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

В Институте химии твердого тела УрО РАН (ИХТТ – Екатеринбург) ведутся работы в области разработки функциональных материалов для энергоустановок на ТОТЭ. Непосредственное использование в ТОТЭ наиболее широко распространенного в природе топлива - природного газа - довольно затруднительно по многим причинам. Более предпочтительно преобразование (риформинг) природного газа (метана) в так называемый синтез-газ (смесь CO и H₂), который затем можно либо непосредственно использовать в высокотемпературных ТОТЭ, либо выделить из него водород для дальнейшего сжигания в низкотемпературных ТЭ.

Сегодня в промышленности для риформинга используют паровую конверсию в присутствии никелевого катализатора. Этот процесс сопряжен с потерей до 30 - 40% исходного сырья, требует значительных капитальных затрат и совершенно не эффективен при реализации в средних и малых масштабах.

Перспективная альтернатива, позволяющая избежать названных недостатков, — парциальное окисление метана в электрокаталитических реакторах мембранного типа. Над этим работают сотрудники ИХТТ. Основной элемент такого реактора - газоплотная керамическая мембрана со смешанной - кислород-ионной и электронной - проводимостью. На нее нанесен катализатор парциального окисления, что позволяет интегрировать выделение кислорода из воздуха и собственно окисление в единый самоподдерживающийся процесс. Условия протекания этого процесса весьма жесткие. Поэтому и к материалу мембраны предъявляются соответствующие требования по структурной и размерной стабильности в восстановительных условиях, высокому уровню смешанной проводимости и др. Разработки в этой области пока находятся на уровне лабораторных экспериментов. Однако в создании материалов, керамик и плотных покрытий учеными ИХТТ достигнуты очень обнадеживающие результаты

В Свердлоаской области разработаны технологии и установки для получения наноматериалов всех необходимых компонентов ТОТЭ. С использованием наноматериалов и нанотехнологий разработаны высокоэффективные ТОТЭ и батареи. Разработаны энергосистемы на ТОТЭ. Сформировано керамическое производство для промышленного выпуска ТОТЭ.

Впервые в России были получены удельные характеристики ТОТЭ на несущем электролите 1Вт/см² и на несущем катоде 1,3Вт/см².

Необходимо отметить, что уровень российских технологических разработок в области устройств на базе высокотемпературных топливных элементов в настоящее время соответствует, а в чем-то даже выше, чем у зарубежных фирм. Общепризнанно, российские конструкторы провели весь комплекс фундаментальных исследований еще 15-20 лет назад.

3.2. Независимая экспертиза работ по ТОТЭ в Свердловской области

Независимая экспертиза, проведенная по поручению Госкорпорации «Росатом» в 2010 году, подтвердила высокий уровень разработок Свердловских ученых в области разработок по ТОТЭ и энергоустановок на их основе. Экспертиза отметила перспективность развития указанного научно-технического направления.

Госкорпорация «Росатом» выразила заинтересованность в создании кластера по производству энергоустановок на основе ТОТЭ в Уральском регионе с участием предприятий Росатома.

4. Создание кластера по производству топливных элементов на основе ТОТЭ в Уральском регионе

Сегодня известно, что, по крайней мере, десяток ведущих компаний США, Европы и Японии находятся в стадии подготовки промышленного производства энергоустановок на ТОТЭ различного назначения. Это предвестник того, что готовится огромный рынок нового оборудования для распределённой энергетики.

В ведущих странах развитие ТОТЭ поддерживается правительствами и осуществляется крупными корпорациями. Это позволяет не только обеспечивать ускоренное развитие ТОТЭ, но и заранее подготавливать рынок к необходимости использования энергоустановок на основе ТОТЭ. Такая подготовка рынка позволила «Bloom Energy Corporation» начать продажи энергоустановки по очень высокой цене - более $7000/кВт, при себестоимости $700/кВт.

Можно выделить следующие области применения энергоустановок на основе ТОТЭ:

• 
  Стационарные энергетические установки мощностью 1 МВт и выше.
  
• 
  Стационарные вспомогательные энергетические установки мощностью 100 кВт и выше.
  
• 
  Коммунальное хозяйство: дома и микрорайоны в крупных городах, поселки сельского и городского типа (10 – 1000 кВт).
  
• 
  Вахтовые поселки газовиков, нефтяников, геологов (100-500 кВт от 50 до 100 шт./год).
  
• 
  Буровые установки (наземные и морские).
  
• 
  Автотранспорт (автобусы, большегрузные автомобили, самосвалы).
  
• 
  Железнодорожный транспорт: маневровый (50-100 кВт от 10 до 100 шт./год), магистральный (1000-4000 кВт от 25 до 200 шт./год)
  
• 
  Водный транспорт: речной и морской каботажный.
  
