khimie.ru

Широка река научно-технического прогресса. Есть у нее стремительные повороты, странные и порой необъяснимые. Похоже, что загнанные в «резервации», «истребленные» для нужд Большой энергетики электрохимические устройства в образе топливных элементов собираются теперь дать бой тепловым машинам на их же собственной территории.

Третья американская долговременная программа «Utility» («Польза») поставила своей целью осуществить заветную мечту электрохимиков − поставить на промышленную основу «холодное» (на топливных элементах) горение угля в кислороде воздуха. И не в виде лабораторных образчиков, дразнящих воображение, но не выдерживающих практической проверки. Примерно в 1990-х годах должна быть построена электростанция мощностью в 635 мегаватт.

Электрохимическая энергетика только начинается, но ученые уже размышляют об энергоустановках второго и третьего поколений.

Пока идет работа над топливными элементами первого поколения с фосфорнокислым электролитом. Эти элементы функционируют при температурах 120-130 градусов Цельсия, давлении газа, близком к атмосферному.

Отдельные электрохимические ячейки устроены так. Концентрированным водным раствором кислоты пропитывается тонкий слой пористого вещества-носителя. Он заключен между пористыми угольными электродами, на которые нанесен тонкий слой катализатора − платины: 0,3-0,8 миллиграмма на квадратный сантиметр внешней поверхности электрода. Мощность такого элемента 0,1-0,2 ватта с одного квадратного сантиметра площади электродов, напряжение − 0,64 вольта. Таковы характеристики отдельного электрохимического «бутерброда».

Теперь о кпд. Увы, у первого поколения энергоустановок на топливных элементах он не очень высок − порядка 40 процентов. Это еще не резкий скачок в сравнении с традиционными устройствами, где при использовании паровой турбины кпд колеблется от 23 до 38 процентов. В среднем по нашей стране кпд тепловых ектростанций − без ТЭЦ − 33,4 процента. Где же обещанные почти 100-процентные значения кпд? − вправе спросить читатель.

Для ответа на этот вопрос придется войти в некоторые подробности.

Энергоустановки на основе топливных элементов состоят из трех главных компонентов: системы подготовки топлива, собственно электрохимического генератора (ЭХГ) и преобразователя тока. Последний необходим, так как топливный элемент генерирует постоянный гок, его надо превращать в переменный.

В системе подготовки топлива нефть или природный газ сначала очищают от серы, а затем подают в каталитический паровой риформер, где происходит конверсия топлива. В результате образуется смесь горючих газов, эта смесь и поступает в анодные камеры топливных элементов.

Кпд всей системы, естественно, зависит от кпд каждой из трех ее составляющих. Значительная часть энергии уходит на приготовление водорода, оттого-то общий кпд ЭЭС и оказывается не столь высоким.

Но и в таком виде эти установки обладают рядом несомненных достоинств. Вредные выбросы (окислы азота и серы) от топливных элементов составляют лишь 0,1 до 0,00002 от выбросов обычных электростанций, работающих на природном топливе. Для работы топливных элементов первого поколения не требуется воды для охлаждения. Станции на топливных элементах будут дешевле, да и потери при передаче энергии будут ниже, так как эти станции можно располагать в непосредственной близости от потребителей.

Если бы удалось электростанции на топливных элементах объединить с каким-нибудь вторичным устройством, например, с тепловым насосом, который бы утилизировал выделяющееся при работе топливных элементов тепло, то используемое тепло компенсировало бы энергетические затраты на конверсию исходного топлива. Но сделать это на установках первого поколения трудно: их температура низка.

И специалисты начали работу над вторым поколением. Тут в качестве электролита уже будут использоваться расплавы карбонатов. Топливные элементы поэтому смогут работать при температурах 500-750 градусов Цельсия (водные растворы электролитов выдержать подобных условий, очевидно, не могут), с суммарным кпд уже в 40-55 процентов. Другое достоинство таких высокотемпературных систем − способность работать на топливе, не очищенном от примесей, возможность обходиться без дорогостоящих катализаторов из благородных металлов.

Но ученые и инженеры смотрят и в более отдаленное будущее − в «угольную эпоху», когда нефть и газ истощатся. Видимо, уже лет через 10-20 появится и третье поколение ЭХГ (с твердым окисным электролитом), которые будут работать при температурах выше 750 градусов. У таких установок кпд превысит 60 процентов, и они смогут действовать совместно с газификаторами угля. Это будут уже мастодонты электрохимической энергетики мощностью в сотни мегаватт.

Не надо думать, будто бы третье поколение − бесплодная мечта энергетиков, фантазия, которая никогда не будет воплощена в жизнь. В 1978 году фирма «Вестингауз» (США) закончила первые испытания подобных устройств − испытания длились свыше 750 часов.

Но и наивно, конечно, полагать, что в электрохимической энергетике все идет гладко. Состояние любой из этих разработок оценивается обычно по трем параметрам: сколько килокалорий тратится при сжигании топлива на получение киловатт-часа полезной энергии (очевидно, что эта величина должна быть по возможности максимально низкой; по оценкам, для станции в 4,8 МВт она на номинальном режиме составит около 9,8 МДж на кВт∙ч), величине капитальных затрат на получение киловатта мощности и, наконец, сроку службы.

Стоимость энергоустановок на топливных элементах пока еще велика, поскольку в пористых электродах используются дорогостоящие катализаторы платиновой группы. Только они обладают высокой активностью при низких (сотни градусов) температурах и одновременно способны противостоять кислотам, содержащимся в растворе электролита. Поэтому, как мы уже говорили, сейчас ведутся энергичные поиски более дешевых катализаторов.

Проектная стоимость установок на топливных элементах с фосфорнокислым электролитом оценивается в 400 долларов на киловатт. Стоимость первых образцов установки в Нью-Йорке, по-видимому, будет составлять примерно 1500 долларов за киловатт.

Если же говорить о сроках службы, то и этот показатель еще далек от желаемого. Демонстрационная установка в Нью-Йорке сможет, вероятно, проработать всего 6700 часов, а необходим ресурс в 40 тысяч часов, то есть работа в течение примерно 4,5 года: ведь обычный рабочий срок для ТЭС − десятки лет.

И все же, как заманчива идея электрохимической энергетики! Если технические проблемы будут преодолены и топливные элементы окажутся экономически жизнеспособными, то в будущем американцы намереваются построить и подключить к общенациональной электросети целый ряд таких электростанций общей мощностью 20 гигаватт. Прогнозируют, что это даст в производстве электроэнергии ежегодную экономию около 16 миллионов кубометров нефти. Не говоря уже об экологических преимуществах и прочих (уже отмечавшиеся) достоинствах топливных элементов.

Сегодня электрохимическая энергетика еще только начинается. Пока идет очень сложный и дорогой эксперимент-экзамен. Он должен ответить на вопрос, созрели ли топливные элементы и основанный на них электрохимический способ генерирования тока для того, чтобы в энергетику равноправно вошел новый класс установок − электрохимических. Показательно, что масштабы решаемой проблемы и сложность возникающих при этом задач оказались под силу лишь немногим фирмам и научным учреждениям мира, и сейчас такие исследования ведутся лишь в США, СССР и ФРГ.

Коммерческий интерес к электрохимической энергетике проявляют и японские фирмы. По их заказу американские специалисты монтируют в Токио второй усовершенствованный образец электростанции на 4,8 мегаватта.