Наверх

Эра водородной энергетики

10 Февраля 2016
Журнал Энергия без границ 4 (35) ноябрь – январь 2016 г.

Самая совершенная система безопасности надежна лишь настолько, насколько надежно и постоянно электропитание, которое поддерживает ее работу. Любой сбой в энергоснабжении наносит не только материальный ущерб, но и может представлять угрозу жизни человека. Особой защиты от перебоев в системе энергоснабжения и в установке резервных систем энергоснабжения нуждаются учреждения здравоохранения, ЖКХ, промышленные объекты с непрерывным циклом, предприятия атомной и химической промышленности, объекты МЧС, объекты связи и информационного обеспечения. Для обеспечения бесперебойной работы таких объектов в настоящее время используются источники мощностью от десятка до сотен киловатт, которые поддерживают нормальный режим электропитания, как правило, в течение нескольких часов до устранения аварии на основной линии, обеспечивая бесперебойное питание для краткосрочных потерь мощности. Однако могут возникнуть ситуации (стихийные бедствия, теракты и т.п.), в которых необходимо применение систем для более продолжительных перерывов в работе электросети.

В принципе, сохранение электроэнергии несложный процесс — достаточно преобразовать ее в какую-то другую форму и желательно без заметных потерь. Давно известен способ превращения электрической энергии в механическую и наоборот. На этой идее основана работа гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС), занимающих важное место в структуре больших электрических сетей. Есть и другие, не столь масштабные, разновидности механических устройств хранения энергии.

Один из самых распространенных методов — сохранение энергии в ее химической форме. Это, прежде всего, различные типы хорошо известных химических аккумуляторов. Здесь и «патриархи» электрохимии — свинцовые аккумуляторы, которые пока еще стоят почти в каждом автомобиле, и NiCd, NiMH (никель-гидридные), натрий-серные и целый спектр батарей на основе лития. И это далеко не полный список.

Но, перечисленные способы хранения энергии, по большому счету, не подходят для резервных систем электропитания среднего уровня мощности (от единиц до десятков, от силы сотен киловатт). Механические системы зачастую слишком громоздки, неудобны в эксплуатации, некоторые из них не слишком надежны. А электрохимические аккумуляторы различного типа во многих случаях неприемлемы с экономической точки зрения. Кроме того, эксплуатационные свойства аккумуляторов оставляют желать лучшего — выделение вредных веществ во время работы, саморазряд, эффект памяти и прочее.

Решение данной проблемы пока, главным образом, происходит с помощью технологий начала прошлого века, неплохо отработанных за долгие десятилетия и достигших пределов технического совершенства в своем классе устройств. Это дизельные и бензиновые генераторы на жидком топливе (солярка, бензин). Последние занимают в основном нишу электрогенераторов малой мощности для индивидуального пользования, а дизель-генераторы обеспечивают резервное электроснабжение при мощностях десятки и сотни киловатт.

Хранение резервной энергии происходит в виде жидкого топлива. Казалось бы: компактно и удобно, однако такой способ несет много проблем.

Во-первых, необходимо регулярно снабжать генератор топливом и хранить топливо до момента использования резерва, а это заметно увеличивает стоимость эксплуатации.

Во-вторых, коэффициент полезного действия таких устройств, особенно небольшой мощности, невелик — 30-40%, что опять-таки отражается в финансовых потерях.

В-третьих, работа генератора сопровождается шумом, постоянным выхлопом пожароопасных паров топлива. Поэтому для данных установок требуется специально оборудованное помещение. Более того, включение резерва занимает довольно много времени — минуты и более, что в некоторых случаях неприемлемо.

Альтернативой вышеупомянутых систем являются системы резервного электроснабжения на базе водородных топливных элементов. Именно такие топливные элементы, бесшумные и экологически чистые, в ближайшее время станут основным решением в качестве источников гарантированного электропитания.

Главный элемент таких топливных элементов — наилегчайший газ, водород Н2. При соединении водорода с кислородом (горении) выделяется 120 мегаджоулей энергии на килограмм водорода. Для сравнения — по энергосодержанию килограмм водорода соответствует примерно трем килограммам бензина или природного газа, восьми килограммам среднесортного угля. Продуктом реакции является экологически чистая вода.

