Вданной обзорной статье проводится краткий аналитический обзор водородной промышленности, а также производится краткий обзор видов топливных элементов.
Ключевые слова: топливные элементы (ТЭ), энергетика, электрическая энергия, водород, водородная промышленность.
Введение
Вклад электроэнергии в жизни человека XXI века сложно недооценить. Мы используем электричество повсеместно, начиная от мелких вещей, таких как телефоны и заканчивая освещением улиц, домов. И с каждым годом наши запросы продолжают расти. Но со возросшим спросом на электричество, мы забываем, что ископаемые ресурсы, которые и обеспечивают основной рынок электроэнергии, иссякают. Также из виду упускается не менее важная проблема окружающей среды. Выбросы от так называемой «традиционной добычи энергии» наносят непоправимый ущерб природе и здоровью человека. Поэтому человечество ищет новые векторы развития, рассматривая альтернативную энергетику, построенную на «зеленых» источниках энергии.
По всему миру возникают проекты, исследования, где упор делается на снижение выбросов и развитие возобновляемых источников энергии (ВИЭ) [1]. Но, к сожалению, технология ВИЭ имеет свои недостатки. Одним из таких недостатков является далекое расположение комплексов от места, где потребитель сможет получать необходимую энергию. Этот минус повышает затраты на транспортировку энергии. В данной сфере и по сей день продолжаются разработки.
Рассмотрим технологию топливного элемента (ТЭ). Технология ТЭ одна из самых молодых и перспективных в нынешних реалиях. Так как позволяет охватить такие области применения как: портативная энергетика, стационарная энергетика, снабжение транспортных средств (автомобили, грузовые суда).
Топливный элемент
Топливный элемент– это устройство, предназначенное для выделения электрической энергии, посредством химической реакции (окислительно-восстановительной) (рис.1). Необходимые для реакции активные вещества непрерывно поступают в систему. Проектирование систем ТЭ позволяют добиться новых результатов в оптимизации процессов, протекающих внутри конструкции. Почти все топливные элементы генерируют электрическую энергию в диапазоне от 40 до 60 %, эти показатели зависят от поступающих реагентов [2]. Если сравнивать эффективность переработки с традиционными источниками (генераторами, ДВС), то у ТЭ есть преимущество, связанное с тем, что производительность конструкции не зависит от объема. Стоит заметить, ТЭ с высоким температурным показателем можно объединить с турбинами, это не только повысит производимую ими мощность, но также снизит выбросы неблагоприятных оксидов.
Рис.1. Схема топливного элемента
Топливные элементы с прямым использованием метанола (ПМТЭ)
Данный тип ТЭ оснащен протообменной мембраной, конструкция данного ТЭ позволяет использовать метанол в качестве топлива. Ученые достигли определенного процесса в разработке полимерных электролитных мембран, предназначенных для ПМТЭ, что способствует удешевлению конструкции. Специалисты считают, что ПМТЭ могут подойти для замены или дополнения литий–ионных аккумуляторов в сферах: портативной электроники, военной промышленности, автомобильной промышленности малых габаритов. Основные исследования ведутся, в области снижения первичных потерь, путем поиска прочных и активных катализаторов, также ведется анализ материалов и условий эксплуатации для повышения долговечности и снижения стоимости.
Топливный элемент с полимерной электролитной мембраной (ПЭМТЭ)
Топливный элемент с полимерной электролитной мембраной, в данном типе ТЭ задействуется твердополимерная мембрана. По этой мембране осуществляется переход протонов от анода к катоду. Температура в рабочем состоянии может достигать до 200 0 С из–за типа мембраны. Чаще всего мембрана состоит из сульфофлуополимеров, которые достаточно инертны в окислительно-восстановительных средах. Данные топливные элементы довольно затратны в производстве, это вызвано наличием Pt в составе. Однако простота конструкции и содержание высокоплотной энергии, может положительно сыграть в качестве портативной энергетике, а также в транспортной сфере.
Щелочные топливные элементы (ЩТЭ)
Щелочные топливные элементы относятся к низкотемпературным топливным элементам, в качестве электролита выступает щелочной раствор (KOH). Серьезным изъяном данного типа, является отсутствие необходимой реакции при наличии оксида углерода.
Топливные элементы на основе фосфорной кислоты (ФКТЭ)
Реакции в этих топливных элементах протекают при среднетемпературном показателе от160–200 0 С. Средой для протонного обмена выступает фосфорная кислота. В основном проекты, основанные на ФКТЭ, востребованы в электрогенерирующих устройствах или в когенерационных установках.
Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ)
Топливные элементы типа ТОТЭ имеют высокую рабочую температуру, температура достигает 1000 0 С. Конструкция данного типа принципиально не отличается от представленных ранее ТЭ, но можно отметить, отсутствие металлов платиновой группы. Наличие электролита, в состав которого входит оксид циркония, который уравновешен оксидом иттрия, позволяет использовать любое углеводородное топливо. Из–за того что все компоненты ТОТЭ находятся в твердом агрегатном состоянии, имеются конструктивные вариации: планарная, трубчатая, блочная.