• 
  Военные приложения:
  

• 
  Переносные, в том числе ранцевые источники питания для «умного оружия»
  
• 
  ИП питания для роботов, беспилотных самолетов, торпед;
  
• 
  Подводные лодки
  
• 
  Мобильный для радиолокационных станций, полевых военных городков и др.
  

• 
  Сельское хозяйство: деревни, коттеджи, птице- и животноводческие фермы.
  
• 
  Портативные: ранцевые и источники питания для: мобильных телефонов, компьютеров, бытовой электронной техники и др.
  
• 
  Катодная защита, измерения и связь на магистральных газопроводах (2-5 кВт, от 100 до 200 шт./год).
  
• 
  Сотовая связь: ретрансляторы 1-10 кВт.
  
• 
  Химические производства с побочными водородосодержащими продуктами.
  

Работы в области энергоустановок на ТОТЭ в Свердловской области подошли к такому уровню, когда необходим переход к созданию опытно-промышленного и промышленного производства. На Урале есть все предпосылки для формирования кластера по производству энергоустановок с электрохимическими генераторами на основе твёрдооксидных топливных элементов.

Энергоустановка с электрохимическим генератором на основе ТОТЭ достаточно сложное изделие. Основные элементы установки: Система газоподготовки, электрохимический генератор на ТОТЭ, газовая турбина, конвертор напряжений. Варианты возможной компоновки представлены на рис. 29-30.





Рис. 16 - 17. Компоновки энергоустановки на ТОТЭ

Номенклатура энергоустановок на ТОТЭ может быть огромной. В зависимости от задач мощность энергоустановки может быть от долей кВт до Мвт. Различным может быть и исходное топливо от природного газа и биогаза, до продуктов газификации твердых и жидких углеводородов. По сути, рождается новая отрасль промышленности.

Производство электрохимических генераторов на основе твердооксидных топливных элементов тянет за собой цепочку поставщиков комплектующих, с одной стороны, и позволяет организовать новые производства по выпуску разнообразных устройств на их основе, с другой стороны. По сути, будет происходить загрузка существующих производств и создание новых. Например, производство энергоустановок от единиц киловатт до десятков мегаватт.

В кластер по производству и разработке энергоустановок на основе ТОТЭ могут войти многие предприятия Свердловской области и других регионов Большого Урала. Также, необходимо создание совершенно новых производств.

5. Реализация конкурентных преимуществ Свердловской области при формировании кластера

В Свердловской области проделана огромная работа по созданию нового направления в энергетике, сформирована научно-технологическая школа мирового уровня в этом направлении. Работы подошли к такому уровню, когда необходим переход к созданию опытно-промышленного и промышленного производства энергоустановок на ТОТЭ. Стоит задача не растерять конкурентные преимущества области на новом, более важно этапе развития новой энергосберегающей технологии. Для этого необходимо - ускоренное создание на базе имеющихся разработок эффективного, высокотехнологичного производства ЭУ на ТОТЭ для распределённой энергетики, устранение имеющегося отставания от зарубежных фирм и организаций в этой области, формирование платежеспособного рынка потребителей ЭУ на ТОТЭ на Урале. Необходимо использовать наличие в Свердловской области и в Уральском регионе сконцентрированного научно-производственного потенциала, имеющихся достижений в области твёрдооксидных топливных элементов, реализацию в Уральском регионе программ по энергосбережению и нескольких мегапректов (Урал промышленный – Урал полярный, крупные зоны опережающего развития).

Свердловская область может инициировать создание кластера по производству энергоустановок на ТОТЭ, стать его ядром.

В рамках кластера по производству энергоустановок на основе твёрдооксидных топливных элементов предполагается создание целого ряда промышленных производств:

• 
  наноструктурных материалов,
  
• 
  твердооксидных топливных элементов,
  
• 
  электрохимических генераторов на основе ТОТЭ,
  
• 
  энергоустановок с электрохимическими генераторами на основе ТОТЭ различной мощности и использующих различные типы углеводородов.
  

Кластер также должен включать научно-технологический блок. Для успешного функционирования кластера необходимо обеспечить подготовку специалистов в области разработки различных модификаций энергоустановок на ТОТЭ, их производства и эксплуатации.

Учитывая, что рождается новая перспективная отрасль промышленности, возникает необходимость содействия формирования рынка со стороны властных структур Уральского региона.

В России отсутствует государственная программа по развитию ТОТЭ. Нет крупных отечественных компаний, работающих над этой тематикой. В сложившейся ситуации считаем целесообразным объединить усилия Свердловской области и ГК «Росатом» по формированию кластера. Для формирования ядра кластера по производству энергоустановок на основе твёрдооксидных топливных элементов и координации усилий заинтересованных сторон предлагаем ГК «Росатом» создать совместно с Правительством Свердловской области специальное юридическое лицо, управляющую компанию - с рабочим названием УК «Новые Энергетические Системы».

