Технологиям далеко до массовых
— По данным Hydrogen Council, компании планируют вложить в водородные проекты около $500 млрд до 2030 года. Но многие говорят о незрелости этих технологий. Насколько, по вашей оценке, водородные технологии сегодня созрели для внедрения?
— Они находятся в начале своего развития. Говорить о том, что это технологии массового спроса, пока рано. Это касается и производства, и хранения, и транспортировки водорода. Технологии вроде как есть, но их как бы и нет.
К примеру, можно ли сегодня перевозить сжиженный водород в промышленных объемах на дальние расстояния? Можно, но для этого в мире существует только один корабль. Японская Kawasaki построила танкер для перевозки сжиженного водорода в Японию из Австралии, где его делают из местного угля. Еще один корабль корейцы планируют запустить в 2023 году. Можно перевозить в связанном виде или грузовиками со специальными цистернами, но это пока очень дорого и неэффективно. Нужно разрабатывать новые технологии, улучшать существующие, удешевлять их.
Но давайте посмотрим на опыт других отраслей. Я хорошо помню свой мобильный телефон в 1996–1997 годах. Он назывался мобильным, потому что его можно было переносить с места на место. По сути, это был очень большой и дорогой чемодан, который мгновенно разряжался. Кто бы мог подумать, что через 20 лет мы будем пользоваться легкими и удобными смартфонами?
С водородными технологиями то же самое. Сейчас это очень большие и дорогие системы, которые не дают желаемый экономический эффект. Но я уверен, что в ближайшее время они станут технологиями массового спроса не только для промышленных потребителей, но и для частных домохозяйств.
Экономика инноваций
Водородная энергетика и транспорт будущего: подкаст «Что изменилось?»
— Какие проблемы пока не удается решить?
— Во-первых, есть много возможностей для производства водорода, но не все они позволяют произвести безуглеродный водород. Если мы говорим о производстве с использованием углеводородов, то оно будет сопряжено с выбросами CO2. То есть параллельно нужно заниматься технологиями улавливания. Пока они дороги и относительно неразвиты. И это серьезное ограничение для проектов, которые предполагают использование газа, угля или нефти.
Во-вторых, нужны системы хранения. Водород — очень летучий и взрывоопасный газ. Его нужно хранить при крайне низких температурах, а такая инфраструктура требует существенных инвестиций и сложных технических решений, которые не везде возможны.
В-третьих, проекты по транспортировке пока являются пилотными. Речь идет скорее о тестировании возможностей. Когда появятся решения для массовой транспортировки и сколько они будут стоить — один из самых важных вопросов на сегодня. От этого во многом зависит, в каком виде водород будет транспортироваться.
— Какие здесь возможны варианты?
— Если мир не найдет эффективного решения по перевозке чистого водорода, то транспортировать будут аммиак или водород в связанном виде. Рынок аммиака достаточно развит, он сам по себе является продуктом с различным рыночным применением, его перевозят в обычных цистернах по железным дорогам или морю. Поэтому можно использовать сам аммиак как конечный продукт.
Можно, конечно, произвести водород и преобразовать его в аммиак для транспортировки, а уже на месте восстановить до водорода. Но сама по себе такая схема сейчас неэффективна. Если вы произвели водород, потом его перевезли в виде аммиака и восстановили, то в конце концов у вас останется лишь 25–30% от того объема энергии, который был затрачен изначально. До тех пор, пока мы не сократим потери и не удешевим сами технологии, такой способ практически не имеет перспектив.
Принцип работы твердополимерного топливного элемента
В отличие от остальных топливных элементов твердополимерные топливные элементы используют квазитвердый электролит на основе полимерной структуры с боковыми цепями, содержащими кислотные группы. Многие преимущества этого типа топливных элементов делают их наиболее привлекательными для наземных малогабаритных применений, таких как транспорт, домашние энергетические установки, портативные устройства. Отличительными характеристиками твердополимерных топливных элементов являются относительно низкие температуры работы (до 90 °С), высокие плотности мощности, компактность систем на их основе, а также легкость в обращении с топливом.