Теоретически ТОТЭ показывают впечатляющие результаты в электроустановках на углеродном топливе. Ведутся разработки гибридных систем выработки электричества, объединяющие ТОТЭ и газовые турбины. Область применения технологии довольно обширна, начиная с выработки электроэнергии и заканчивая транспортной сферой.
Расплав–карбонатные топливные элементы (РКТЭ)
Основой топливного элемента служит анод, который представлен сплавом никеля. Для протекания реакции необходима высокая температура около 800 0 С. Данный класс ТЭ для окисления может использовать не только воздух, но и оксид углерода. Недостаток РКТЭ заключается в долгом разгоне рабочей температуры. Применяется на генерирующих установках средней и большой мощности.
Аналитический обзор
Одним из курсов энергетической отрасли России обеспечить экспорт водородного топлива в объеме 200 тыс. тонн в 2024г. Планируется охват не менее 20 % водородного рынка к 2030 г. [3]. Чтобы выполнить данные показатели, придется решить ряд проблем, которые возникают в результате производства водорода и его чистоты.
Для добычи «зеленого» водорода используется электролиз, этот метод требует больших экономических вложений. К удешевлению данного метода приводит использование ВИЭ, однако для получения выгоды, необходимо размещать установки выработки в довольно отдаленных местах. Вторым, экономически оправданным, способом, является сжигание природного газа или реформинг оксида углерода. К сожалению, использование данного метода увеличивает стоимость водорода и не решает проблему выброса оксидов азота.
Однако перспективность развития водородной промышленности подтверждается главным плюсом водорода, его экологичностью, т.к. водород исключает выброс углекислого газа. Еще одним немало значимым фактором, является высокая энергоемкость водорода, благодаря внутренней энергии водорода можно снабжать электричеством и теплом города [4].
Конкурентно способность водородной промышленности возможна в транспортной сфере. Автомобили концерна Toyota получили выпуск второго поколения линейки машин Toyota Mirai. КПД двигателя данной машины составляет около 83 % при переработке водорода в электрический ток, с помощью гибридной установки, основанной на топливном элементе, когда КПД двигателя внутреннего сгорания составляет всего 55 %.
На данном этапе глобальный водородный рынок находится в процессе формирования. Создаются и уже существуют программы развития в области водородной энергетики, в частности технологии топливных элементов. Программы реализуются благодаря государственным инвестициям, тем самым создавая благоприятные условия развития отрасли. Создаются специально отведенные зоны, предназначенные для демонстрации и тестирования технологических проектов [5]. Данные предприятия направлены на ускоренное формирование рынка водородных технологий.
На сегодняшний день топливные элементы имеют высокую стоимость производства, что делает их не особо выгодными. Завышенная стоимость производства связана с малым выпуском. Как вариант решения этой проблемы — можно увеличить долю выпуска, это приведет к снижению стоимости элементов. Конструктивные особенности ТЭ располагают к масштабному производству.
В условиях российского климата технология ТЭ актуальна как никогда. Это обусловлено тем, что электроустановки с использованием топливных элементов почти не затрачивают тепловую энергию, что выгодно отличает их от традиционных моделей. Такие установки за счет модульной системы, позволяют: регулировать допускаемую мощность, обеспечивать высокую надежность и повышают ремонтопригодность. Эти разработки можно использовать для обеспечения теплом и электричеством автономных потребителей.
Подводя итоги, водород как энергетическое топливо с каждым годом набирает свою актуальность. Развитие в данном направлении закономерно, из–за возникновения экологических угроз и исчерпания природных ресурсов. Также применение водорода обосновано тем, что на данный момент нет более респектабельных и конкурентоспособных проектов по добыче энергии путем преобразования химической энергии. Остается только ждать, когда человечество сможет раскрыть все потенциал данного топлива.
Литература:
- Bilgili, M.; Özbek, A.; Sahin, B.; Kahraman, A. An overview of renewable electric power capacity and progress in new technologies in the world. Renew. Sustain. Energy Rev. 201549, 323–334 p.
- Основы водородной энергетики / В. И. Мешников, Е. И. Терунов. СПб: Летц, 2010. 288 с.
- —URL: https://tass.ru/ekonomika/12550311
- Водородная энергетика — тренд 21 века. [Электронный ресурс] — Режим доступа — URL: http://atomicexpert.com/hydrogen_energy
- Попадько Н. В., Полаева Г. Б., Попадько А. М. Переход к низкоуглеродной энергетике в Германии: проблемы и перспективы//Инновации и инвестиции. — 2018. — № 6. — С. 113–116.