Цели УК «Новые Энергетические Системы»:

• 
  координация усилий заинтересованных сторон и формирование успешно функционирующего кластера;
  
• 
  развитие и коммерциализация имеющихся разработок в области энергоустановок на основе твёрдооксидных топливных элементов;
  

Задачи УК «Новые Энергетические Системы»:

• 
  подготовка бизнес проектов производств, образующих кластер по производству энергоустановок на основе твёрдооксидных топливных элементов;
  
• 
  предложение подготовленных проектов потенциальным инвесторам и потребителям (ГК «Роснано», Российская венчурная компания и региональные венчурные фонды, ВЭБ, Инвестиционный фонд РФ, Министерство обороны РФ, ОАО «Газпром», территориальные генерирующие компании и др.);
  
• 
  получение ключевых компетенций по разработке и производству энергоустановок на основе твёрдооксидных топливных элементов.
  

Для того чтобы получить конкурентные преимущества и стать ядром кластер по производству энергоустановок на основе твёрдооксидных топливных элементов в рамках ОАО «Новые Энергетические Системы» необходимо организовать создание интеллектуальной собственности в ключевых технологиях кластера. Для достижения этой цели в рамках ОАО «Новые Энергетические Системы» требуется создание научно-технического центра по разработке промышленных электрохимических генераторов на основе твердооксидных топливных элементов (далее НТЦ ТОТЭ). Целесообразно создавать НТЦ ТОТЭ в сотрудничестве с Уральским федеральным университетом, чтобы на базе НТЦ ТОТЭ могла вестись подготовка специалистов.

Задачи НТЦ ТОТЭ.

• 
  Разработка и изготовление прототипов и технологий для промышленных образцов электрохимических генераторов для энергоустановок различного применения на основе лабораторных макетов и регламентов, имеющихся в Институтах УрО РАН.
  
• 
  Обеспечение защиты интеллектуальной собственности.
  
• 
  Лицензионная передача патентов предприятиям для промышленного производства электрохимических генераторов и энергоустановок. Авторское сопровождение.
  
• 
  Производство небольших серий электрохимических генераторов небольшой мощности для производства малых энергоустановок.
  
• 
  Производство кислородных насосов.
  

6. Выводы

Для реализации имеющихся конкурентных преимуществ, получения максимального эффекта от перехода на распределенную энергетику необходима программа развития распределенной энергетики, включая производство необходимого оборудования в Свердловской области и на Урале.

Производство электрохимических генераторов тянет за собой цепочку поставщиков комплектующих, с одной стороны, и позволяет организовать новые производства по выпуску разнообразных устройств на их основе, с другой стороны. По сути, будет происходить загрузка существующих производств и создание новых.

Можно отметить, что на Российском рынке в настоящее время имеются реальные покупатели (фактически имеется рынок) энергоустановок на основе ТОТЭ следующих мощностей:

• 
  1,5 – 5 кВт – для газопроводов и газораспределительных станций, для ретрансляторов сотовой связи;
  
• 
  от 100 кВт и выше – резервные источники питания для электросетевых компаний;
  
• 
  от 1 мВт и выше – энергетика.
  

В кооперацию по производству и обслуживанию установок будут вовлечены предприятия всех субъектов РФ, входящих в МА «Большой Урал».

Реализация подобной программы позволило бы предприятиям Свердловской области, используя имеющиеся конкурентные преимущества, занять достойное место на формирующемся мировом рынке оборудования для распределенной энергетики, развить высокотехнологический сектор, повысить энергоэффективность и энергосбережение экономики области.

Создание полноценного кластера по производству энергоустановок на основе ТОТЭ требует координации усилий нескольких территорий Большого Урала. В первую очередь, Свердловской и Челябинской областей, Удмуртской республики. Учитывая, что необходимо формировать рынок новой продукции возникает необходимость согласования действий многих субъектов РФ, входящих в Ассоциацию «Большой Урал». В качестве координатора такого межрегионального инновационного проекта в области энергосбережения в настоящее время в инициативном порядке выступает Исполнительный комитет МА «Большой Урал».

Программа по развитию распределенной энергетики, обеспечивающая реализацию в полной мере конкурентных преимуществ Свердловской должна быть межрегиональной. Исполнительный комитет МА «Большой Урал» мог бы по поручению Губернатора Свердловской области организовать работу по разработке программы: «Развитие распределенной энергетики в Уральском регионе. Создание кластера по производству энергоустановок на основе ТОТЭ».