|
Топливные элементы
Водородная энергетика
Водородная энергетика —
направление выработки и потребления энергии человечеством,
основанное на использования водорода в качестве средства для
аккумулирования, транспортировки и потребления энергии людьми,
транспортной инфраструктурой и различными производственными
направлениями. Водород выбран как наиболее распространенный
элемент на поверхности земли и в космосе, теплота сгорания
водорода наиболее высока, а продуктом сгорания в кислороде
является вода (которая вновь вводится в кругооборот водородной
энергетики).
Производство водорода
В настоящее время существует множество методов промышленного
производства водорода. Все цены приведены для США, 2004 год (справочно,
стоимость метана — менее 0,5$ за килограмм[1]). В конце мая 2008
года в Калифорнии розничная цена дизельного топлива выросла до
$5,027 за галлон, а бензина до $4,099 за галлон[1].
Паровая конверсия природного газа / метана
В настоящее время данным способом производится примерно половина
всего водорода. Водяной пар при температуре 700−1000°С
смешивается с метаном под давлением в присутствии катализатора.
Себестоимость процесса $2-5 за килограмм водорода. В будущем
возможно снижение цены до $2-2,50, включая доставку и хранение.
Газификация угля.
Старейший способ получения водорода. Уголь нагревают при
температуре 800—1300°С без доступа воздуха. Первый газогенератор
был построен в Великобритании в 40-х годах XIX века. США
предполагают построить электростанцию по проекту FutureGen,
которая будет работать на продуктах газификации угля. Впервые о
планах подобного строительства заявил еще в 2003 году министр
энергетики США Спенсер Абрахам. Электричество будут вырабатывать
топливные элементы, используя в качестве горючего водород,
получающийся в процессе газификации угля.
В декабре 2007 г. была определена площадка для строительства
первой пилотной электростанции проекта FutureGen. В Иллинойсе
будет построена электростанция мощностью 275 МВт. Общая
стоимость проекта $1,2 млрд. На электростанции будет
улавливаться и храниться до 90 % СО2.
Аналогичный проект под названием «GreenGen» создан в Китае.
Строительство первой очереди электростанции мощностью 250 МВт.
начнётся в 2008 г. Общая мощность электростанции составит 650
МВт.
Себестоимость процесса $2-$2,5 за килограмм водорода. В будущем
возможно снижение цены до $1,50, включая доставку и хранение.
Из атомной энергии.
Использование атомной энергии для производства водорода возможно
в различных процессах: химических, электролиз воды,
высокотемпературный электролиз. Себестоимость процесса $2,33 за
килограмм водорода. Ведутся работы по созданию атомных
электростанций следующего поколения. Исследовательская
лаборатория INEEL (Idaho National Engineering Environmental
Laboratory) (США) прогнозирует, что один энергоблок атомной
электростанции следующего поколения будет производить ежедневно
водород, эквивалентный 750 000 литров бензина.
Электролиз воды.
H2O+энергия = 2H2+O2. Обратная реакция происходит в топливном
элементе. Себестоимость процесса $6-$7 за килограмм водорода при
использовании электричества из промышленной сети. В будущем
возможно снижение до $4 за килограмм.
$7-$11 за килограмм водорода при использовании электричества,
получаемого от ветрогенераторов. В будущем возможно снижение до
$3 за килограмм.
$10-$30 за килограмм водорода при использовании солнечной
энергии. В будущем возможно снижение до $3-$4 за килограмм.
Водород из биомассы.
Водород из биомассы получается термохимическим или биохимическим
способом. При термохимическом методе биомассу нагревают без
доступа кислорода до температуры 500—800 °С (для отходов
древесины), что намного ниже температуры процесса газификации
угля. В результате процесса выделяется H2, CO и CH4.
Себестоимость процесса $5-$7 за килограмм водорода. В будущем
возможно снижение до $1,0-$3,0.
В биохимическом процессе водород вырабатывают различные
бактерии, например, Rodobacter speriodes.
Снижение цены водорода возможно при строительстве инфраструктуры
по доставке и хранению водорода. В США действует 750 километров,
а в Европе — 1500 километров водородных трубопроводных систем.
Трубопроводы действуют при давлении 10-20 бар, изготовлены из
стальных труб диаметром 25-30 см. Старейший водородный
трубопровод действует в районе германского Рура. 210 километров
трубопровода соединяют 18 производителей и потребителей
водорода. Трубопровод действует более 50 лет без аварий. Самый
длинный трубопровод длиной 400 километров проложен между
Францией и Бельгией.
