Электрохимические микроТЭЦ: почти готовы
Опубликовано: 30 июля 2010 г.
322
А. Прудников
В последнее время всё больше участников европейского рынка отопительной техники анонсируют принципиально новое оборудование для автономного тепло- и электроснабжения жилых домов – электрохимические генераторы на топливных элементах. Ведущие производители котельного оборудования (Baxi Group, BBT, MТS, Vaillant, Viessmann и некоторые другие) активно сотрудничают с фирмами, разрабатывающими и изготавливающими основные компоненты для электрохимических генераторов, или включают их в свой состав.
Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.
«Энергетика будущего»
Эксперты прогнозируют, что к 2010 г. внутренний европейский рынок отопительной техники будет ежегодно потреблять до 250 тыс. устройств на топливных элементах. Крупнейшим их потребителем может стать Германия, «приняв» до 40 % всей европейской продукции данного типа для бытового применения.
Такие прогнозы неслучайны: в сравнении с другими автономными источниками тепла энергоблоки на топливных элементах отличаются высокой эффективностью, надежностью, долговечностью и простотой эксплуатации (практически не нуждаются в обслуживании). Еще одно важное достоинство: уровень шума и вибрации при работе установок на топливных элементах сведен к минимуму. Благодаря этому использование электрохимических генераторов становится оптимальным решением при автономном тепло- и электроснабжении высотных зданий, в частности, городского элитного жилья, для которого высокие шумовые показатели дизельных и газопоршневых установок до сих пор являлись основной преградой сооружению крышных мини-ТЭЦ.
Но главное преимущество энергогенераторов на топливных элементах – хорошие экологические показатели: если в качестве топлива используется чистый водород, то, кроме электричества и тепла, продуктом реакции будет только водяной пар. То есть в данном случае получение энергии не связано с выделением СО2, вызывающего парниковый эффект, и других вредных веществ. Если в качестве топлива используется водородсодержащее сырье, например природный газ, в реформере будут выделяться нежелательные продукты реакции: угарный газ (CO), оксиды азота (NOx), углеводороды (CxHy) и др. Но эмиссия в атмосферу вредных веществ от топливных элементов гораздо ниже, чем при работе традиционных энергоблоков. Так, выбросы CO2 оказываются на 25–50 % меньше, чем при работе газопоршневых когенерационных установок.
Популярность идеи применения установок на топливных элементах связана и с тем, что они легко вписываются в существующую инфраструктуру теплоснабжения. Модели мощностью до 10 кВт, предназначенные для автономного энергоснабжения коттеджей и домов на 2–4 семьи, по размерам не больше домашнего бойлера, используют в качестве водородсодержащего сырья природный газ, сжиженный углеводородный газ и др. В последние годы всё чаще рассматривается и возможность применения легкого жидкого топлива. Многие производители, преимущественно американские и японские, анонсируют выпуск таких моделей в 2008 г.
До недавнего времени широкому распространению топливных элементов мешал, пожалуй, только фактор цены: их стоимость составляла в среднем 3–4,5 тыс. долл. за 1 кВт установленной электрической мощности, а конкурентоспособная цена – около 1,5 тыс. долл./кВт. Сейчас некоторые разработчики крупных энергоблоков уже добились снижения стоимости до 700–800 долл./кВт установленной мощности.
Сегодня внедрению водородных технологий значительно способствуют такие международные финансовые институты, как International Finance Corporation, Global Environment Facility и др., которые не только осуществляют прямые инвестиции в разработку оборудования, но и помогают приобрести энергоблоки в лизинг.
В США и Японии, занимающих лидирующие позиции в производстве и электрохимических установок, существует также практика прямых государственных субсидий в водородные проекты. В США в 2005 г. был принят Энергетический билль, предусматривающий налоговые льготы и кредитование, позволяющие снизить затраты на оборудование до уровня 1 тыс. долл./кВт установленной мощности.
В Японии субсидируются не только капитальные затраты, но и стоимость произведенной электроэнергии: 1,5–2,0 цента за киловатт-час. С 2006 г. в этой стране действует многолетняя программа по внедрению водородных технологий, в рамках которой субсидируется установка 6400 стационарных энергогенераторов на топливных элементах (часть из них будет предоставлена пользователям бесплатно). Это одна из мер, направленных на снижение энергетической зависимости страны.
Что касается Европы, то в этом году ожидается новый раунд больших демонстрационных проектов в рамках инициативы HyCom (Hydrogen Communities), и уже с 2008 г. многие европейские производители планируют начать серийные поставки установок на топливных элементах на рынок отопительной техники.
Немного теории
Для автономного тепло- и электроснабжения применяется несколько разновидностей топливных элементов, которые различаются составом использованного электролита. На данный момент в качестве наиболее перспективных для автономных источников электричества и тепла рассматриваются следующие топливные элементы: с фосфорно-кислым электролитом – PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell); расплавные карбонатные – MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell); с твердополимерным электролитом или протонно-обменной мембраной – PEFC, PEMFC (Polymer Electrolyte и Proton Exchange Membrane Fuel Cell); твердооксидные – SOFC (Solid Oxide Fuel Cell).
