Конкурентные преимущества свердловской области в разработке и производстве энергосберегающих энергоустановок на твердооксидных топливных элементах (тотэ)

КОНКУРЕНТНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА СВЕРДЛОВСКОЙ ОБЛАСТИ В РАЗРАБОТКЕ И ПРОИЗВОДСТВЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ЭНЕРГОУСТАНОВОК НА ТВЕРДООКСИДНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ (ТОТЭ)

2011 г.

КОНКУРЕНТНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА СВЕРДЛОВСКОЙ ОБЛАСТИ В РАЗРАБОТКЕ И ПРОИЗВОДСТВЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ЭНЕРГОУСТАНОВОК НА ТВЕРДООКСИДНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ (ТОТЭ)
Содержание

	Введение		2
1.	Системы энергообеспечения		4
	1.1.	Традиционная, централизованная энергетика	4
	1.2.	Индивидуальная мобильная энергетика	5
	1.3.	Распределенная энергетика на ТОТЭ	11
2.	Анализ рынка энергоустановок на ТОТЭ		17
	2.1.	Российский рынок энергоустановок на ТОТЭ	18
3.	Состояние разработок по ТОТЭ		19
	3.1.	Разработки по ТОТЭ в Свердловской области и на Урале	24
	3.2.	Независимая экспертиза работ по ТОТЭ Свердловской области	40
4.	Создание кластера по производству топливных элементов на основе ТОТЭ в Уральском регионе.		41
5.	Реализация конкурентных преимуществ Свердловской области при формировании кластера		44
6.	Выводы		47

Введение

Энергетика является одним из приоритетных направлений развития общества, развития Государства. При этом развитие цивилизации неразрывно связано с увеличением электропотребления обществом в целом и каждым человеком в отдельности. В настоящее время достаточно хорошо развита и продолжает с высокими темпами развиваться индивидуальная мобильная энергетика: сотовые телефоны, ноутбуки, фото и телекамеры, автомобили... Эта энергетика позволяет преобразовывать наиболее разумно и экономно химическую энергию топлива в соответствии с личным графиком потребления электроэнергии. Её развитие обусловлено тем, что созданная в прошлом веке стационарная централизованная энергетика не обладает достаточной гибкостью, чтобы экономно обеспечивать индивидуальные запросы потребителей. Структура же современного общества такова, что потребители электрической энергии могут образовывать сообщества в 5 – 1000 человек, которые имеют общие согласованные режимы потребления электрической энергии это коттеджи, таунхаусы, жилые дома, фабрики, заводы и т.д. Поэтому, безусловно, между традиционной стационарной энергетикой и индивидуальной должна быть сформирована распределенная энергетика, задачей которой являются удовлетворение все возрастающей энергооснащенности общества с одновременным энерго и ресурсосбережением с улучшением экологической ситуации в технологии получения электроэнергии.

Основой распределенной энергетики, в ближайшее время станут энергоустановки на основе электрохимических генераторов. Высокий КПД электрохимических генераторов, гибкое регулирование производства энергии на месте потребления, сокращение издержек при транспортировке электроэнергии – основные черты распределенной энергетики. Топливом для электрохимических генераторов служат: природный и попутный газ, биогаз, продукты газификации углеводородов, угля, торфа, сланцев, отходов деревопереработки. В экологически чистом, бесшумном электрохимическом генераторе химическая энергия топлива напрямую преобразуется в электрическую энергию с максимальным КПД до 80-90%.

Электроэнергетика стоит на пороге глобальных технологических перемен. По оценкам западных специалистов, к концу первой четверти столетия на долю энергоустановок на основе электрохимических генераторов (ЭХГ) с твердооксидными топливными элементами (ТОТЭ) будет приходиться до 30% всей производимой в мире электроэнергии.

В мире начинает формироваться огромный новый рынок - рынок оборудования для распределенной энергетики.