После небольших изменений водород может передаваться по
существующим газопроводам природного газа.
Водород в настоящее время, в основном, применяется в
технологических процессах производства бензина и для
производства аммиака. США ежегодно производят около 11 миллионов
тонн водорода, что достаточно для годового потребления примерно
35-40 миллионов автомобилей.
Департамент Энергетики США (DoE) прогнозирует, что стоимость
водорода сравняется со стоимостью бензина к 2015 году.
Малые стационарные приложения
Производство электрической и тепловой энергии в топливных
элементах мощностью от 0,75 кВт. до 10 кВт.
Домашние энергетические станции имеют мощность 0,75 — 1 кВт.,
предназначены для производства электроэнергии в течении 8 часов
в сутки и производства тепла и горячей воды 24 часа в сутки. 5
кВт. установки предназначаются для нескольких коттеджей. Они
зачастую предназначаются только для производства электроэнергии.
Популярность малых домашних комбинированных (электричество +
тепло) установок связана с тем, что они имеют высокий КПД, малые
выбросы СО2, легко могут быть встроены в существующую
инфраструктуру. Такая энергетическая установка занимает размер
не больше домашнего бойлера, может работать на природном газе.
В 2005 году во всём мире было установлено более 900 новых малых
стационарных водородных энергетических установок (На 30 %
больше, чем в 2004 году). За 2006 год во всём мире установлено
около 1500 новых малых энергетических станций. В конце 2006 года
во всём мире эксплуатировалось около 5000 малых стационарных
водородных электростанций. Технологии
Доминируют две технологии: PEM (протон-обменная) и SOFC
(твёрдо-оксидная). Около 75 % установок в 2005 году были
изготовлены по PEM технологии, около 25 % — SOFC.
Топливо
Большая часть домашних станций разработана для применения
природного газа, пропана, очень немногие могут работать со
сжиженным нефтяным газом (LPG). Многие производители работают с
керосином.
Перспективы
В 2006, как и в 2005 году большая часть малых приложений была
установлена в Японии. Японская NEF (New Energy Foundation)
объявила о начале многолетнего демонстрационного проекта
применения малых стационарных топливных элементов. Будет
субсидирована установка 6400 топливных элементов. В 2005 году
стоимость 1кВт. водородной бытовой станции в Японии составляла
10 млн ¥ (примерно $87 000), работы по ее установке стоили еще 1
млн ¥. К середине 2008 года в Японии было установлено около 3000
бытовых энергетических установок на водородных топливных
элементах, а их стоимость снизилась до 2 млн ¥ (примерно $19
000)[2].
Япония уже имеет опыт использования подобных программ. В 1994
году была принята программа развития солнечной энергетики.
Японское правительство ежегодно вкладывало $115 млн в установку
фотоэлектрических элементов на крышах домов. С тех пор
установленные мощности солнечной энергетики выросли в 35 раз.
Средняя стоимость фотоэлектрических элементов снизилась на 75 %.
Стационарные приложения
Производство электрической и тепловой энергии в топливных
элементах мощностью более 10 кВт.
К концу 2006 года во всём мире было установлено более 800
стационарных энергетических установок на топливных элементах
мощностью более 10 кВт. Их суммарная мощность — около 100 МВ. За
2006 год построено более 50 установок суммарной мощностью более
18 МВт.
Технологии
В 2005 году среди новых установок лидировали Расплавные
Карбонатные Топливные Элементы (MCFC). На втором месте по
количеству новых установок были Фосфорнокислые технологии (PAFC).
Протонобменные технологии (PMFC) применялись, в основном, в
установках мощностью до 10 кВт. и в автомобильных приложениях.
Топливо
Хотя большая часть стационарных топливных элементов в настоящее
время работает на природном газе, всё большее количество
установок работают с альтернативными видами топлив. В 2005 году
усилился тренд применения сингаза и биогаза. В 2005 году биогаз
вышел на второе место после природного газа. В 2005 году были
построены электростанции (Япония, Германия), работающие на
биогазе, получаемом из древесных отходов, пластика,
муниципальных сточных вод. Водород и керосин и в будущем будут
занимать значительную долю в нише малых стационарных установок
мощностью более 10 кВт.
Гибридные установки: топливный
элемент/газовая турбина.
Для повышения эффективности, снижения себестоимости энергии и
для утилизации тепловой энергии применяются установки,
совмещающие топливные элементы и газовые турбины.
