбинированного производства электроэнергии и тепла когенерационными энергоустановками с ТЭ значительно повышает эффективность использования природного газа, снижая его расход почти в 2 раза. Существенно уменьшаются и выбросы углекислого газа, так как электроэнергию и тепло не надо производить и доставлять по отдельности конечным потребителям.
Реализация концепции распределительной когенерации на основе электрохимических энергоустановок с топлив -ными элементами позволит отказаться от уже предельно изношенных подземных теплосетей, линий электропередачи, дорогостоящих местных высоковольтных трансформаторных подстанций и распределительных сетей системы централизованного энергоснабжения, снизить стоимость энергоносителей и повысить энергетическую безопасность.
Привлекательность когенерационных электрохимических энергетических установок с ТЭ для систем распределительного энергоснабжения состоит не только в возможности максимального их приближения к потребителю, но и в подборе мощности в точном соответствии с его потребностями. Все это позволяет снизить пиковый расход природного газа в 4 раза.
Электрохимические когенерационные энергоустановки с ТЭ по капитальным затратам уже сегодня конкурентоспособны и более эффективны по сравнению с нынешней централизованной энергосистемой.
Что же касается операционных расходов (себестоимости выработки 1 кВт ¦ ч электроэнергии и 1 Гкал тепла), то они для систем распределительной когенерации на основе топливных элементов в 23 раза ниже, чем для централизованной энергетической системы. Кроме того, при сравнении технико-экономических показателей электрохимических установок на топливных элементах с традиционными энергоустановками необходимо также учитывать и весь комплекс дополнительных средств, которыми должны оснащаться дизель-генераторы и газотурбинные установки (виброфундаменты, панели шумопоглощения, внешние теплообменники, стойки системы управления и др.).
Только водородные технологии как макротехнологии самого высокого уровня способны обеспечить ускоренный переход экономики страны на инновационный путь развития; создание базовых технологий шестого технологического уклада в промышленности и преодоление сложившихся барьеров роста; решение задачи диверсификации структуры российской экономики и ослабления ее зависимости от сырьевого экспорта.
Создавая новую технологию электрохимического преобразования энергии и распределительной генерации электроэнергии и тепла (холода), мы одновременно должны совершить культурную революцию в энергетике: сформировать новую организацию бизнеса, новый рынок и новый стиль потребления. При этом исключаются потери на электро-и теплотрассах, существенно снижаются сроки инвестиций и основной капитал (рис.
3.21).
Рис. 3.21. Экономика распределительной когенерации
В ближайшие годы будет сформирован новый глобальный технологический уклад, основанный на инновационных энергетических технологиях и топливных элементах.
Итак, распределительная когенерация дает наибольший эффект при использовании автономных энергоустановок на водородных топливных элементах в коммунальной энергетике (при обеспечении домов и микрорайонов нового поколения в крупных городах, поселках городского типа, селах), в сельском хозяйстве (деревни, птицефабрики, животноводческие комплексы, фермерские хозяйства), в вахтовых поселках геологов, нефтяников, газовиков, на наземных и морских буровых установках при освоении шельфа и строительстве газопроводов. Переход коммунальной энергетики на такие автономные установки позволит преодолеть затянувшийся кризис жилищно-коммунального хозяйства заменить изношенные теплосети, снизить себестоимость и повысить надежность энергоснабжения населения и отдаленных районов.
Таким образом, использование автономных энергоустановок на водородных топливных элементах в коммунальной энергетике с полным основанием можно считать основным направлением эффективного использования водородных ТЭ.
Второе направление использование энергоустановок на водородных топливных элементах на транспорте (автомобильном, железнодорожном, речном и морском). Учитывая огромную протяженность российских транспортных магистралей, переход транспорта на энергоустановки с водородными топливными элементами значительно сократит объем вредных выбросов в атмосферу и резко удешевит перевозки грузов и пассажиров.
Третье направление эффективное использование водородных топливных элементов в мобильных телефонах, компьютерах, бытовой электронике, а также в катодной защите и связи.
Основные направления использования топливных элементов представлены на рис. 3.22.
В настоящее время лучшими для широкого применения являются низкотемпературные твердополимерные топливные элементы (ТПТЭ), обладающие высокой плотностью мощности, длительным сроком работоспособности и достигшие наивысшей технологической готовности. Такие ТЭ работают при температуре около 80С, что позволяет им быстро выходить на рабочий режим, и оказываются единственно приемлемыми в системах резервного бесперебойного электропитания и в транспортных системах.
В то же время низкая рабочая температура этих топливных элементов не позволяет эффективно использовать остаточное тепло в качестве дополнительного источника энергии и делает их практически неприменимыми для когенерационных энергоустановок.