PAFC, разработанные американскими специалистами в 1970-х, применялись для оснащения космических кораблей Space Shuttle и сейчас используются в составе источников тепло- и электроснабжения средней (около 200 кВт) мощности. Диапазон рабочих температур – 150–200 °C. В качестве электролита применяется раствор фосфорной кислоты. В реформере топливного элемента помещаются бумажные электроды, покрытые углеродом, в котором рассеян платиновый катализатор. Электрический КПД – 37–42 %; общий, с учетом использования тепловой энергии, – около 80 %. Если в качестве топлива используется не водород, а, например, бензин, из него необходимо предварительно удалить серосодержащие соединения. Установки на топливных элементах типа PAFC стали первыми коммерчески доступными в сегменте средней мощности (модель PureCell 200 появилась на рынке в 1991 г.). В основном они находят применение в энергоснабжении крупных объектов: общественных и жилых зданий, гостиниц, торговых центров, больниц, университетов, аэропортов и пр.
Появившиеся в 1960-х MCFC использовались при реализации американских космических программ: Apollo, Apollo-Soyuz и Scylab, а в середине 1970-х Министерство энергетики США решило получить на их базе модель мини-ТЭЦ для коммерческого применения. В 1990-х запущено несколько таких установок номинальной мощностью до 250 кВт. Они работают при высоких (600–700 °C) температурах, что позволяет использовать топливо без внешнего реформера (блок получения водорода), усложняющего конструкцию аппарата. Электролитом служит расплав солей карбоната калия и карбоната лития, нагретых примерно до 650 °C. На аноде водород взаимодействует с ионами CO3, образуя воду и диоксид углерода, а также высвобождая электроны, которые направляются во внешнюю цепь. На катоде кислород взаимодействует с диоксидом углерода и электронами из внешней цепи, вновь образуя ионы CO3.Топливные элементы на основе расплавленного карбоната имеют высокий КПД по электричеству – 60 %, а общий – до 85 %. Однако модели на MCFC требуют долгого запуска и не поддаются быстрой регулировке мощностей. Поэтому в настоящее время они применяются только на крупных объектах в качестве стационарных источников тепловой и электрической энергии.
В настоящее время в бытовом сегменте отопительной техники доминируют две технологии топливных элементов: энергоблоки с протоннообменной мембраной (PEM) и твердооксидные топливные элементы (SOFC), которые стараниями разработчиков всё активнее осваивают нишу отопительного оборудования малой (до 10 кВт) мощности. По оценкам производителей, в 2006 г. около 75 % установок бытового назначения изготовлены по технологии PEM, остальные 25 % – на основе SOFC.
PEMFC (PEM) – разработка General Electric, также выполненная в 1960-х по заказу космического ведомства США. Номинальная мощность – 1–100 кВт. Благодаря относительно низким (60–160 °C) рабочим температурам данный тип топливных элементов успешно применяется для питания различных электронных устройств – мобильных телефонов, ноутбуков и пр. Технология находит применение в производстве автомобилей и бытовом сегменте отопительной техники. Менее эффективно использование топливных элементов PEM для тепло- и электроснабжения крупных общественных и промышленных зданий, где требуются большие объемы тепловой энергии. Основная составляющая такого топливного элемента – протонно-обменная мембрана. Через нее могут перемещаться положительно заряженные ионы водорода, но не проходят электроны; в результате между катодом и анодом возникает разность потенциалов. Топливные элементы такого типа характеризуются высокой удельной мощностью, могут быстро включаться и менять выходную мощность. Недостаток – высокие требования к фильтрации топлива: плохо очищенный бензин способен вывести мембрану из строя.
Первые опытные образцы SOFC созданы в конце 1950-х в США и Голландии. В настоящее время на их базе выпускают коммерческие стационарные мини-ТЭЦ мощностью от 250 кВт до 5 МВт. Они работают при температурах 700–1000 °C, что позволяет использовать даже плохо очищенное топливо, и применяются в качестве крупных стационарных источников тепловой и электрической энергии. Анод, катод и электропроводящий элемент (электролит) SOFC – из специальных сортов керамики; часто в качестве электролита используются смесь оксида циркония и оксида кальция. Электролит образует кристаллическую решетку, покрытую с обеих сторон пористым электродом. Такие элементы выполняются в виде трубок или плоских плат. При высоких рабочих температурах на катоде образуются ионы кислорода, которые диффундируют через кристаллическую решетку на анод, где взаимодействуют с ионами водорода, образуя воду и высвобождая свободные электроны. При этом водород выделяется из природного газа непосредственно в ячейке, то есть модель не нуждается в отдельном реформере. Твердооксидные топливные элементы отличаются высокой надежностью. Например, прототип топливного элемента SOFC, созданного компанией Siemens Westinghouse Power Corp. (США), наработал 16,6 тыс. часов, что стало мировым рекордом по продолжительности непрерывной эксплуатации топливного элемента.
