Перспективы использования водорода в энергетике (стр. 2 из 3)

Компьютерные расчеты показали, что расстояние между атомами платины в обогащенной ей оболочке короче по сравнению с этой дистанцией в чистой платине. Такое «сжатое» состояние фиксируется с помощью обогащенного кобальтом и медью ядра. Сокращенное межатомное расстояние платина–платина, по всей видимости, способствует более легкой адсорбции кислорода. Это же, судя по всему, изменяет электронную структуру оболочки так, что процесс переноса электрона с образованием отрицательно заряженной молекулы кислорода становится значительно упрощенным.

Типы топливных элементов

Существуют различные типы ТЭ. Их обычно классифицируют по используемому топливу, рабочему давлению и температуре, а также по характеру применения.

Наибольшее распространение получила классификация топливных элементов по типу электролита как среды для внутреннего переноса ионов (протонов). Электролит между электродами определяет операционную температуру и от этой температуры зависит тип катализатора.

Выбор топлива и окислителя, подаваемых в ТЭ, определяется, в первую очередь, их электрохимической активностью (то есть скоростью реакции на электродах), стоимостью, возможностью легкого подвода топлива и окислителя в ТЭ и отвода продуктов реакции из ТЭ.

Водород считается основным источником топлива для ТЭ, однако процесс преобразования топлива позволяет извлекать водород и из других его видов, включая метанол, природный газ, нефть и др.

В отличии от аккумулятора и батареек, ТЭ не истощается и не требует перезарядки; он работает, пока подается топливо.

Щелочной ТЭ (AFC)	Электролит состоит из жидкого KOH, который циркулирует в пространстве между электродами. Они использовались с середины 1960-х годов в космических программах, обеспечивая питанием электрические системы космических кораблей "Буран", "Шаттл" и др. Коммерческое применение их ограничено, т.к. они должны работать с чистыми водородом и кислородом (либо с кислородом воздуха, из которого удален углекислый газ). Щелочные ТЭ имеют КПД до 70%
ТЭ на протонообменной мембране(PEMFC)	В качестве электролита используется твердая полимерная мембрана (тонкая пластмассовая пленка), которая проводит водородные ионы (протоны) с анода на катод. Они обеспечивают высокую плотность тока, что позволяет уменьшать их вес, стоимость, объем и улучшать качество работы. Неподвижный твердый электролит упрощает герметизацию в процессе производства, уменьшает коррозию, и обеспечивает более долгий срок службы ТЭ. Эти ТЭ работают при низких температурах (ниже 100.С), что ускоряет запуск и реакцию на изменения потребности в электричестве. Они идеально подходят для транспорта и стационарных установок небольшого размера.
ТЭ на фосфорной кислоте(PAFC)	Электролитом является бумажная матрица, насыщаемая фосфорной кислотой, также проводящей протоны. Это наиболее разработанные коммерчески развитые ТЭ. Они применяются в стационарных электрогенераторных устройствах в зданиях, гостиницах, больницах, аэропортах и электростанциях. ТЭ на фосфорной кислоте вырабатывают электричество с КПД более 40% или около 85%, если пар, который производит этот ТЭ, используется для совместного производства тепла и электричества (в сравнении с 30% КПД наиболее эффективного двигателя внутреннего сгорания).
ТЭ на расплаве карбоната(MCFC)	Использует расплавленную смесь лития/калия (или лития/натрия) для проведения ионов карбоната от катода к аноду. Рабочая температура - приблизительно 650°C, что позволяет использовать топливо напрямую, без какой-либо дополнительной его подготовки, и никель в качестве катализатора. Их конструкция более сложна, чем конструкция ТЭ на фосфорной кислоте, из-за их более высокой рабочей температуры и использования расплава электролита. Им требуется существенное количество времени для того, чтобы они достигли рабочей температуры и смогли реагировать на изменения в потребности в электричестве, и поэтому лучше всего они подходят для условий, где необходима постоянная подача больших количеств электроэнергии. Наибольшее количество подобных установок построено в США и Японии. В США имеется демонстрационная опытная электростанция мощностью 1.8 МВт.
ТЭ на твердых оксидах(SOFC)	В качестве электролита используется твердый керамический материал (стабилизированная иттрием окись циркония), которая проводит атомы кислорода от катода к аноду при чрезвычайно высокой температуре - свыше 1000°C. Это позволяет им использовать относительно загрязненные виды топлива, например, получаемые при газификации угля. Энергетический КПД – около 60%. Их относительно простая конструкция (обусловленная использованием твердого электролита и самых разных видов топлива) в сочетании с существенным количеством времени, необходимым для того, чтобы они достигли рабочей температуры и смогли реагировать на изменения в потребности в электричестве, делает их подходящими для больших и очень больших стационарных электрогенераторных установок и электростанций.