Основной недостаток низкотемпературных твердополимерных ТЭ их высокая чувствительность к содержанию примесей оксида углерода (СО) в водородном топливе. Очистка водорода, получаемого путем конверсии (риформинга) природного газа (метана) и других видов углеводородного сырья, от примесей оксида углерода до уровня, не превышающего 5 ррm (5 молекул оксида углерода на миллион молекул водорода), представляет собой очень сложный и дорогостоящий процесс, увеличивающий стоимость энергоустановок с такими ТЭ.
Кроме того, низкотемпературные твердополимерные топливные элементы, в которых в качестве электролита применяются наиболее распространенные в настоящее время протонпроводящие перфторированные мембраны (типа НАФИОН), очень чувствительны к увлажнению. Поэтому в состав энергоустановки с такими топливными элементами должна входить сложная система управления влагосодержа-нием топливного элемента, усложняющая и удорожающая эксплуатацию энергоустановки.
Основные рыночные ниши низкотемпературных твердополимерных ТЭ транспортные применения, энергоустановки автономного бесперебойного электропитания и портативные источники питания.
Указанных недостатков лишены высокотемпературные твердополимерные ТЭ и фосфорно-кислотные топливные элементы (ФКТЭ). Они способны работать при температуре до 200С, что позволяет использовать их для одновременной генерации электричества и тепла (когенерация).
Кроме того, высокая рабочая температура таких ТЭ позволяет снизить требования к содержанию оксида углерода и использовать в энергоустановках относительно простые и недорогие топливные процессоры конверсии углеводородного топлива в риформат, содержащий водород с примесями оксида углерода до 510%.
Высокотемпературные твердополимерные топливные элементы отличаются от фосфорно-кислотных типом электролитной матрицы и способом удержания в ней электролита (концентрированная фосфорная кислота). В твердополимерном топливном элементе используется органическая полимерная матрица на основе полибензимидазола (ПБИ), в которую импрегнирована фосфорная кислота. В фосфорно-кислотном ТЭ концентрированная фосфорная кислота удерживается пористой неорганической матрицей из карбида кремния. Если твердополимерные высокотемпературные топливные элементы с электролитной матрицей на основе полибензимидазола пока еще проходят стадию экспериментальной отработки и подтверждения необходимого ресурса работоспособности (не менее 40 тыс. ч), то фосфорно-кислотные ТЭ являются пока единственными, которые в течение длительного времени производятся в промышленных масштабах.
Подтвержденный ресурс их работоспособности составляет свыше 60 тыс. ч. Основной недостаток фосфорно-кислотных ТЭ низкая плотность генерируемой мощности (плотность тока от 100 до 400 мА/см2 при напряжении 0,60,8 В), а также необходимость наличия в их составе пористого резервуара фосфорной кислоты для поддержания оптимального содержания электролита в матрице.
Основной недостаток высокотемпературных твердополимерных ТЭ с полибензимидазольной электролитной мембраной наличие в них большого количества химически не связанной с полимером фосфорной кислоты, мигрирующей (вымываемой) под воздействием влаги и теплоты из матрицы. При этом все эксплуатационные показатели такого ТЭ постепенно ухудшаются и обеспечить требуемый ресурс их работоспособности пока не удается.
В настоящее время продолжаются активные исследования по преодолению указанных недостатков, в том числе путем синтеза модифицированных высокотемпературных полимеров или приготовления композитов, в которых фосфорная кислота была бы иммобилизована (прочно привязана к полимерным группам).
Первыми из всех типов ТЭ, получившими широкое практическое применение (в основном в системах энергообеспечения космических кораблей и подводных лодок), были щелочные топливные элементы (ЩТЭ). Существенные их преимущества то, что в качестве электролита в них используется гидроксид калия (КОН), обладающий наибольшей ионной проводимостью из всех известных электролитов, а также то, что они обладают гораздо большей активностью восстановления кислорода на катоде по сравнению с твердополимерными и фосфорно-кислотными ТЭ.
Практическое следствие этого более высокий КПД (может превышать 60%). Это имеет весьма существенное значение при разработке энергоустановок со щелочными ТЭ, так как они могут работать более длительное время при одинаковом количестве топлива по сравнению с твердополимерными и фосфорно-кислотными ТЭ. Преимуществом щелочных ТЭ является также то, что электрохимические реакции в них могут проходить на недорогих электрокатализаторах без использования в них платины.
Щелочные ТЭ имеют приличный потенциал снижения стоимости и конкурентоспособности.
