Электрохимические технологии, как основа «новой энергетики» в условиях четвёртого энергоперехода

Сформировалась и получает развитие мировая тенденция перехода к безуглеродной экономике, в которой основой новой энергетики становятся возобновляемые источники энергии и водород как первичный энергоноситель.

А. М. КАШИН, А. Э. ГОЛОДНИЦИЙ, к.т.н., Группа компаний «ИнЭнерджи»

В представленном на рисунке 1 прогнозе развития источников электроэнергии увеличение в энергобалансе доли возобновляемых источников генерации со стохастическим характером выработки — ВЭС (36 %) и СЭС (22 %) составляет в общей сложности 58 %, в то время как доля нерегулируемых мощностей АЭС составит 4 %, а регулирующих мощностей ГЭС — всего 12 %. Обеспечение устойчивости энергосистемы в этом случае потребует сбалансированного развития тепловой генерации на водороде для резервирования и регулирования. Главное достоинство перехода на водород — исключение эмиссии в атмосферу углекислого газа — конечно же, если её не будет при самом производстве водорода. Экологическая чистота водорода делает его привлекательным для покрытия энергетических нужд мегаполисов и крупных городов с высоким удельным энергопотреблением на единицу площади. Но главное — водород особенно привлекательный энергоноситель для использования в мобильной (транспортной) энергетике, на долю которой приходится большая часть выбросов углекислого газа. При этом безальтернативной технологией замещения традиционных двигателей внутреннего сгорания, оправдывающей переход к водородной энергетике с энергетической и экономической точек зрения, становятся энергоустановки (ЭУ) с топливными элементами (ТЭ). 

Подтверждением этому служит и то, что ключевым элементом Национальной водородной стратегии Германии является многомиллиардная «Национальная инновационная программа в области водородных технологий и ТЭ». Ещё раньше активные разработки ТЭ были начаты в Японии, Южной Корее, США. В Японии и Южной Корее при активной государственной поддержке создаются демонстрационные зоны, целью которых являются,
во-первых, отработка технологии в реальных условиях эксплуатации и, во-вторых, демонстрация возможностей технологии для ускорения формирования соответствующего рынка. По этому же пути идет Германия, где начинают создаваться «водородные регионы» (HyLands), призванные ускорить разработку и рыночное внедрение топливных элементов и других водородных технологий. Топливные элементы — безмашинная технология прямого, то есть в одну стадию, преобразования химической энергии топлива в электрическую.
Главными конкурентными преимуществами энергетических установок с ТЭ являются их высокая энергетическая эффективность, надёжность, практически отсутствие вредных выбросов и бесшумность (рис. 2). В традиционных ЭУ с тепловыми машинами, как известно, имеется несколько промежуточных стадий преобразования энергии с соответствующими потерями в каждой. Сначала химическая энергия топлива превращается в тепловую энергию рабочего тела (камера сгорания, паровой котёл), затем тепловая энергия преобразуется в механическую (турбина, поршневой двигатель) и лишь потом — в электрическую (электрический генератор). Понятно, что это усложняет и удорожает энергоустановку, снижает её эффективность.
Повышение эффективности традиционных ЭУ исторически шло, во-первых, по пути увеличения термодинамических параметров (температуры и давления) и, во-вторых, повышения единичной мощности агрегатов. Первое обусловлено ограничениями цикла Карно, а второе — сокращением удельных потерь с ростом размеров и, следовательно, мощности агрегата. Кроме того, при увеличении мощности единичного агрегата снижались удельные материалоёмкость, стоимость, затраты на персонал и техническое обслуживание. Единичная мощность современных парогазовых установок превысила 1,5 ГВт, а их электрический КПД достиг 62–64 %. В установках меньшей мощности КПД существенно ниже (52–54 %). Следует отметить, что такие значения КПД достигаются только при работе ЭУ на номинальной нагрузке. При работе на частичных нагрузках, в отличие от ЭУ с ТЭ, КПД снижается значительно. К настоящему времени возможности повышения КПД традиционных ЭУ и их единичной мощности подошли к своему термодинамическому, механическому и экономически целесообразному пределу. Всё меньший прирост КПД достигается всё большим усложнением цикла, ростом температуры, которая в газовых турбинах уже превысила 1600 °С, увеличением капитальных затрат и стоимости ремонтов.

У ЭУ с ТЭ имеется большой потенциал для совершенствования. Эффективность современных серийно производимых единичных ТЭ достигла 75 %, показана практическая достижимость 80 %. Это позволило уже на текущем уровне развития технологии создавать ЭУ с ТЭ с электрическим КПД 60–65 %. Важно, что это могут быть ЭУ малой мощности — всего в несколько киловатт. Химический процесс в ТЭ является экзотермическим, то есть происходит с выделением тепла, которое может быть утилизировано в когенерационных и тригенерационных циклах, при этом эффективность использования химической энергии топлива может достигать 90 %. Очевидно, что в широком диапазоне мощностей у ЭУ с ТЭ просто нет конкурентов. Отсутствие движущихся частей и минимизированная роль сжигания топлива обеспечивают высокую надёжность и автономность работы таких установок при длительных сроках необслуживаемой эксплуатации. Особенно эффективно использование электрохимических генераторов с ТЭ в гибридных ЭУ с накопителями энергии — аккумуляторными батареями, покрывающими пики потребления энергии и заряжающимися от электрохимических генераторов в периоды дефицита нагрузки. Принципиальная особенность создания ЭУ с ТЭ заключается в их модульности (рис. 3). Элементарной ячейкой являются единичные ТЭ ограниченной мощности, которые собираются в батареи, причем достижение требующейся мощности батареи осуществляется за счёт увеличения числа ТЭ, при этом сами ТЭ могут производиться всего нескольких типоразмеров. Батареи объединяются в модули, из которых собираются электрохимические генераторы и затем, если нужно, энергоустановки требующейся мощности. Эта особенность оборачивается целым рядом достоинств энергоустановок с ТЭ: — массовое производство и применение однотипных изделий обеспечивают их высокую надёжность, снижение стоимости и высокий уровень ремонтопригодности ЭУ; — модульность конструкции позволяет снижать стоимость (рис. 4) и сроки разработки ЭУ с ТЭ за счёт унификации модулей и технических решений, отрабатывая конструкцию и технологию на менее дорогих изделиях небольшой мощности; — широкий диапазон регулирования мощности, недоступный для традиционных ЭУ, и высокий КПД во всем регулировочном диапазоне (регулирование мощности путём выключения части модулей с сохранением общей эффективности); — возможность обеспечивать требуемую установленную мощность ЭУ за счёт параллельной работы электрохимических генераторов оптимальной размерности, выпускаемых в массовых масштабах.

Полная версия статьи: Электрохимические технологии, как основа «новой энергетики» в условиях четвёртого энергоперехода