Стационарные топливные установки

Практически все экономически развитые страны имеют свои программы по развитию водородной энергетики, и в частности по внедрению стационарных топливных элементов.

Министерство энергетики США реализует программу Vision XXI, направленную на разработку технологий, необходимых для ультрачистых электростанций XXI века и для подготовки перехода на водородную энергетику. В рамках программы действуют проекты создания электростанций на базе топливных элементов. Созданы и устанавливаются электростанции на основе расплавкарбонатных топливных элементов (MCFC) с КПД около 85%, работающие на природном газе. Показатель стоимости одного киловатта установленной мощности этих электростанций оценен в $1200. К 2010 г. предполагается снижение этого показателя до $400 (для энергоустановок на базе дизельных генераторов показатель стоимости киловатта установленной мощности оценен в $800 — $1500).

В 2005 году в США был принят Энергетический Билль. Билль предусматривает 30% инвестиционные налоговые кредиты до уровня $1000 за кВт. установленной мощности.

Китай осуществляет интенсивное внедрение водородных топливных элементов, электростанций и энергоустановок на основе топливных элементов в национальные электроэнергетические системы. В ближайшие три года КНР намеревается инвестировать в водородные технологии около $40 млн. Показателем высокого уровня конкурентоспособности в водородной энергетике является тот факт, что Китаю принадлежит около 25% зарегистрированных в мире патентов в области топливных элементов.

В Японии согласно результатам анализа, проведенного Токийским исследовательским институтом системных технологий, продвижение «чистых» энергетических технологий должно вызвать экономический рост и привести к созданию до 2010 г. 180 тыс. рабочих мест. Согласно принятой Министерством экономики, торговли и промышленности программе суммарная мощность стационарных станций должна увеличиться с 2,2 ГВт в 2010 г. , до 10ГВт — в 2020 г. , до 12,5 ГВт — в 2030 г.

В ЕС общие инвестиции в водородную программу составляют от 4 до 15 млд. евро. Доля водорода в топливном балансе страны должна составлять 2% к 2015 г. и 5%- к 2020 г.

Для России водородная программа также является актуальной. В отличие от развитых стран, где основной упор делается на освоение водородных топливных элементов в транспортной сфере, для России такой первоочередной сферой является инфраструктура. Это объясняется тем, что действующие энергоустановки, теплотрассы и линии электропередачи достигли предельного износа. Проблема может быть решена, в частности, с помощью перехода к энергетическим установкам на основе водородных топливных элементов.

В 2003 компания «Норильский никель» и Российская академия наук подписали соглашение о ведении научно-исследовательских работ в сфере водородной энергетики. «Норильский никель» вложил в исследования 40 млн. долларов. Михаил Прохоров заявил в феврале 2007 года, что компания вложила в разработку водородных установок $70 млн. и уже есть опытные образцы, на внедрение которых уйдёт несколько лет.

Нефтегазовые транснациональные корпорации не рассматривают водород как угрозу. Напротив, они считают, что он станет частью их энергетического будущего. Royal Dutch/Shell, ExxonMobil, Texaco, British Petroleum и другие активно ведут разработку водородных технологий. ExxonMobil совместно с General Motors и Toyota занимаются топливными элементами. Shell и ВР создали дочерние компании, деятельность которых полностью сконцентрирована на водородных технологиях. При этом Shell инвестирует в разработки водородных энергетических технологий суммы, сопоставимые с предусмотренным бюджетами США или Японии финансированием государственных водородных программ. Инвестиции Texaco сконцентрированы на технологиях бортового хранения водорода. Shell и Texaco финансируют разработки реформеров — устройств, позволяющих получать водород из бензина на борту автомобиля. Дочерняя фирма DaimlerChrysler — компания MTU — занимается коммерциализацией высокотемпературных топливных элементов, разработанных для стационарного применения. Так, в кампусе университета Bielefeld она установила электростанцию на высокотемпературных топливных элементах мощностью 250 кВт.

Сравнение топливных элементов с традиционными системами отопления и электроснабжения. Топливные элементы в настоящее время представляют большой интерес в мировой практике. Это связано с тем что они обладают рядом значительных преимуществ перед традиционными системами теплоснабжения зданий.

1. Высокая эффективность — при использовании только электрической энергии КПД установки составляет 30—50 %; при использовании и электрической, и тепловой энергии КПД может достигать 90 %, поскольку для топливных элементов нет термодинамического ограничения КПД.
2. Доступность и низкая стоимость топлива — в стационарных топливных элементах обычно используется доступный и дешевый природный газ (необходимый для работы водород вырабатывается из топлива непосредственно в топливном элементе); кроме природного газа может использоваться чистый водород и любое водородсодержащее сырье: газ из метантенков, аммиак, метанол, бензин и т. д
3. Экологичность — при использовании в качестве топлива чистого водорода продуктом реакции является только вода (водяной пар); при использовании других видов топлива возможно незначительное выделение других газов, например, оксидов углерода и азота
4. Масштабируемость — в отличие, например, от двигателей внутреннего сгорания, КПД топливных элементов остается постоянным в любом диапазоне вырабатываемой мощности; малые установки столь же эффективны, как и большие; мощность установок может быть увеличена простым добавлением отдельных элементов.
5. Надежность и долговечность.
6. Низкий уровень шума при работе.
7. Простота эксплуатации — топливные элементы практически не нуждаются в обслуживании.
8. Возможность размещения топливного элемента непосредственно на обслуживаемом объекте, что снижает потери на транспортировку энергии и дает возможность использования установок в качестве аварийных источников энергии.