Основными проблемами, сдерживающими коммерциализацию щелочных ТЭ, являются низкие удельные характеристики и все еще недостаточный ресурс функционирования, в том числе из-за вредного влияния примесей углекислого газа в водороде и воздухе. Необходимость удаления углекислого газа требует дорогостоящих систем очистки.
Это существенно сказывается на экономической эффективности энергоустановок с такими ТЭ.
Наибольшее внимание исследователей и разработчиков во всем мире привлекают сейчас твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) благодаря своим преимуществам по сравнению с другими типами ТЭ (гибкость в выборе топлив, способность работать непосредственно с обычным углеводородным топливом и более высокий общий КПД электрический и тепловой).
Твердооксидные ТЭ работают при очень высоких температурах от 650С до 1000С. Основным конструкционным материалом для электролита и электродов этих ТЭ является керамика.
Важные преимущества твердооксидных ТЭ их нечувствительность практически к любым примесям в топливе, отсутствие в их составе платины и других благородных металлов, а также то, что они генерируют не только электроэнергию, но и высокопотенциальное тепло, для утилизации которого батарея твердооксидных ТЭ может интегрироваться с газовой турбиной. При этом общий КПД такой гибридной энергоустановки может достигать 90%. При рабочих температурах твердооксидных ТЭ свыше 650С становится применимым внутренний риформинг углеводородного топлива на аноде.
Использование твердотельных компонентов в этих ТЭ устраняет проблемы коррозии и управления влажностью, присущие другим типам ТЭ. По конфигурации (дизайну) энергоустановки с твердооксидными ТЭ проще других.
В принципиальном плане технология твердооксидных ТЭ более проста и эффективна, чем технология других ТЭ. Однако они предъявляют очень высокие требования к используемым конструкционным материалам и технологиям изготовления основных компонентов топливного элемента и батареи в целом.
Указанные преимущества твердооксидных ТЭ, в особенности возможность замены чистого водорода на углеводородные топлива и различные органические соединения, в значительной мере расширяют возможные области их применения. Чтобы эти ТЭ стали конкурентоспособными на рынке, необходимо преодолеть ряд технических и технологических проблем и в первую очередь снизить их рабочую температуру до 600700С, обеспечив при этой температуре высокую ионную проводимость используемых керамических твердых электролитов.
В настоящее время широко исследуются два подхода для повышения ионной проводимости твердого керамического электролита при указанных температурах: уменьшение его толщины путем формирования тонких газоплотных керамических пленок электролитов на пористых подложках электродов (на аноде и катоде) и применение новых альтернативных керамических материалов с высокой ионной проводимостью при умеренных температурах.
Работа твердооксидных ТЭ в режиме умеренных температур является одной из основных предпосылок создания компактных и низкозатратных когенерационных энергетических установок, обеспечивает возможность более широкого выбора дешевых конструкционных материалов, большую стабильность, уменьшение темпов деградации, большую гибкость для инженерно-конструкторских решений.
Сейчас в мире ведутся работы по созданию технологии изготовления твердооксидных ТЭ нескольких оптималь-
ных конструкций для различных коммерческих применений. Наиболее продвинутая в научном и техническом плане трубчатая и плотноупакованная конструкция. В ней заложено естественное разделение анодного и катодного пространства и достаточно просто решаются задачи тепломассопереноса.
Планарная конструкция пока еще далека от совершенства и имеет ряд существенных недостатков.
Твердооксидные ТЭ уже находят применение как в автономных когенерационных энергоустановках малой мощности (от 1,5 до 25 кВт), так и в мощных (до 100 МВт) базисных теплоэлектростанциях, работающих на природном газе. Они могут также применяться в проектах крупных базисных теплоэлектростанций с использованием угольных газогенераторов.
Тепло, вырабатываемое твердооксидными ТЭ, может быть также использовано для производства пара для существующих турбинных энергоустановок.
Использование ТЭ и энергоустановок на их основе для производства электроэнергии в больших объемах пока нецелесообразно в связи с более высокими показателями эффективности газотурбинных установок. Однако они завоевывают все большую популярность как альтернатива традиционным системам выработки электроэнергии и тепла, а также системам аварийного бесперебойного питания.
Возможности и направления применения различных типов ТЭ приведены нарис. 3.23.
Основные типы оборудования для производства водорода и использования с помощью ТЭ различного типа энергоустановок в разных средах характеризует рис. 3.24.
Российские достижения в области водородных технологий и топливных элементов обладают серьезным потенциалом, реализовать который в настоящее время на рынке (коммерциализация) можно только при грамотном взаимодействии с зарубежными компаниями-партнерами. Оптимальным в этом случае представляется механизм взаимодействия, при котором
Основные типы генераторов водорода Основные типы энергоустановок на ТЭ
зарубежные компании совместно с российскими могут работать на территории России, используя отечественные научные разработки и технологии, а также свой опыт коммерциализации инновационных технологий и проникновения их на рынки.