Человечество давно начало задумываться, как использовать водород в качестве энергоносителя и, в том числе, для создания резервных запасов энергии. Особенно активным этот процесс стал в последнюю четверть прошлого века. Именно тогда прочно вошел в обиход термин «водородная энергетика». В процессе развития данной теории встали два принципиальных вопроса — экономически целесообразное производство водорода в больших масштабах и его хранение. В резервных источниках энергии водород получается из подготовленной воды путем электролиза. Если учитывать, что в одном литре воды потенциально содержится энергия (в виде водорода) эквивалентная энергии двух стаканов бензина или почти килограмма угля, а коэффициент полезного действия современных электролизеров весьма высок, можно сказать, что мы владеем неограниченными запасами энергии.

Экологическая чистота (отсутствие выбросов СО2 и других вредных веществ) внутренне присуща водородной энергетике, поэтому во многих случаях «водородный» подход позволяет реализовать очень эффективные и изящные технические решения, а часто и экономически весьма привлекательные. Характерным примером могут служить современные подводные лодки (не ядерные), где водород вместе с системами его хранения широко используется и позволяет радикально улучшить тактико-технические характеристики.

Однако реально доля таких систем в масштабе мировой энергетики пока пренебрежимо мала. И это, несмотря, на ведущиеся несколькими десятилетиями разработки. Здесь существует одна, но очень серьезная проблема — вопрос хранения водорода. На сегодняшний день существует несколько основных способов, которые используются в системах водородной энергетики.

Одно из решений — хранение водорода в жидком виде (по аналогии хранения в баллонах жидкого пропана). Но пропан становится жидким при комнатной температуре и при небольшом избыточном давлении, а водород превращается в жидкость только при температуре 21°К (-252°С) при атмосферном давлении. Для его хранения и использования в жидком виде требуются сложные и высокотехнологичные криостаты, системы ожижения и перекачки. Хотя данный способ хранения отличается очень хорошими, практически предельно возможными, весовыми и объемными характеристиками — отношением запасенной энергии к общему весу или объему, обеспечить хранение небольших количеств жидкого водорода (десятки литров) без существенных потерь в течение длительного времени крайне сложно и дорого.

Второе, не менее очевидное решение, — хранить водород в виде сжатого газа. При данном способе возникают иные проблемы. Вес стандартного металлического водородного баллона (объем 50л, давление 150 бар) около 80 килограммов, а водорода в нем содержится чуть более 650 грамм! Такая пропорция абсурдна — вес «упаковки» более чем в сто раз больше веса «предмета». Несколько лучше ситуация при закачке водорода в современные прочные баллоны, изготовленные из композитных полимерных материалов и рассчитанные на давление до 700 бар.

Существует еще один способ обратимого хранения водорода — в виде гидридов металлов. Многие металлы и их смеси (интерметаллиды) способны образовывать специфические соединения с водородом, называемые гидридами. Кроме того, некоторые из них обладают замечательной способностью поглощать водород при сравнительно низких температурах, возвращая его обратно практически полностью при более высоких температурах, причем рабочий диапазон температур может быть очень узким — некоторые современные системы могут поглощать водород при 20°С, а отдают его обратно при 80°С. А поскольку атом водорода довольно мал (ядро, состоит из одного протона), он легко находит себе место между более массивных атомов металла — атомов водорода в гидриде обычно в несколько раз больше, чем атомов металла

Перспективными материалами для хранения водорода являются обратимые гидриды интерметаллических соединений, которые можно представить общей формулой AmBmHx, где A — металл, образующий стабильный бинарный гидрид, а металл B в обычных условиях с водородом не взаимодействует (обычно переходный металл, например, Fe, Co, Ni, V, Mn, Cr и т.д.). Наибольшее практическое значение представляют гидриды типов AB5 (A — редкоземельные металлы, Ca), AB2 и AB (A — элементы подгруппы титана), A2B (A — обычно Mg). Среди преимуществ хранения водорода в гидридах металлов можно назвать высокую безопасность, поскольку водород хранится в твердофазном связанном состоянии, высокую объемную плотность хранения (сравнимую с жидким водородом), возможность подбора равновесных температур и давлений реакции поглощения/выделения водорода в широком диапазоне. Среди минусов главный — низкая массовая плотность хранения, не превышающая на практике 1 — 2% масс., однако для стационарных применений это не является существенным ограничением. (рис. 1).

Журнал Энергия без границ 4 (35) ноябрь – январь 2016 г.

