Нормативная документация

Топливные элементы — осторожное начало?

11 октября 2013 г. | Категория: Электроснабжение ЦОД, Топливные ячейки

Развитие индустрии дата-цент­ров показало востребованность крупных вычислительных ре­сурсов, которым для своего функционирования необходимо все возрастающее количество электроэнергии. Современные дата-центры (Д-Ц) требуют десятки МВт электроэнергии, которая, к сожалению, не всегда расходуется экономно. Кроме основного источника электроэнергии, для функционирования Д-Ц требуются и вспомогательные, которые в аварийной ситуации, при отказе основной системы электроснабжения, способны обеспечить функционирование аппаратуры в первый, переходный период, а затем и компенсировать отказ основной системы в течение длительного времени. Таким образом, система электроснабжения обеспечивает безаварийность работы всех систем Д-Ц. При этом возрастают требования к такому показателю работы Д-Ц, как энергоэффективность, которая показывает соотношение электроэнергии, потраченной на выполнение функциональных задач, и общего количества потребленной энергии.

Кроме этого, с повышением энергопотребления растут требования по экологической безопасности источников электроэнергии, в связи с чем возрастает интерес к так называемым возобновляемым, экологически безопасным источникам: солнечной энергии, энергии ветра, энергии приливных волн и т. п. В этом ряду особое место занимают топливные элементы (fuelcells).

Согласно ГОСТ СССР¹, топливный элемент — первичный элемент, в котором электрическая энергия вырабатывается за счет электрохимических реакций между активными веществами, непрерывно поступающими к электродам извне.

Расширим это определение. 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 (ТЭ) осуществляют превращение химической энергии топлива в электрическую, минуя малоэффективные, идущие с большими потерями, процессы горения. Это электрохимическое устройство в ре­зультате высокоэффективного «холодного» горения топлива не­посредственно вырабатывает элект­роэнергию».

История создания топливных элементов

Принцип работы ТЭ был открыт в 1838 году немецким ученым Кристианом Фридрихом Шёнбейном (Christian Friedrich Schonbein), который изложил отк­ры­тые им условия генерации электрической энергии в одном из науч­ных изданий.

На основе его статьи ученый из Уэльса Уильям Ро­берт Грове (William Robert Grove) создал первый в ми­ре ТЭ, который был продемонстрирован в феврале 1839 года.

Наиболее активно работы по исследованиям и разработке ТЭ развернулись во второй половине ХХ века. В 1955 году Уиллард Томас Грабб (W. Thomas Grubb), сотрудник General Electric Company, модифицировал ТЭ, а тремя годами позже другой химик, также сотрудник GE, Леонард Нидрах (Leonard Niedrach) предложил размещать платину на мембране в качестве катализатора. Эти исследования были реализованы при создании космических аппаратов (проект Gemini — первое коммерческое использование ТЭ).

Первый стационарный ТЭ мощностью 5 КВт был реализован в Великобритании в 1959 г. Первый ТЭ, установленный на автомобиле, был разработан в 1991 г.

В СССР первые публикации о ТЭ появились в 1941 году. Первые исследования начались в 60-х годах. РКК «Энергия» с 1966 года разрабатывала PAFC ТЭ для советской лунной программы. С 1987 по 2005 год РКК «Энергия» произвела около 100 ТЭ, которые наработали суммарно около 80 000 часов.

Сферы применения топливных элементов

Области применения различных вариантов ТЭ постоянно дополняются. Целесообразно разделить их на два крупных сегмента:

Стационарные приложения:

• производство электрической энер­гии для стационарных объектов (например, на электрических станциях);
• аварийные источники энергии;
• источники автономного электроснабжения.

ТЭ в подвижных устройствах:

• транспорт (автомобильные ТЭ, в элект­­­ромобилях, морской тран­с­­порт, железнодорожный транспорт, гор­ная и шахтная тех­­ни­ка, вспомогательный тран­с­порт (склад­ские по­­г­рузчики, аэ­род­­ром­­ная техника и т. д.);
• бортовое питание спецприменения (авиация, космос, ВМФ, в т. ч. подводные лодки);
• мобильные устройства (питание сотовых телефонов, КПК, зарядные устройства для силовых ведомств, роботы).

С точки зрения величины генерируемой мощности системы на основе ТЭ они подразделяются на четыре вида (таблица 1).