Состояние работ по водородной энергетике в России

В России водородная проблематика давно и активно изучалась, правда, в основном для военного применения, достаточно вспомнить, что топливные элементы летали в космос на "Буране".

Россия имеет уникальные достижения в области разработки ТЭ. Однако пока что свои возможности мы не используем в достаточной мере, обрекая себя не только на отставание в перспективной области энергетики, но в будущем ставим себя в зависимость от мировой экономической и политической конъюнктуры.

Основные причины, препятствующие работам в России по ТЭ и водородной энергетике:

- отсутствие национальной программы по разработке и производству ТЭ и энергетических установок на их основе;

- отсутствие целевого государственного финансирования фундаментальных и прикладных исследований и разработок в области ТЭ. (Ранее они финансировались в рамках ракетно-космических программ);

- неразвитость и неготовность промышленной базы для производства ТЭ и энергетических установок на их базе;

- неготовность частного бизнеса по–настоящему субсидировать фундаментальные и прикладные исследования;

- отсутствие четкой и ясной государственной политики и реальной поддержки работ по экологически чистым ресурсо- и энергосберегающим технологиям.

ГМК "Норильский никель", крупнейшая в России и одна из крупнейших в мире компаний по производству драгоценных и цветных металлов, произвел значительные инвестиции в отечественную академическую науку, купил крупный пакет акций американской инновационной компании, ориентированной на разработку топливных элементов. Интерес "Норникеля" понятен: он — крупнейший производитель палладия и всех других платиноидов, без которых невозможно производство топливных элементов, существенно увеличивающих КПД производства энергии без нанесения вреда окружающей среде.

В целях сокращения допущенного отставания в исследованиях и разработках по водородной энергетике и топливным элементам и осознавая исключительное значение водородной энергетики для экономики России, ОАО "ГМК "Норильский никель" и Российская академия наук договорились о совместных работах по развертыванию и финансированию наиболее важных фундаментальных, научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по основным направлениям и элементам топливных элементов и энергетических устройств на их базе, предусмотрев в том числе:

o создание научно-технического, технологического и конструкторского задела по ключевым агрегатам, устройствам и системам водородной энергетики и ТЭ;

o формирование базовой кооперации академических институтов и промышленных предприятий по созданию систем и устройств водородной энергетики на основе ТЭ различных типов;

o отработку механизма финансирования работ по водородной энергетике и ТЭ с использованием частного капитала;

o изучение конъюнктуры рынка ТЭ и энергетических устройств на их базе;

o отбор наиболее привлекательных коммерческих (конкурентоспособных) проектов для освоения их серийного производства и продвижения на рынок;

o создание предприятий по производству ТЭ и энергетических установок на их основе;

o подготовку предложений по вариантам водородной инфраструктуры России и структуры автономной энергетики с использованием систем на базе ТЭ;

o формирование национальной программы России по водородной энергетике, создание руководящих и координирующих органов по ее реализации;

o подготовка предложений по формированию федеральной бюджетной политики финансирования работ по водородной экономике и ТЭ;

o разработка законодательной базы, нормативных документов, системы национальных стандартов, регламентов и требований к инфраструктуре водородной энергетики и ее ключевым элементам;

o пропаганда среди населения достоинств и преимуществ водородной энергетики, перехода страны к водородной экономике и др.

Предусматривается создать Совет по водородной энергетике и топливным элементам Российской академии наук, а также учредить всероссийский журнал по водородной энергетике.

За годы пристального внимания науки к водороду и его практического использования накопился опыт, на основе которого можно сформулировать несколько стратегических задач для отечественного нефтегазового комплекса.

Первая — энергетическая безопасность, провозглашенная нашим президентом как стратегическая программа, для реализации которой у России есть неоспоримые преимущества, она может получить серьезное усиление за счет принятия программных долгосрочных документов по водородной энергетике, конкретизирующих инновационность сформулированной задачи, но при обязательном регулировании этих процессов государством.