Выжать по-максимуму

История развития электро­энергетики связана с совершенствованием так называемых машинных методов преобразования энергии: тепло сжигаемого топлива преобразуется в механическую энергию в тепловой машине. Та вращает электриче­скую машину – генератор, который в свою очередь и вырабатывает электричество. По законам термодинамики, чем больше разница температур на входе в двигатель и выходе из него, тем большую часть энергии топлива удаётся превратить в энергию механическую и, соответ­ственно, получить больший КПД. Благодаря тому, что различные виды двигателей работают в своем диапазоне температур, появляется возможность, сжигая тепло в более высокотемпературной машине, использовать отработавшее тепло в другом двигателе.

В наиболее распространённых паросиловых электростанциях, к примеру, удаётся достигнуть КПД 45% при температуре пара свыше 600 °С. В газотурбинных ­установках, работающих при температурах газа перед турбиной в 1500 °С и имеющих на выходе тепло температурой 600 °С, достигается КПД 40%. При этом тепло от газотурбинной установки можно использовать для нагрева водяного пара в паротурбинных установках, не сжигая топливо. Основанные на таком принципе парогазовые установки стали магистральным направлением развития электроэнергетики. КПД наиболее совершенных электростанций с парогазовой установкой сейчас превышает 60% и является близким к предельному. Дальнейшего повышения коэффициента полезного действия – до 75% – можно достичь за счёт использования перед газовой турбиной блока топливных элементов.

Химический элемент

Топливные элементы – химические источники тока, вырабатывающие электри­ческую энергию за счёт окислительно-восстановительных реакций жидких или газообразных реагентов, непрерывно поступающих к электродам извне. В отличие от машинных преобразователей, в данном случае химическая энергия топлива, минуя стадию преобразования в механическую, превращается в электрическую непосредственно в самих ТЭ. При этом отсутствуют движущиеся части, КПД может превышать 60%, и всё это при условии экологиче­ской чистоты и бесшумности.

В топливных элементах протекают токообразующие электрохимические реакции: на отрицательном – с участием восстановителя (топлива), на положительном – с участием оки­слителя. Скорость поступления реагентов к электродам регулируется пропорционально токовой нагрузке, а продукты реакции непрерывно выводятся из топливного элемента. Сами элементы способны работать практически неогра­ниченное время. Главное – вовремя «подкладывать» реагенты и «отводить» получаемые продукты. В классическом ТЭ в качестве восстановителя используется атомарный водород, в качестве окислителя – атомарный кислород. На деле применяются природный газ, нефтепродукты, оксид углерода, получаемый газификацией углей, и обычный воздух, выступающий в роли окислителя.

Работы над созданием ТЭ начали проводиться ещё на заре XX века, однако при кажущейся простоте цель оказалась труднодостижимой. Пришлось решать несколько сложных проблем: инертность топлива к электрохимическим реакциям, необходимость использования в производстве сложных технологий, достижение приемлемых плотностей энерговыделения, сроки службы элементов и их высокая стоимость. После долгих лет проб и ошибок к 60-м годам инженеры остановились на водородно-кислородных топливных элементах с использованием щелочного раствора электролита (обычно 30–40%-ный водный р-р КОН) и водорода высокой степени чистоты в качестве топлива. Эти ТЭ (рабочая температура от 20 до 100 °С, в отдельных случаях до 160 °С) были предназначены для космических кораблей, автономных устройств связи и т. д. А использовались в них так называемые газодиффузионные электроды – пористые никелевые или угольные электроды с нанесёнными катализаторами (дисперс­ные платина, никель, серебро и т. п.), которые, с одной стороны, контактируют с электролитом, с другой – с реагиру­ющим газом. Срок службы таких ТЭ достигал 10 тыс. часов.

В дальнейшем началась разработка среднетемпературных (180–230 °С) топливных элементов с фосфорнокислым электролитом и высокотемпературных ТЭ с электролитом в виде расплава различных карбонатов (рабочая температура 600–700 °С) или с твёрдым оксидным электролитом (900–1000 °С). В отличие от элементов с щелочным электролитом, они не предъявляют жёстких требований к химической чистоте реагентов и могут использовать технический водород, получаемый паровой конверсией природных углеводородов.

В данный момент ведутся исследования и разработки по использованию топливных элементов в подводных лодках, автомобилях, в качестве резервных источников бесперебойного питания. На базе среднетемпературных топливных элементов в США и Японии уже созданы опытные электростанции мощностью около 10 МВт.

Интересные предложения

В России над созданием топливных элементов работают Курчатовский институт, Институт электрофизики Уральского отделения РАН, Российский федеральный ядерный центр, Физико-энергетический институт имени А. И. Лейпун­ского. А Уральский электро­химический комбинат и ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова уже несколько лет успешно создают образцы низкотемпературных топливных элементов для аэрокосмической и военной техники. РФЯЦ – ВНИИТФ разработал источник автономного электроснабжения на основе ТЭ специально для объектов добычи нефти и газа. Два проекта разработки энергоустановок с использованием топливных элементов включил в свою среднесрочную целевую программу Фонд поддержки научной, научно-технической и инновационной деятельности «Энергия без границ», созданный при участии энергохолдинга «Интер РАО ЕЭС». Первый из них – «Создание высокоэффективных экологически чистых гибридных ПГУ на природном газе на базе твёрдооксидных топливных элементов» направлен на разработку гибридных станций класса электрической мощности от сотен киловатт до десятков мегаватт. Другой – «Создание экспериментального образца биоэнергетического модуля на базе высокотемпературного топливного элемента электрической мощностью 5 кВт» – ставит целью разработку малых комбинированных электрогенерирующих блоков (биореактор для получения топлива, многотопливный мембранно-каталитический конвертор для преобразования различных видов биоэнергоносителей в синтез-газ, топливный элемент и микротурбина), использующих в качестве топлива биогаз и биоэтанол. Такие ­установки смогут обеспечивать электроэнергией и теплом удалённые посёлки и предприятия АПК.

А в ЦКБ «Рубин» готов проект малой подводной лодки «Амур-950» с воздухонезависимой энергетической установкой (ВНЭУ) на базе топливных элементов отечественного производства. 50-метровая субмарина может погружаться на глубину до 300 метров и находиться там на протяжении двух недель, оставаясь практически невидимой и неслышимой. Уровень ее акустического поля в несколько раз ниже, чем у лодок подобного класса. Энергетическая мощность «рубиновской» установки существенно выше зарубежных аналогов (схожие проекты есть в Германии, Швеции и Франции) – 400 кВт против 180 кВт. При этом она проще, дешевле и безопаснее для экипажа. ВНУЭ позволяет обойтись без резервуаров с чистым водородом, поскольку он вырабатывается непосред­ственно из дизельного топлива и тут же на борту утилизируется.