В Свердловской области успешно работает мощная научно-технологическая школа мирового уровня по электрохимическим генераторам на твердооксидных топливных элементах. Разработки выполнены на мировом уровне и, в ряде случаев, превосходят его. Наиболее активно работы ведутся в институтах УрО РАН (г. Екатеринбург). На основе разработок свердловских институтов и в содружестве с ними работы по энергоустановкам на основе ТОТЭ успешно ведутся РФЯЦ-ВНИИТФ (г. Снежинск). Созданы опытные установки. Работы подошли к такому уровню, когда необходим переход к промышленному производству.

1. Системы энергообеспечения

1.1. Традиционная, централизованная энергетика

Существующая централизованная система электрообеспечения, когда один источник обеспечивает электроэнергией сотни и тысячи потребителей, имеет низкий КПД, как по эффективности преобразования топлива, так и по эффективности передачи электроэнергии. КПД перевода химической энергии топлива в электрическую энергию на традиционных электростанциях составляет 30-35% (рис. 1.).



Рис. 1. КПД традиционной электростанции.

Это КПД самой электростанции, но чтобы электроэнергия дошла до потребителя, необходима система передачи. Передача выработанной электроэнергии от электростанций на большие расстояния приводит также к безвозвратным её потерям, к снижению суммарного КПД системы.

Потери обусловлены сопротивлением проводов, при этом, чем выше ток - тем больше потери. Эти потери электроэнергии преобразуются в тепло, т.е. при её передаче мы греем воздух атмосферы. Снижать сопротивление проводов можем, увеличивая их сечение, но только до разумной величины. Снижать ток можем, увеличивая величину передаваемого напряжения, но тоже до разумного предела, так как с увеличением напряжения возрастают токи утечки, да и возникает необходимость трансформирования напряжения, что также приводит к увеличению потерь. Это дополнительно снижает суммарный КПД использования топлива (рис. 2.).



Рис. 2. Затраты по передаче электроэнергии.

Неравномерность электрической нагрузки электростанций приводит к «рваному» режиму работы всех её систем, что сокращает срок службы, приводит к аварийности.

1.2. Индивидуальная мобильная энергетика

Индивидуальная мобильная энергетика позволяет преобразовывать наиболее разумно и экономно химическую энергию топлива в электроэнергию в соответствии с личным графиком потребления. В настоящее время она достаточно хорошо развита и продолжает с высокими темпами развиваться. Её развитие обусловлено тем, что созданная в прошлом веке стационарная централизованная энергетика не обладает достаточной гибкостью, чтобы экономно обеспечивать индивидуальные запросы потребителей. Сфера применения индивидуальной мобильной энергетики: сотовые телефоны, ноутбуки, фото и телекамеры, автомобили ....

Индивидуальная мобильная энергетика основана в своем большинстве на традиционных первичных и вторичных химических источниках тока (ХИТ). Интересно, что сейчас потребляемая мощность от ХИТ (батареек и аккумуляторов) уже превосходит электрическую мощность, вырабатываемую всеми стационарными электростанциями. На рисунке 3 представлена классификация ХИТ.



Рис.3. Классификация химических источников тока

В последнее время к традиционным гальваническим элементам и аккумуляторам присоединяются химические источники тока – топливные элементы, не имеющие такой характеристики, как электрическая емкость (А/час), циклов заряд/разряд как аккумуляторы и независящие, как последние, от наличия централизованной сети для подзарядки. Созданные на основе различных ХИТ, мобильные портативные источники тока имеют следующие основные характеристики (см. рис.4.):



Рис.4. Удельные характеристики мобильных портативных источников тока в зависимости от типа ХИТ.

Полученные данные подтверждают, что наиболее целесообразно для длительно работающих источников тока не запасать химическую энергию топлива в активных электродных веществах устройства, а запасать непосредственно энергоноситель в виде исходного топлива. А затем химическую энергию запасенного топлива прямым способом преобразовывать в электрическую энергию в топливных элементах. При этом наиболее выгодно преобразование вести в твердооксидных топливных элементах (ТОТЭ).

Существуют различные типы топливных элементов. Их можно классифицировать, например, по используемому топливу, рабочему давлению и температуре, по характеру применения, типу электролита.