Располагая инновационной технологией ТЭ и высокоэффективных систем преобразования энергии на их основе, можно было бы в ближайшие два-три года начать формирование отечественного рынка распределительной генерации электроэнергии и тепла. Начальный этап формирования этого рынка может основываться на технологической платформе когенерационных электрохимических энергетических установок, разработанных с российским участием зарубежными компаниями Plug Power, Siemens и UTC Fuel Cell.
При этом предусматривается непосредственное присутствие Норильского никеля и его партнеров в двух ключевых сегментах этого рынка иметь основную долю в распределительной генерации тепловой и электрической энергии, а также в розничном бизнесе по снабжению бытовых потребителей теплом, электричеством и природным газом.
При этом когенерационные энергетические установки типа Gen Sys компании Plug Power могут быть использованы для односемейных домов и коттеджей, а энергетические установки типа РС-200 компании UTC Fuel Cell и типа STC-200 компании Siemens для многоэтажных домов, городских жилых кварталов, поселков односемейных домов, объектов социально-культурной инфраструктуры, а также для обеспечения электроэнергией и теплом объектов нефтегазовых компаний при освоении ими новых месторождений в Восточной Сибири и на шельфе северных морей.
Высокая конкурентоспособность, экономичность и экологичность основные движущие силы в продвижении энергоустановок с ТЭ на рынок распределительных коге-нерационных систем теплоэлектроснабжения и резервного электропитания.
Энергоустановки с ТЭ бесшумны, обладают значительно лучшими по сравнению с традиционными энергоустановками экологическими показателями по уровню вредных выбросов, имеют незначительные размеры и модульную конструкцию, нетребовательны к месту установки. КПД этих энергоустановок практически не зависит от величины нагрузки: более того, в отличие от традиционных энергетических установок их КПД увеличивается с уменьшением нагрузки, что приводит к значительной экономии топлива в процессе их эксплуатации.
Привлекательность когенерационных энергетических установок с ТЭ для систем распределительного энергоснабжения состоит в возможности максимального их приближения к потребителю и в подборе мощности в точном соответствии с его потребностями. Они могут размещаться также непосредственно у потребителей, в том числе в отельных домах и квартирах городов с плотной застройкой и в мелких поселениях.
Вследствие прямого преобразования химической энергии топлива в электрическую энергию время работы энергоустановок с ТЭ без остановки на плановое техническое обслуживание в 2040 раз превышает соответствующее время для современных дизельгенераторов (время до первой плановой остановки дизельного генератора составляет около 250 ч) и в 3 5 раз больше, чем для турбогенераторных установок. Это позволяет создавать системы энергоснабжения (блочные модульные теплоэлектростанции) с использованием меньшего числа одинаковых энергоустановок с ТЭ, что существенно снижает капитальные вложения и стоимость эксплуатации таких блочных теплоэлектростанций.
Работа энергоустановок с топливными элементами может быть обеспечена полностью в автоматическом режиме, включая этапы запуска и остановок на плановые технические обслуживания.
Энергоустановки с ТЭ могут успешно работать как на чистом водороде, так и на водороде, риформированном из метанола, природного газа, биогаза и т. д. При этом такие энергоустановки и их основные компоненты могут быть выполнены по модульно-блочному принципу, с учетом наличия у потребителей различных видов топлива. Это особенно важно в тех областях, где нужны всеядные энергоустановки, способные работать на любом имеющемся топливе.
При сравнении энергоустановок с ТЭ с традиционными энергоустановками необходимо учитывать и весь комплекс дополнительных средств, которыми оснащаются дизель-генераторы и газотурбинные энергоустановки (виброфундаменты, панели шумопоглощения, внешние теплообменники, стойки системы управления и др.).
Все это позволяет создавать унифицированный ряд модульных энергоустановок с ТЭ, которые работают в широком диапазоне мощностей (от нескольких сотен ватт до нескольких мегаватт), не требуют крупных капиталовложений, имеют большую степень заводской готовности и малые сроки ввода в эксплуатацию.
На рис. 3.25 3.28 показаны отдельные виды энергоустановок на ТЭ для систем распределительной когенерации от 200 кВт до установки для отдельного дома.
Внедрение когенерационных энергоустановок на топливных элементах приведет к расцвету энергетического бизнеса коммунальных компаний при уменьшении доли рынка сетевых электрогенерирующих компаний.