Прошли испытания…
Одним из первых европейских производителей отопительной техники, приступивших к разработке топливных элементов PEM, стала компания Vaillant. В 1999 г. на ее технологической базе основано совместное предприятие с компаниями Plug Power и GE Fuel Cell Systems (США). Это объединение стало разрабатывать бытовые модели топливных элементов с использованием PEM-ячеек и газовой аппаратуры производства Plug Power. Выпускаемое оборудование рассчитано на небольшие дома или аналогичные по размерам помещения предприятий малого бизнеса (кафе, магазины, бензозаправки и пр.). Каждый энергоблок обеспечивает 4,6 или 3,5 кВт электрической мощности. 400 таких установок прошли тестирование в нескольких европейских странах. Участие в испытаниях приняли Plug Power Holland, Gasunie (NL, Ruhrgas, RWE Power), университеты Лиссабона и Эссена, Германский аэрокосмический центр, Европейская теплоэнергетическая ассоциация, а также испанская компания Sistemas de Calor. Вывести данные аппараты на массовый рынок Vaillant планирует к 2010 г.
Другие лидеры европейского рынка готовятся выйти на рынок бытовых мини-ТЭЦ на топливных элементах. Так, в 2000 г. Viessmann в рамках научно-исследовательского проекта совместно с OMG, Sud Chemie, SGL Carbon Group, ZSW и университетом Дортмунда приступил к созданию генератора энергии на основе PEM, результатом чего стала установка электрической мощностью 2, тепловой – 3 кВт. В течение этого года она проходит эксплуатационные испытания, а в 2008 г. с конвейера сойдет небольшая «пилотная» партия. Но масштабные продажи, по мнению сотрудников Viessmann, будут возможны не ранее 2010 г.: чтобы сделать продукт конкурентоспособным, необходимо существенно поработать над снижением его себестоимости.
С 2002 г. в международный холдинг Baxi Group входит компания European Fuel Cell GmbН (в настоящее время – Baxi Innotech), основанная в 1999 г. специально для разработки и внедрения на европейский рынок топливных элементов. К 2005 г. создан прототип теплоэлектрогенераторных установок малой мощности Beta на топливных элементах PEM. Модель Beta 1.5 (электрическая мощность – 1,5 кВт) прошла эксплуатационные испытания, наработав за год 5 тыс. часов. На выставке ISH-2007 специалистам была представлена установка Beta 1.5 Plus. Тепловая мощность её PEM-блока – 3 кВт; общий КПД – более 80 %. Модель оснащена встроенным конденсационным котлом с модуляцией мощности от 3,5 до 15 кВт, опционально – накопительным водонагревателем. Габариты (ширина, глубина, высота) Beta 1.5 Plus составляют 100×73×185 см. Присоединительное давление природного газа – от 18 до 25 мбар. Появление этого продукта вызвало большой интерес, но, как отмечают специалисты Baxi Group, говорить о его широких продажах пока преждевременно.
Еще один известный концерн – BBT Thermotechnik – участвует в совместной программе RWE Fuel Cells (подразделение немецкой компании RWE AG) и производителя топливных элементов IdaTech (США) по созданию на основе PEM микроТЭЦ EtaGenTM электрической мощностью 5 кВт. В рамках данного сотрудничества компании IdaTech отведена роль разработчика непосредственно топливного элемента, на основе которого RWE Fuel Cells и BBT Thermotechnik смогли бы выполнить энергоблок и провести его испытание в традиционной системе отопления. На них же возложены задачи по адаптации полученного оборудования к европейским стандартам и по развертыванию серийного производства. В 2005 г. установка прошла эксплуатационные испытания.
Что касается производства бытовых установок, выполненных на основе SOFC, то одним из первых европейских производителей в этой области стала компания Sulzer Hexis (Швейцария), которая в 1998 г. разработала проект энергоблоков малой мощности. В последующие годы совместно с мультисервисной компанией EWE AG (Германия), работающей на рынке автономного тепло- и электроснабжения, на территории Европейского Союза началась реализация бытовых моделей HXS 100 мощностью 10 кВт. В прошлом году компания представила энергоблок последнего поколения на основе SOFC – Galileo.
В 2008 г. итальянская компания Merloni Termosanitari (MTS Group) планирует вывести на европейский рынок отопительной техники модели мини-ТЭЦ мощностью до 10 кВт, в которых используются SOFC производства компании Acumentrics (США). В настоящее время MTS совместно со своим американским партнером проводит испытания двух версий топливных элементов с технологией «захвата» СO2 для коттеджей на одну-две семьи.
В 2005 г. британский производитель Ceres Power заключил соглашение с British Gas о развитии и маркетинге бытовых электрохимических генераторов мощностью 4 кВт с использованием SOFC собственного производства. Энергоблоки предназначаются для внутреннего рынка Великобритании; ожидается, что установки появятся у дилеров в 2008 г.
Также выпуск твердооксидных топливных элементов анонсировала английская компания Rolls-Royce, которая в настоящее время тестирует установки общей мощностью 80 кВт, предназначенные для автономного тепло- и электроснабжения домов с проживанием до 15 семей, а в 2008 г. планирует продемонстрировать свой продукт участникам европейского рынка отопительной техники.
Статья напечатана в журнале «Аква-Терм» #2(36) 2007