Рассмотрим принцип действия топливного элемента на примере простейшего элемента с протонобменной мембраной – твердым полимером.
Такой элемент состоит из полимерной мембраны, помещенной между анодом (положительным электродом) и катодом (отрицательным электродом) вместе с анодным и катодным катализаторами. Полимерная мембрана используется в качестве электролита. Устройство ТПТЭ показано на рис. 1.4. Электроды обеспечивают контакт газа и электролита; перенос заряда происходит на границе трех фаз: электрода, газа и электролита. Электрон переходит с водорода на частицу углерода, а молекула водорода распадается на протоны согласно реакции H2 → 2H+ + 2e– .
Рис. 1.4. Схема твердополимерного топливного элемента
Далее электроны движутся с одной частицы углерода на другую, на токосборник и во внешнюю цепь, а далее на катод, где происходит реакция образования воды за счет реакции 4H+ + 4e– + O2 → 2H2O.
Протоны в свою очередь также движутся на катодную сторону через электролит.
Сейчас в качестве «электролита» ТПТЭ используется пленка – полимерная электролитная мембрана (ПЭМ). Она состоит из огромных молекул поливалентной кислоты, в которых сбоку к углеродной скелетной цепи прикреплены группы кислотного [- SO3], а протоны свободно движутся по полимеру (отсюда второе название «протонпроводящая мембрана»). Наиболее распространенная ПЭМ – пленка политетрафторэтиленперфтор- сульфоновой поликислоты, известная под торговой маркой «Нафион». Такая мембрана представляет собой тонкое (толщиной примерно в 2-7 листов обыкновенной бумаги) твердое органическое соединение. Эта мембрана функционирует как электролит: разделяет вещество на положительно и отрицательно заряженные ионы в присутствии воды.
На аноде происходит окислительный процесс, а на катоде – восстановительный. Анод и катод сделаны из пористого материала, представляющего собой чаще всего смесь частичек углерода, платины и проводящего иономера, входящих в состав каталитического слоя. Платина выступает в роли катализатора, способствующего протеканию реакции диссоциации. Анод и катод выполнены пористыми для свободного прохождения сквозь них водорода и кислорода соответственно.
Анод и катод помещены между двумя металлическими пластинами, которые подводят к аноду и катоду водород и кислород, а отводят тепло и воду, а также электрическую энергию.
Молекулы водорода сквозь каналы в пластине поступают на анод, где происходит разложение молекул на отдельные атомы (рис. 1.5). Затем в результате хемосорбции в присутствии катализатора атомы водорода, отдавая каждый по одному электрону е–, превращаются в положительно заряженные ионы водорода Н+, т. е. протоны.
Рис. 1.5. Поступление топлива на ТПТЭ
Положительно заряженные ионы водорода (протоны) через мембрану диффундируют к катоду, а поток электронов направляется к катоду через внешнюю электрическую цепь, к которой подключена нагрузка (потребитель электрической энергии).
Кислород, подаваемый на катод, в присут – ствии катализатора вступает в химическую реакцию с ионами водорода (протонами) из протонообменной мембраны и электронами из внешней электрической цепи (рис. 1.6). В результате химической реакции образуется вода.
Рис. 1.6. Образования воды на катоде ТПТЭ
Поток электронов во внешней цепи представляет собой постоянный ток, который используется для совершения работы. Размыкание внешней цепи или прекращение движения ионов водорода останавливает химическую реакцию.
Рис. 1.7. Батарея топливных элементов фирмы «Неliocentris», Германия
Количество электрической энергии, производимой топливным элементом, зависит от типа топливного элемента, геометрических размеров, температуры, давления газа. Можно увеличить размеры топливных элементов, однако на практике используют несколько элементов, соединенных в батареи (рис. 1.7).