Компания FuelCell Energy (США) разработала гибридную версию SOFC
топливного элемента и газовой турбины. В этой схеме топливный
элемент производит 4/5 энергии, а остальную часть из тепловой
энергии — турбина. КПД данной схемы приближается к 70 %.
Испытывается 40 МВт. электростанция, состоящая из 10 топливных
элементов и одной турбины мощностью 10 МВт.
Финансирование
В 2005 году в США был принят Энергетический Билль. Билль
предусматривает 30 % инвестиционные налоговые кредиты до уровня
$1000 за кВт. установленной мощности. Налоговые кредиты будут
выдаваться с 1 января 2006 по 1 января 2008. В Японии и Ю. Корее
субсидируются не конкретные проекты, а стоимость электроэнергии,
произведенной топливными элементами в размере $0,015 — $0,02 за
кВт·ч.
В США и Японии планируется строительство крупных
тепло-электростанций мощностью 40 — 700 МВт. двойного и тройного
цикла с общим КПД более 80 % и выбросами СО2 на 30 % меньше, чем
на традиционных угольных электростанциях.
Водородная энергетика в России
В 2003 компания «Норильский никель» и Российская академия наук
подписали соглашение о ведении научно-исследовательских работ в
сфере водородной энергетики. «Норильский никель» вложил в
исследования 40 млн долларов.
В 2005 «Норильский никель» основал инновационную компанию «Новые
энергетические проекты», задачей которой является разработка и
внедрение топливных элементов.
В 2006 «Норильский никель» приобрел контрольный пакет
американской инновационной компании Plug Power, являющейся одним
из лидеров в сфере разработок, связанных с водородной
энергетикой.
Предполагается, что на основе российских и американских
разработок с 2008 начнётся производство водородных
энергетических установок в России. «Норильский никель» и
компания «Интеррос» планировали начать строительство
соответствующего завода в 2007 ([2]).
Глава «Норильского никеля» Михаил Прохоров заявил в феврале 2007
года, что компания вложила в разработку водородных установок $70
млн и уже есть «не просто лабораторные, а действующие образцы»,
на внедрение которых уйдёт несколько лет. Начало промышленной
реализации «водородного проекта», по его словам, намечено на
2008 год.
Итоги 2005 года
В 2005 году производство водородных топливных элементов выросло
во всем мире на 32 %. Всего за год было произведено около 14500
штук. Больше половины пришлось на PEM (протон-обменные)
топливные элементы. Это наиболее гибкая технология, которая
активно испытывается в автомобильных приложениях. Менее всего
применялись MCFC (расплавные карбонатные) топливные элементы. В
автомобильных приложениях PEM технологии занимали практически
100 % рынка. SOFC (твердо-оксидные) технологии занимают малую
рыночную долю, но имеют очень большие шансы первыми достичь
коммерциализации из-за большого количества компаний,
занимающихся разработками SOFC стационарных приложений.
Водородные топливные элементы, одним из основных достоинств
которых является высокий КПД, имеют и свои слабые стороны. В
частности, высокую стоимость и повышенные требования к чистоте
используемого водорода. Получение же высокоочищенного водорода,
в свою очередь, ведет к снижению общих экомомических показателей
топливоэлементной водородной энергетики. Это является
существенным сдерживающим моментом в развитии, например,
применения водородных топливных элементов на автомобилях. В этой
связи, в России, как и в других странах, ведутся работы и по
непосредственному использованию неочищенного топливного водорода
в обычных ДВС. В период с 2000 года в Тольяттинском
Государственном Университете на кафедре «Автомобильные
двигатели» проводятся (совместно с НАМИ и Научно-техническим
центром АВТОВАЗа) успешные исследования по использованию
газоводородных смесей непосредственно в ДВС (руковод.к.т. н.
Русаков). В конце 2005 года на деловой встрече руководства
водородной программы АВТОВАЗа (к.т. н. Мирзоев Г. К.) с
известным изобретателем и конструктором водородных установок
Кардановским В. А., были намечены первые в России практические
шаги по выпуску серийных ВАЗовских автомобилей с ДВС работающих
на дешевом[источник?] топливном водороде, получаемом на
установках ВодКа-2. Имелось ввиду выпустить пробную партию в
20-40 штук ВАЗовских автомобилей с серийными ДВС,
адаптированными под газоводородные топливные смеси содержащие до
50 % водорода. Имелось ввиду и строительство в Тольятти первой в
России водородной заправочной (газобаллонной обменной) станции
для этой серии автомобилей. |