Таблица 1. Распределение ТЭ и систем на их основе по генерируемой мощности. Источник: www.abok.ru

Преимущества топливных элементов

Высокий КПД

У ТЭ нет жесткого ограничения на КПД, как у тепловых машин (КПД цикла Карно является максимально возможным КПД среди всех тепловых машин с такой же минимальной и максимальной температурой). Высокий КПД ТЭ достигается благодаря прямому превращению энергии топлива в электроэнергию. Тогда как в обычных генераторных установках топливо сначала сжигается, полученный пар (или газ) вращает турбину или вал двигателя внутреннего сгорания, которые в свою очередь вращают электрический генератор. Результатом становится КПД максимум в 53 %, чаще же он составляет порядка 35—38 %. Более того, из-за множества звеньев, а также из-за термодинамических ограничений по максимальному КПД тепловых ма­шин существующий КПД вряд ли удастся поднять выше. У существую­щих ТЭ КПД составляет 60—80 %. Отметим, что у ТЭ КПД практически не зависит от коэффициента загрузки.

Экологичность и компактные размеры

В воздух выделяется лишь водяной пар или СО2, что является безвредным для окружающей среды. ТЭ легче и занимают меньшую площадь, чем традиционные источники питания. ТЭ производят меньше шума, меньше нагреваются. Применение ТЭ позволяет сократить затраты на логистику, снизить вес, продлить время действия приборов и оборудования.

Проблемы внедрения топливных элементов

Внедрению ТЭ на транспорте мешает отсутствие водородной инфраструктуры.

Большинство ТЭ при работе выделяют то или иное количество тепла. Это требует создания сложных технических устройств для утилизации тепла (паровые турбины и пр.), а также организации потоков топлива и окислителя, систем управления отбираемой мощностью, долговечности мембран, отравления катализаторов некоторыми побочными продуктами окисления топлива и решения других задач. Но при этом высокая температура процесса позволяет производить тепловую энергию, что существенно увеличивает КПД энергетической установки.

ТЭ, в силу низкой скорости химических реакций, обладают значительной инертностью и для работы в условиях пиковых или импульсных наг­рузок требуют определенного за­паса мощности или применения дру­гих технических решений (сверхконденсаторы, аккумуляторные батареи).

Существует проблема получения водорода и его хранения. Во-первых, он должен быть достаточно чистый, чтобы не произошло быстрого отравления катализатора, во-вторых, достаточно дешевый, чтобы его стоимость была рентабельна для конечного потребителя.

К недостаткам ТЭ с платиновыми катализаторами можно отнести высокую стоимость платины, сложности с очисткой водорода от вышеупомянутых примесей и, как следствие, дороговизну газа, ограниченный ресурс ТЭ вследствие отравления катализатора примесями. Кроме того, платина для катализатора — невозобновляемый ресурс. Считается, что ее запасов хватит на 15–20 лет производства ТЭ.

Основные достижения индустрии ТЭ в 2011–2012 гг.²

• Изготовлен ТЭ мощностью 86,2 МВт.
• В США установлен ТЭ мощностью 70,6 МВт.
• В энергетических и тепловых ус­та­новках средняя эффективность в сред­нем составила 85 %.
• В 26 крупных магазинах (сеть Wal-Mart) для энергоснабжения установлено 26 ТЭ.
• Оператор сотовой связи Metro­PCS (США) установил 356 ТЭ в качестве резервных источников пита­ния базовых станций.
• Объем выработанной ТЭ элек­т­роэнергии в мире составил 1 080 000 МВт-ч (на 1.11.2012 г.).

Рынок ТЭ (по состоянию на 1.1.2012 г.)

Рынок ТЭ развивается динамично и, по мнению ряда экспертов, даже опережает по темпам роста другие сегменты рынка химических источников тока. Например, по оценке за 2011 г., мировой рынок ТЭ вырос на 37,5 %.

За период с 2008 по 2011 г. ры­нок вы­рос на 214 %. За 2010–2011 гг. инвес­тиции в данный сегмент выросли на 276 %. За тот же период в США инвестиции выросли на 553,5 %!

В 2011 году появились первые промышленные образцы ТЭ, которые предназначены для работы в тракторах и портовых погрузчиках. Велики перспективы ТЭ и в сегменте электромобилей, где они могут вытеснить резервные ДВС. Компания FuelCell Energy заключила в 2011 году самый крупный в истории ТЭ заказ — на поставку ТЭ мощностью 70 МВт компании POSCO Power (Корея).

За последние 11 лет в мире введено в эксплуатацию более 200 систем на базе ТЭ мощностью от 250 кВт до 4,8 МВт. Распределение по годам запущенных в эксплуатацию систем мощностью от 250 кВт до 4,8 МВт представлено на диаграмме 1. Общая мощность систем (мощностью от 250 кВт до 4,8 МВт), введенных в эксплуатацию в 2001–2011 гг., представлена в таблице 2.