Ниже проведено сравнение основных характеристик энергоустановок и топливных элементов различных типов, претендующих на мобильное их использование на транспорте (Таблица 1). Развитие твердооксидных топливных элементов позволяет им претендовать, кроме стационарного использования, так же на мобильное и на портативное применение.

Таблица 1. Основные технические параметры топливных элементов (ТЭ) и энергоустановок (ЭУ) на них.

Компоненты и характеристики ТЭ и ЭУ	ЩТЭ щелочные	ТПТЭ твердополимерные	ТОТЭ
Электролит	30-40% раствор КОН	Ионообменная мембрана, типа Nafion	Керамика типа YSZ
Перенос заряда	ОН-	Н3О+nH2O	О2-
Электрод - анод	Ni(C) + Pt	C + Pt	Ni+YSZ
Электрод - катод	Ni(C) + Pt	C + Pt	LaxSr1-xMnO3
Топливо	Н2 (99,95%)	Н2 (99,995%)	Н2, Н2+СО, СН4
Окислитель	О2 (воздух с очисткой от СО2)	Воздух	воздух
Рабочая температура, ОС	80-97	70-93	700-900
Электрический КПД для СН4, %	35-37	35-37	60-70 с турбиной до 90
Напряжение на элементе	0,85-0,9	0,8-0,85	0,75-0,8
Плотность тока, А/см2, ожидаемая Подтвержденная на ЭУ	0,4 0,15-0,3	0,4 0,3-0,5	0,4 0,4-0,6* до1,5[+]
Ресурс энерго-установки, ч ожидаемый (по единичному элементу) подтвержденный по ЭУ	10000 8000	20000 1000	80000 40000 (идут испытания)
Себестоимость, US$/кВт	~10000	Существенно больше 10000	700 (2006г.) 400 (2010г.)
Недостатки	1. Потребность в Pt, 2. Высокая чувстви-тельность к ядам 3. Глубокая очистка Н2 и воздуха от СО2 4. Трудность утили-зации тепла 5. Точность поддер-жания температуры	1.Потребность в Pt, 2.Высокая чувствии-тельность к ядам 3. Глубокая очистка от каталитических ядов 4.Регулирование влажности мембран 5. Трудность утили-зации тепла 6. Точность поддер-жания температуры	Устранены недостатки по ресурсу, термоцикли-рованию и технологи-ческим сложностям. Недостатков ЩТЭ и ТПТЭ не имеет 1.Требует стартового разогрева 2.Время стартового разогрева стационарных энергоустановок более 3 ч 3.Время стартового разогрева портативных установок – от 15 минут до 5 сек
Преимущества	1.Высокая удельная мощность 2. Хорошая манев-ренность	1. Более высокая удельная мощность 2. Высокая манев-ренность 3. Отсутствие жидкого электролита	1.Наиболее высокий КПД 2.Отсутствие драг-металлов 3.Возможность использования любых видов топлива 4. Наиболее высокая удельная мощность 5. Более высокая маневренность 6. Отсутствие жидких фаз 4. Не боится корот-кого замыкания

Внимательно сопоставив характеристики разных типов ТЭ, можно заметить, что, казалось бы, положительные характеристики ЩТЭ и ТПТЭ – низкие рабочие температуры (малое время старта) и высокие удельные мощности с одновременным достаточно узким диапазоном рабочих температур и точным заданием максимальной температуры, связанным с переходом воды из жидкого состояния в газообразное, переходят в отрицательные. В случае неравномерного распределения тока (имея проблемы утилизации тепла из-за относительно низких температур) происходит местный перегрев мембраны её осушение, что приводит к разгерметизации полостей, смешиванию топлива и окислителя в стехиометрической пропорции и при инициации к взрыву. Высокие плотности тока (короткое замыкание) приводят к термическому разрушению и к усилению взрыва благодаря запасу реагентов. Такие вещи принципиально не возможны для высокотемпературных ТОТЭ. При этом отрицательные характеристики ТОТЭ стационарного применения, такие как время стартового разогрева, составляющее более 3 часов и соответственно термоциклирование, оказывается могут быть существенно улучшены при конструировании мобильных энергосистем на ТОТЭ.