Рис. 1 Плотность водорода в гидриде может достигать плотности жидкого водорода или превышать ее. Объемные характеристики данного способа хранения водорода не уступают криосистемам, а весовые характеристики на уровне современных систем хранения высокого давления

Система резервного электропитания на основе водорода должна обладать следующими качествами:

— быть надежной на протяжении всего времени эксплуатации;

— не требовать регулярного снабжения расходными материалами вроде топлива, смазки и т.п.;

— не требовать или почти не требовать технического обслуживания за время своей жизни;

— не требовать отдельного здания для своего размещения или еще каких-либо особых условий;

— не выделять при работе каких-либо вредных веществ;

— работать бесшумно;

— выдавать при включении необходимую электрическую мощность так быстро и столь долго, как это необходимо;

— работать автоматически, без обслуживающего персонала или специального присмотра;

— быть дешевой при приобретении и в обслуживании.

В принципиальной схеме работы такой системы использована цепочка: вода — водород — хранение — электричество + вода.

Первый элемент системы — электролизер. Он подключается к электросети и бытовому водопроводу и вырабатывает водород для резерва. Так как вода требуется особой чистоты, на входе в систему устанавливаются фильтры.

Полученный водород хранится в виде гидрида, что позволяет обеспечить долговременное хранение. В процессе заполнения хранилища необходимо отводить тепло, выделяющееся при образовании гидрида — это обеспечивает холодная вода из водопровода. При извлечении происходит обратный процесс — использование горячей воды. Оперативное извлечение водорода можно производить тогда, когда возникает необходимость (например, при отключении внешней электросети). Между звеньями цепи выработки электроэнергии не требуется высокое давление водорода — обычно оно составляет несколько бар. В топливном элементе газообразный водород соединяется с кислородом воздуха и образуется электричество и вода. Электричество, после преобразования в необходимое напряжение, подается во внутреннюю сеть. В топливном элементе происходит каталитическое окисление водорода, для его длительной и безотказной работы на вход подается хорошо очищенный водород — примеси отравляют катализатор. Гидридная система хранения водорода (Рис.2) хорошо очищает водород (до 99.99% и выше).

Безусловно, действующая система будет сложнее принципиальной схемы действия.

Журнал Энергия без границ 4 (35) ноябрь – январь 2016 г.

Рис. 2 Блок хранения водорода для системы резервного электропитания

Действительно, надежность такого рода систем очень высока, поскольку в них нет энергонапряженных мест: движущихся частей, трубопроводов и других узлов с высоким давлением газа, не используются высокие температуры. С этим же связана и высокая безопасность установок — вероятность серьезной аварии практически сведена к нулю. Рабочим веществом установки является обычная водопроводная вода, которая совместно с кислородом является выхлопом, тем самым обеспечивается полная экологическая чистота и дешевизна содержания. Безусловно, техническое обслуживание все же требуется, но оно несопоставимо по стоимости и сложности с техобслуживанием традиционных резервных дизель-генераторов. Состоит она в периодической замене фильтров и профилактике раз в год. Сама установка компактна и не требует специального помещения.

Подобные установки разрабатываются в том числе и в России, в рамках реализации федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 — 2020 годы», по приоритетному направлению «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика». В последующем планируется выпуск малой серии резервной гидрид-водородной системы на 10 кВт мощности и с резервом 100кВт·ч. Из-за небольшого на сегодняшний день спроса, установки не производятся массово, а при мелкосерийном производстве, как показывают расчеты, их цена будет гораздо выше, чем традиционных дизель-генераторных. Однако дополнительные затраты за 2-3 года полностью окупаются за счет низкой стоимости эксплуатации — и это вполне оправдывает приобретение такой системы.

Не стоит забывать и об энергетической эффективности гидрид-водородных систем. Используемые в них электролизеры имеют КПД около 75%, а низкотемпературные топливные элементы с твердополимерным электролитом — около 55%, что дает общую эффективность немного больше 40%. Уже на сегодняшний день это несколько выше, чем у других систем. А поскольку гидрид-водородные устройства, как техническая система, находятся только в начале своего жизненного пути, они обладают большим потенциалом развития и, несомненно, их характеристики будут постепенно улучшаться, а стоимость снижаться.

Рассмотренные системы резервного энергоснабжения, безусловно, важное и необходимое техническое решение, но на сегодняшний день они занимают сравнительно небольшую долю рынка. На сегодняшний день системы резервного электроснабжения на базе водородных топливных элементов уже стали замещать дизельные электрогенераторы в качестве источников гарантированного электропитания для дата-центров, для сетей передачи данных, таких как сети высокоскоростной передачи данных и оптико-волоконные магистрали. Хочется надеяться, что подобные инновационные установки, обеспечивающие экологически чистое, надежное резервное питание с повышенной продолжительностью действия в сочетании с многочисленными непревзойденными характеристиками и, особенно, высоким уровнем энергосбережения найдут достойное применение во многих сферах жизнедеятельности современного общества.