В то же время, не смотря на преимущества стационарных топливных элементов, широкому распространению препятствует главным образом их высокая стоимость, которая в настоящее время составляет в среднем 4—5 тыс. долл. за кВт.

По оценкам же специалистов, массовое применение топливных элементов станет экономически целесообразным при их стоимости 1–2,5 тыс. долл. за кВт. В настоящее время ряд компаний-производителей уже объявили о возможном достижении таких показателей в скором времени.
Экономическая эффективность использования стационарных топливных элементов определяется во многом следующими факторами:

• стоимостью электроэнергии и природного газа в месте эксплуатации установки;
• возможностями использования тепловой энергии;
• эксплуатационными расходами;
• ожидаемым сроком службы установки;
• уровнем надежности установки;
• отсутствием протяженных коммуникаций.

Также значимым фактором, негативно влияющим на внедрение стационарных топливных элементов, является отсутствие инфраструктуры или транспортной базы для водорода.

Крупные стационарные приложения

Под крупными стационарными установками понимают электростанции мощностью более 10 кВт. К концу 2006 года во всём мире было установлено более 800 стационарных энергетических установок. Их суммарная мощность — около 100 МВ. За 2006 год также построено более 50 установок суммарной мощностью более 18 МВт Среди технологий производства крупных стационарных установок лидируют MCFC и PAFC. Не смотря на то, что большая часть стационарных топливных элементов в настоящее время работает на природном газе, всё большее количество установок работают с альтернативными видами топлива (сингазом, биогазом). Для повышения эффективности, снижения себестоимости энергии, и для утилизации тепловой энергии применяются установки, совмещающие топливные элементы и газовые турбины. Компания FuelCell Energy разработала гибридную версию топливного элемента и газовой турбины. В этой схеме топливный элемент производит 4/5 энергии, а остальную часть из тепловой энергии — турбина. Испытывается 40 МВт. электростанция, состоящая из 10 топливных элементов и одной турбины мощностью 10 МВт. Основные компании-производители крупных стационарных приложений представлены в таблице:

В США и Японии планируется строительство крупных тепло-электростанций мощностью 40 — 700 МВт. двойного и тройного цикла с общим КПД более 80% и выбросами СО2 на 30% меньше, чем на традиционных угольных электростанциях.

Малые стационарные установки

Малыми стационарными установками являются электро- и теплостанции мощностью от 0,75 кВт. до 10 кВт. Технологии PEM (протон-обменная) и SOFC (твердо-оксидная) сейчас занимают основное место в производстве домашних стационарных установок. Малая энергетика постепенно становится одной из наиболее оправданных сфер применения топливных элементов. При этом по сравнению с автомобильными водородными двигателями и топливными элементами для портативной электроники малые стационарные установки рекламируются менее масштабно. Домашние энергетические станции имеют возможность производить электроэнергию в течении 8 часов, а тепло и горячую воду — 24часов. Помимо перечисленных выше преимуществ, присущих топливным элементам в целом, популярность малых стационарных установок можно также объяснить их малыми размерами, т. е. их легко встроить в существующую инфраструктуру. Можно говорить, что существует тенденция роста объема стационарных установок в мире. Основные компании-производители представлены ниже.

Всего в 2006 году было продано 1500 стационарных топливных элементов, при этом общий объем установленных на конец 2006 года таких элементов в мире оценивался в 5000 шт. В 2006 году большая часть малых приложений была установлена в Японии. Перспективы развития стационарных топливных элементов По прогнозам экспертов, к концу XXI века водородные топливные элементы, ядерные энергетические установки и возобновляемые источники станут основными поставщиками электроэнергии, в то время как электростанции на угольном топливе или нефти полностью утратят свое значение.

Единственным видом ископаемого топлива, который сохранит свое место, останется природный газ, однако, его удельный вес будет существенно ниже, чем у новых альтернативных источников. Переход на новые виды топлива будет иметь существенное значение для организации энергетики. На смену мощным электростанциям придут маломасштабные генерирующие системы, которые будут создаваться вблизи потребителей электроэнергии. К концу XXI века децентрализованные системы, основанные главным образом на использовании водородных топливных элементов и преобразователях солнечной энергии, будут обеспечивать почти половину потребностей рынка в электроэнергии. Доля водородных топливных элементов достигнет к 2100 году 38%.