Основные тенденции рынка ТЭ

Снижение цены (себестоимости) на ТЭ

Эксперты констатируют постоянное сни­жение цен на ТЭ. Например, в сег­­менте ТЭ для автомобилей, предназначенных не для тяжелых условий (light duty vehicles), цена с 2002 года в среднем снизилась на 80 %, а с 2008 года — на 30 %. Это обусловлено рядом технологических достижений, нап­ример, практически удвоилось вре­­­мя эксплуатации ТЭ (2002–2011 гг.).

Во многом снижение цен достиг­нуто за счет снижения удельной доли платины, входящей в состав ТЭ, которая достигла значения 0,2 г/кВт·ч, а в перс­пективе этот параметр достигнет значения 0,125 г/кВт·ч. Дру­гой источник удешевления ТЭ — снижение цен на комплек­тующие. Например, по оценке Ballard Power Systems, с 2008 года цена на комп­лектующие ТЭ снизилась на 55 %.

Диаграмма 1. Источник: ENCE GmbH

Таблица 2. Общая мощность систем (мощностью от 250 кВт до 4,8 МВт), введенных в эксплуатацию в 2001–2011 гг. Источник: ENCE GmbH

Рост доходов производителей ТЭ

В таблице 3 представлены данные по валовому доходу ряда крупных производителей ТЭ США, Японии и Великобритании. С учетом текущего мирового экономического кризиса представленные показатели характеризуют отрасль как инвестиционно привлекательную.

Таблица 3. Экономические показатели ряда производителей ТЭ (2009–2011 гг.). Источник: Pike Research

Инвестиции в отрасль

По оценкам экспертов, за период с 2009 по 2011 г. компании, произ­­­во­­­дя­­щие ТЭ, получили порядка 671,4 млн долл. в виде инвестиций.

В таб­ли­­це 4 представлены основные (Top-10) инвесторы на рынке ТЭ 01.01.2000–31.12.2011 г.. На долю ком­паний, нахо­дящихся в США, пришлось порядка 389,4 млн долл. из 528,9 млн долл.

Таблица 4. Основные (Top-10) инвесторы на рынке ТЭ (01.01.2000–21.12.2011 г.) Источник: Bloomberg New Energy Finance

Поставки ТЭ

Количество продаваемых ТЭ растет из года в год. Так, за период с 2008 по 2011 г. объем мировых продаж ТЭ вырос на 214 % — с 7000 до 22 000 устройств. За 2011 г. объем продаж ТЭ вырос на 6000 шт. (37 %). Отметим, что основная доля проданных в 2011 г. ТЭ пришлась на долю изделий, относящихся к классу стационарных, — более 15 000 шт. Рост суммарной мощности проданных ТЭ не столь впечатляет: с 60 до 82 МВт за период с 2008 по 2011 г. (37 %). Основная доля генерируемой мощности приходится на стационарные системы: более 40 МВт в 2008 г. и более 60 МВт в 2011 г.

Поставщики ТЭ сосредоточены в основном в Северной Америке и Азии, однако доля азиатских постав­щиков постоянно растет. За пе­риод с 2008 по 2011 г. в Северной Америке было поставлено 9900 систем с ТЭ, а в Азии, соответственно, 13 500 таких систем. Причем в Азии доминируют так называемые стационарные системы ТЭ (ТЭ для ста­ционарных систем). Отметим, что азиатские достижения обусловлены японской госу­дарственной программой по развитию стационарных генерирующих систем на основе ТЭ.

На диаграмме 2 представлено распределение поставленных систем на основе ТЭ в Северной Америке и Азии в 2008–2011 гг.

Диграмма 2. Распределение поставленных систем на основе ТЭ в Северной Америке и Азии в 2008–2011 гг. Источник: Pike Research

Среди стран — поставщиков ТЭ по количеству поставленных систем за последние четыре года резко выросла доля Японии, что обусловлено работами по государственной программе (см. выше). Велика доля Германии, растет доля США. Но с точки зрения поставленных МВт картина иная: растет доля поставщиков из США, велика доля корейских производителей ТЭ (диаграмма 3). Заметный рост доли «немецких МВт» обусловлен развитием сегмента ТЭ для транспортных систем. В целом европейский рынок наибольший интерес проявляет к ТЭ для транспортных сис­тем. В 2011 г. из поставленных 5200 систем с ТЭ на его долю пришлось 2700 шт. Однако динамика роста наиболее ощутима в сегменте стационарных систем на ТЭ: 100 шт. в 2008 г. и порядка 1500 шт. в 2011 г.