Важной характеристикой является энергоэффективность и экологичность. В этом плане энергоустановки на ТОТЭ вне конкуренции. Сравним эффективность применения энергоустановок на ТОТЭ в автомобилях по сравнению с традиционными двигателями и другими типами топливных элементов.



Рис. 5. Сравнение энергоэффективности автомобильных двигателей (гибридного, с тяговыми аккумуляторами, на твердополимерном ТЭ и на ТОТЭ).



Рис. 6. Сравнение выбросов автомобильных двигателей (гибридного, с тяговыми аккумуляторами, на твердополимерном ТЭ и на ТОТЭ)

В таблице № 2 приведены сравнительные характеристики эффективности и удельное количество выбросов СО₂ для различных типов двигателей.

Таблица № 2.

	Эффективность, %	Выбросы СО2, г/кВч
Электромобиль с тяговыми аккумуляторами	4,1	520…550
Автомобиль с ТПТЭ	14,4	630…660
Автомобиль с ДВС (гибрид)	18,1	520…550
Автомобиль с ТОТЭ	44,2	380…410

1.3. Распределенная энергетика на ТОТЭ

В настоящее время появляется возможность создания распределенной энергетики на новой технологической базе – на основе твердооксидных топливных элементов. Такая энергетика позволяет гибко регулировать производство энергии на месте потребления, обеспечивая большие мощности и ресурс работы. В отличие от традиционной энергетики, распределенная энергетика на основе ТОТЭ дает возможность сокращения издержек при транспортировке и производстве электроэнергии, обеспечивает высокую экологичность. С одной стороны, распределенная энергетика обладает многими положительными качествами индивидуальной энергетики, с другой стороны - обеспечивает достаточные мощности, как и централизованная энергетика.

Распределенная энергетика предполагает, что генераторы электрического тока расположены непосредственно у потребителя электроэнергии, к которому по трубопроводу приходит топливоэнергоноситель - водород (природный газ). Потребитель сжигает топливо в соответствии с собственным графиком потребления электроэнергии. Это приводит к разумному энергосбережению и к экономному использованию топлива. При этом использование в качестве генераторов электроэнергии электрохимических генераторов тока на твердооксидных топливных элементах (ТОТЭ) позволяет существенно повысить энергосбережение и экономию топлива. ТОТЭ имеют высокий КПД прямого преобразования химической энергии топлива в электричество. Их КПД достигает 70%, а с учетом использования высокопотенциальной тепловой энергии – 90%. При этом электрохимическое, «низкотемпературное» сжигание топлива обеспечивает высокую экологичность процесса. Это реально чистая энергосберегающая технология, требующая для производства такого же количества электричества в два - три раза меньшего количества топлива. Классическим, перспективным экологически чистым топливом для топливных элементов является водород. Транспорт топлива по трубопроводу на те же расстояния требует существенно меньших энергозатрат, чем при передаче электроэнергии по проводам, а потери возникают только при физическом нарушении целостности трубопровода. На первом этапе перехода к распределенной энергетике используются природный газ, продукты газификации угля, жидких углеводородных топлив из нефтепродуктов. На втором этапе в качестве топлива логично будет использовать водород и переработанные отходы деятельности человека, промышленные и сельскохозяйственные отходы.

Выбор в будущем водорода (Н₂) в качестве топлива ТОТЭ как удобного энергоносителя, обусловлен, в первую очередь, его экологической безопасностью, поскольку продуктом его сгорания является вода. Другим преимуществом Н₂ является его исключительно высокая теплота сгорания - 143,06 МДж/кг (напомним, что для условного углеводородного топлива -
29,3 МДж/кг). Высокая теплопроводность водорода, а также его низкая вязкость, приводят к снижению энергозатрат при его транспортировании по трубопроводам по сравнению, например, с природным газом - метаном.

Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) по международной терминологии – SOFC (Solid Oxide Fuel Сells), имеют достаточно широкий диапазон применений: от портативных источников тока (10-500 Вт) до автономных стационарных электростанций (1-10 МВт). Их привлекательность обусловлена, прежде всего, высокой эффективностью прямого преобразования химической энергии топлива в электричество. При этом топливом могут служить любые углеводороды, а окислителем – воздух. Причем низкотемпературное, электрохимическое сгорание топлива обеспечивает высокую экологичность процесса получения электроэнергии.

Возможные области применения энергоустановок на основе ТОТЭ представлены на рис. 7.

Рис. 7. Области применения топливных элементов.

Сравнение эффективности различных технологий преобразования химической энергии в электрическую, приведено на рисунке 8.



Рисунок 8. Сравнение эффективности энергетических установок.

Как видно из рисунка, наиболее эффективным способом получения энергии является комбинирование твердооксидных топливных элементов и газовых турбин низкого давления.

Поскольку все компоненты ТОТЭ находятся в твердом состоянии, конструкции самих элементов и устройств из них имеют большое разнообразие. До 80-90х годов прошлого века их можно было разделить на три группы: трубчатые, планарные и блочные. Позднее стали появляться конструкции элементов, объединяющие положительные свойства трубчатой и планарной, трубчатой и блочной групп. Преимущество твердого состояния единичного элемента приводит не только к многообразию его конструкций, но и к многообразию конструкций стеков батарей и энергоустановок. Это позволяет оптимизировать устройства по наиболее важному для заказчика требованию, отдавая приоритеты размерам или массе, высокой рабочей температуре и дорогим конструкционным материалам или пониженной температуре и дешевым материалам, высоким плотностям мощности или сроку службы.

Твердооксидные топливные элементы эффективно работают при высоких рабочих температурах – 700-950^ОС. Поэтому скорость протекания электродных реакций достаточно высока и не требуется использование дорогостоящих катализаторов. Одним из преимуществ ТОТЭ является их невысокая требовательность к чистоте топлива. В качестве топлива, кроме водорода, могут быть использованы любые углеводороды, преобразованные в синтез-газ (Н₂-СО). Основным компонентом ТОТЭ является твердый электролит, который проводит ток благодаря переносу ионов кислорода. Чаще всего используют в качестве твердого электролита керамику на основе ZrO₂. С противоположных сторон электролита расположены электроды. На одном из электродов (катоде) кислород воздуха ионизируется, проходит в виде иона О^- через кристаллическую решетку электролита, а затем на другом электроде (аноде) электрохимически окисляет топливо (рис. 9).



Рис. 9. Принцип работы метан (Н₂-СО) – воздушного ТОТЭ.

Чаще всего в ТОТЭ используют аноды на основе никелевого кермета и оксидные катоды на основе, например, манганита лантана стронция. Все используемые в ТОТЭ элементы достаточно распространены в земной коре. Сами материалы при относительно низких рабочих температурах 600-900^ОС в рабочих условиях термодинамически устойчивы, т.е. вечны. Таким образом, срок службы ТОТЭ обусловлен не используемыми материалами, а конкретными конструкциями и используемыми технологиями. Ресурсные испытания единичных элементов, проводимые за рубежом, превысили уже 80000 тысяч часов. Ресурсные испытания батарей элементов (модулей, стеков), проводимые за рубежом, превысили 40000 тысяч часов и продолжаются.

Твердое состояние всех компонентов ТОТЭ позволяет иметь бесконечное многообразие форм и размеров элементов, каждому техническому применению ТОТЭ можно, в зависимости от требований Заказчика и расставленных приоритетов, найти оптимальное техническое решение. Относительно низкие рабочие температуры исключают межслойную диффузию. Интерфейсные слои между функциональными слоями компонентов ТОТЭ исключают твердофазное взаимодействие. Относительно простые конструкции элемента: трубка, пластинка и доработанные промышленные технологии, такие как Tape Casting, плазменное напыление, трафаретная печать, совместное спекание в туннельных печах, позволили ведущим разработчикам США уже в 2006 году снизить себестоимость установленной мощности до 700$US, а к 2010-12 году прогнозируется дальнейшее их снижение до 400$US.