2. Топливные элементы. Электрохимические и топливные. Проблемы массового применения, опыт разных стран.

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. Это электрохимическое устройство в результате высокоэффективного «холодного» горения топлива непосредственно вырабатывает электроэнергию.

Естественным топливным элементом является митохондрия живой клетки. Митохондрии перерабатывают органическое «горючее» — пируваты и жирные кислоты, синтезируя АТФ — универсальный источник энергии для всех биохимических процессов в живых организмах, одновременно создавая разность электрических потенциалов на своей внешней мембране. Однако, копирование этого процесса для получения электроэнергии в промышленных масштабах лишено смысла, т.к. на долю электрической разности потенциалов приходятся ничтожная доля химической энергии исходных веществ: почти вся энергия передаётся молекулам АТФ.

Топливные элементы — это электрохимические устройства, которые теоретически могут иметь очень высокий коэффициент преобразования химической энергии в электрическую (~80 %).

КПД, определённый по теплоте химической реакции, может быть и выше 100 % из-за того, что в работу может превращаться и теплота окружающей среды. Здесь, тем не менее, нет никакого противоречия с ограничениями на КПД тепловых машин, поскольку топливные элементы не работают по замкнутому циклу, и реагирующие вещества не возвращаются в начальное состояние. При химической реакции в топливном элементе в электрическую энергию превращается, в конечном счёте, не теплота реагентов, а их внутренняя энергия и, возможно, некоторое количество теплоты из окружающей среды.

Топливные элементы в настоящее время представляют большой интерес в мировой практике, в т. ч. для теплоснабжения зданий, по следующим причинам:

1. Высокая эффективность — при использовании только электрической энергии КПД установки составляет 30—50 %; при использовании и электрической, и тепловой энергии КПД может достигать 90 %, поскольку для топливных элементов нет термодинамического ограничения КПД.

2. Доступность и низкая стоимость топлива — в стационарных топливных элементах обычно используется доступный и дешевый природный газ (необходимый для работы водород вырабатывается из топлива непосредственно в топливном элементе); кроме природного газа может использоваться чистый водород и любое водородсодержащее сырье: газ из метантенков, аммиак, метанол, бензин и т. д.

3. Экологичность — при использовании в качестве топлива чистого водорода продуктом реакции является только вода (водяной пар); при использовании других видов топлива возможно незначительное выделение других газов, например, оксидов углерода и азота.

4. Масштабируемость — в отличие, например, от двигателей внутреннего сгорания, КПД топливных элементов остается постоянным в любом диапазоне вырабатываемой мощности; малые установки столь же эффективны, как и большие; мощность установок может быть увеличена простым добавлением отдельных элементов.

5. Надежность и долговечность.

6. Низкий уровень шума при работе.

7. Простота эксплуатации — топливные элементы практически не нуждаются в обслуживании.

8. Возможность размещения топливного элемента непосредственно на обслуживаемом объекте, что снижает потери на транспортировку энергии и дает возможность использования установок в качестве аварийных источников энергии.

Широкому распространению топливных элементов препятствует главным образом их высокая стоимость, которая в настоящее время составляет в среднем 3—4 тыс. долл. за кВт.

По оценкам специалистов, массовое применение топливных элементов будет возможно, если их стоимость составит 1–2,5 тыс. долл. за кВт. В настоящее время ряд компаний-производителей уже объявили о возможном скором достижении таких показателей.

Примеры государственных программ развития.

Успехи в развитии ряда водородных технологий показали, что использование водорода приводит к качественно новым показателям работы систем и агрегатов, а результаты многочисленных технико-экономических исследований говорят о том, что водород, несмотря на свою вторичность в качестве энергоносителя, то есть стоит дороже, чем природное топливо, его применение во многих случаях экономически целесообразно уже сейчас. Поэтому работы в области водородной энергетики во многих, особенно в промышленно развитых странах, относятся к приоритетным направлениям развития науки и техники и находят всё большую поддержку со стороны как государственных структур, так и частного капитала.

Южная Корея.

Министерство Коммерции, Индустрии и Экономики Ю. Кореи в 2005 году приняло план строительства водородной экономики к 2040 году. Цель — производить на топливных элементах 22 % всей энергии и 23 % электричества, потребляемого частным сектором.

С 2010 года правительство Южной Кореи будет дотировать покупателю 80 % от стоимости стационарной энергетической установки на водородных топливных элементах. С 2013 года по 2016 году будет дотироваться 50 % стоимости, а с 2017 года до 2020 года — 30 %.

Индия.

В Индии создан Индийский Национальный Комитет Водородной Энергетики. В 2005 году комитет разработал «Национальный План Водородной Энергетики». Планом предусмотрены инвестиции в размере 250 млрд рупий (примерно $5,6 млрд) до 2020 года. Из них 10 млрд рупий будет выделено на исследования и демонстрационные проекты, а 240 млрд рупий на строительство инфраструктуры по производству, транспортировке, хранению водорода. Планом поставлена цель — к 2020 году вывести на дороги страны 1 миллион автотранспортных средств, работающих на водороде. Также к 2020 году будет построено 1000 МВт водородных электростанций.

США.

Департамент Энергетики США (DOE) в январе 2006 года принял план развития водородной энергетики «Roadmap on Manufacturing R&D for the Hydrogen Economy».

Планом предусмотрено:

К 2010 году — первичное рыночное проникновение водорода;

К 2015 году — коммерческая доступность;

К 2025 году — реализация водородной энергетики.

8 августа 2005 года Сенат США принял Energy Policy Act of 2005. Законом предусмотрено выделение более $3 млрд на различные водородные проекты. И $1,25 млрд на строительство новых атомных реакторов, производящих электроэнергию и водород.

Исландия.

Исландия планирует построить водородную экономику к 2050 году.

Южно-Африканская Республика.

Правительство Южно-Африканской Республики в 2008 году приняла водородную стратегию. К 2020 году ЮАР планирует занять 25% мирового рынка катализаторов для водородных топливных элементов.

Билет 4.