Диаграмма 3. Распределение поставленных систем на основе ТЭ по странам в 2008–2011 гг. (количество ТЭ и поставленные МВт). Источник: Pike Research

Государственные програм­мы, направлен­ные на разработку и внедрение ТЭ и сис­тем на их основе

США. В феврале 2009 г. в США вступил в силу закон, направленный на ликвидацию последствий экономического кризиса — так называемый American Recovery and Reinvestment Act, который стал катализатором развития индустрии ТЭ. Уже в 2010 г. этот закон обеспечил существенный рост продаж ТЭ и инвестиций в отрасль.

В 2010–2012 гг. ряд законодательных инициатив, направленных на использование альтернативных источников энер­гии, в том числе ТЭ, был принят во многих штатах —например, в Калифорнии, Коннектикуте, Индиане, Миссури.

Так, в штате Нью-Йорк действует программа, стимулирующая внедрение крупных и небольших ТЭ. Для крупных ТЭ (больше 25 кВт) инвестиции составят 1000 долл./кВт, или 200 000 долл. на проект в целом. Для небольших ТЭ предусмотрено выделение до 50 000 долл. на проект, а общие инвестиции по программе находятся на уровне 21,6 млн долл. (на период до 2015 г.).

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.

Законом предусмотрено выделение более 3 млрд долл. на различные водородные проекты.

Канада. Правительство с 1978 года поддерживает национальные компании и университеты, ведущие исследования в области ТЭ. За прошедшее время на эти цели было выделено свыше 200 млн долл. В 2003 году было принято решение выделять ежегодно в течение пяти следующих лет по 70 млн долл.

Япония. Поддерживает работы в об­ласти водородной энергетики с на­чала 80-х годов. В 1993 году она провозгласила крупную национальную программу в области водородной энергетики (World Energy Network — WE-NET), которая осуществлялась вплоть до 2002 года. В 2003 г. утверждена государственная программа по развитию стационарных генерирующих систем на основе ТЭ. Согласно принятой Министерством экономики, торговли и промышленности (METI) Японии программе (2008 г.), суммарная мощность стационарных станций должна увеличиться с 2,2 ГВт в 2010 г. до 10 ГВт в 2020 г. и до 12,5 ГВт — в 2030 г. Бюджет METI на 2010 г. составляет около 14 000 млрд иен (100 млрд фунтов стерлингов). Около 5 миллиардов иен (35 млн фунтов стерлингов) были ассигнованы на продвижение ТЭ класса PEM (новый пункт в бюджете).

Южная Корея. Министерство коммерции, индустрии и экономики Южной Кореи в 2005 году приняло план строительства водородной экономики к 2040 году. Цель — производить на ТЭ 22 % всей энергии и 23 % элект­ричества, потребляемого частным сектором. С 2010 года правительство Южной Кореи дотирует покупателю 80 % от стоимости стационарной энергетической установки на водородных ТЭ. С 2013 по 2016 год будет дотироваться 50 % стоимос­ти, а с 2017 по 2020 год — 30 %.

Индия. Создан Индийский национальный комитет водородной энергетики. В 2005 году комитет разработал Национальный план водородной энергетики. Планом предусмотрены инвестиции в размере 250 млрд рупий (порядка 5 млрд долл.) до 2020 года. Из них 10 млрд рупий выделено на исследования и демонстрационные проекты, а 240 млрд рупий — на строительство инфраструктуры по производству, транспортировке, хра­не­нию водорода и ТЭ на его основе. Планом поставлена цель — к 2020 году вывести на дороги страны 1 миллион автотранспортных средств, работающих на водороде. Также к 2020 году будет введено в эксплуатацию несколько электростанций общей мощностью 1000 МВт на основе ТЭ.

Европейский союз. С 1986 года ЕС профинансировал около двухсот проектов, основанных на изучении во­дородных технологий и ТЭ, затратив на это более 550 млн евро. В Евро­пе действует ассоциация «Европейская группа по ТЭ» (FuelCellEurope, www.fuel­­celleurope.org) — некоммерческая организация, основанная в 1989 году и занимающаяся выпуском информационных изданий по ТЭ и организацией семинаров. Также Евросоюз поддерживает ряд информационно-коммерческих проектов в области ТЭ, например, fuelcellmarkets.com.

Основные производители ТЭ для стационарных систем и их проекты

В настоящее время в мире насчитывается более 200 компаний — производителей ТЭ, предназначенных для применения в различных сегментах рынка. В данном обзоре наибольший интерес представляют поставщики ТЭ, ориентированные на рынок стационарных систем. Некоторые из них представлены в таблице 5. Среди крупнейших американских производителей можно выделить: FuelCell Energy, UTC Power, а также Bloom Energy.

Таблица 5. Основные производители ТЭ для стационарных систем и их базовые технологии. Источник: по данным компаний — производителей ТЭ

Bloom Energy основана в 2001 г. Первые модули мощностью 100 кВт были поставлены в 2008 г. компании Google. В 2011 г. компания успешно развивалась, расширив производство на заводе в г. Сан­нивейл (Sunnyvale), штат Калифорния (California), увеличив число рабочих мест на 1000 ед. Среди основных сделок прошедшего года компания выделяет поставку ТЭ оператору AT&T в Калифорнии общей мощностью более 7,5 МВт. Основные проекты компании в США представлены в таблице 6.

Таблица 6. Основные проекты Bloom Energy в 2011 г. в США. Источник: информация компании Bloom Energy

UTC Power на рынке с 1958 г. Компания активна в сегменте автономных электростанций благодаря флагманской модели PureCell® Mo­del 400, которая внедрена у нескольких заказчиков. Основные проекты компании в США представлены в таблице 7.

Таблица 7. Основные проекты UTC Power в 2011 г. в США. Источник: информация компании UTC Power

Таблица 8. Основные проекты FuelCell Energy в 2011–2012 гг. Источник: информация, предоставленная компанией FuelCell Energy

Итак, ТЭ постепенно начинают рассматриваться потребителями элект­роэнергии как ее возможный источник. Очевидно, что до завоевания заметной доли мирового рынка по производству МВт ТЭ необходимо определенное время, которое ученые и вендоры должны будут затратить на развитие данной технологии. Но уже сегодня в ряде сегментов ТЭ могут рассматриваться как разумная альтернатива традиционным источникам. Экологичность и высокий КПД будут самыми вескими аргументами при сравнении ТЭ с другими вариантами.

Александр Корсунский, независимый эксперт, к. т. н., с. н. с.

1 ГОСТ 15596-82. Источники тока химические. Термины и определения

2 fuelcelltoday.com

ЛИТЕРАТУРА

• VLADIMIR S. BAGOTSKY. FUEL CELLS: PROBLEMS AND SOLUTIONS. HOBOKEN. WILEY. THE ELECTROCHEMICAL SOCIETY SERIES, 2009.

• Абакумова Ю. П. Химические источники тока. — СПб: СПб ГУПС, 2004. — 26 с.

• Андреев И. Н. Электрохимические устройства. — ХИТ. - Казань: Изд-во КГТУ, 1999. — 84 с.

• Арзуманян Н., Микаэлян А., Данелян А. Топливные элементы — вчера, сегодня, завтра. // Альтернативная энергетика и экология. — 2005. — №10. — с. 65–68.

• Афанасьев К. Топливные элементы — батарейки будущего. // Радиолюбитель. — 2005. — №2. — с. 26–29.

• Бурков А.Ф. История электротехники до конца 19 в. — Владивосток: Морской Гос. Ун-т, 2006. — 153 с.

• Ковалев В. З. Химические источники энергии. — Омск: Изд-во ОмГТУ, 2005. — 66 с.

• Коровин Н. В. Электрохимическая энергетика. М.: Энергоатомиздат, 1991. 264 с.

• Кубасов В. Л., Зарецкий С. А. Основы электрохимии. — М.: Химия, 1985. — 168с.

• Лаврус В. С. Источники энергии. НиТ, 1997.

• Лебедев О. А. Химические источники тока. — СПб.: ЛЭТИ, 2002. — 55с.

• Лукомский Ю. Я , Гамбург Ю. Д. Физико-химические основы электрохимии. Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2008.

• Машурян Э. Оправдают ли ожидания новые источники питания. // Электронные компоненты. — 2006. — №6. — с. 20–24.

• Химические источники тока: Справочник / Под редакцией Н. В. Коровина и А. М. Скундина. — М.: Изд-во МЭИ, 2003. — 740 с.

• Феттер К. Электрохимическая кинетика, пер. с нем., М., 1967;

• Фильштих В. Топливные элементы, пер. с нем., М., 1968;

• http://en.wikipedia.org/wiki/Fuel_cell

• http://www.fuelcell.no

Источник: журнал ЦОДы.РФ, февраль 2013, № 02

Теги: Топливные элементы