От водорода — к топливным элементам
И все-таки — почему именно водород? До сих пор основными источниками энергии служили ископаемые углеродсодержащие топлива (уголь, нефть, газ). При их сжигании углерод окисляется кислородом воздуха, образуя всем известный углекислый газ (СО2). Многие считают, что именно он наравне с другими так называемыми парниковыми газами несет ответственность за потепление климата в последние десятилетия, грозящее нам экологическими катастрофами.
А что, кроме энергии, получается при соединении кислорода и водорода? Правильно — обыкновенная вода! Представьте себе автомобиль на водородном топливе — что может быть чище и безопаснее для окружающей среды? Единственное, но существеннейшее препятствие для использования водорода в качестве энергоносителя заключается в том, что в свободном состоянии его в природе практически НЕТ. Поэтому для создания водородной энергетики в первую очередь необходимы технологии, позволяющие наладить крупномасштабное производство водорода, а также его хранение и транспортировку
Второе, но не менее важное условие — создание промышленных энергоустановок нового поколения, в которых в качестве топлива будет использоваться водород
Есть серьезные основания считать, что в XXI веке произойдет постепенное вытеснение ископаемых углеродсодержащих энергоносителей (уголь, нефть, газ) новым, экологически чистым — водородом. Впервые о водороде как энергоносителе и, тем самым, о водородной энергетике речь зашла в романе Жюль Верна «Таинственный остров». В ходе неторопливой беседы его основных действующих лиц великий француз уже в 1874 г. высказал смелую мысль, что в будущем человечество будет получать энергию из воды, разлагая ее на водород и кислород, а затем сжигая водород. Как бы фантастически эта идея ни звучала, она не является столь безумной, как может показаться на первый взгляд. Давайте попытаемся в меру собственных сил и способностей продолжить беседу Смита и Пенкрофа, а именно — рассмотреть (конечно, не во всех аспектах — объять необъятное невозможно) состояние дел по водородной энергетике и топливным элементам как ее важнейшей составляющей
Но вернемся к водороду. Нелишне заметить, что водород и водородсодержащий газ (так называемый синтез— газ) традиционно широко применяются в различных отраслях экономики: химической, нефтеперерабатывающей, металлургической, радиоэлектронной, даже в пищевой промышленности (например, гидрированием растительных масел получают твердые жиры, маргарины).
Что же касается новых применений водорода, то при добавлении водорода или синтез-газа к обычным топливам можно получить немалый выигрыш даже при использовании их в обычных двигателях внутреннего сгорания или в газовых турбинах. В результате такого «облагораживания» топлива увеличивается КПД работы энергоустановок и улучшается состав выбросов.
Один из отцов водородной энергетики, президент Международной ассоциации по водородной энергетике Т. Н. Везирогли (США) даже утверждал, что спустя несколько десятилетий мы будем называться «водородной цивилизацией». И для такого утверждения есть все основания. Так, в 2000 г. общее производство водорода составило примерно 50 Мт, а оптимистические прогнозы на 2100 г. дают цифры примерно в 20 раз больше! В этом месте вдумчивый читатель должен уже впасть в недоумение и спросить: откуда и каким образом эти мегатонны должны появиться, если практически весь водород на планете находится в связанном виде? Прежде чем дать ответ на этот вопрос, познакомимся с тем, что скрывается за понятием топливный элемент.
Использование и установка ТОТЭ в реальных условиях
На картинке ниже показан концептуальный дизайн автомобиля, наделённого твердооксидным топливным элементом и компонентами. Основными компонентами выступают:
- батарея,
- водородный бак,
- батарея топливных элементов,
- силовой привод,
- электродвигатель.
Концептуальная версия конструкции автомобиля на ТОТЭ: 1 – мощный приводной блок управления электрической подачей; 2 – литий-ионная батарея для хранения электричества; 3 – привод электромотора, разгоняющий автомобиль; 4 – стёк твердооксидного топливного элемента, вырабатывающего электроэнергию; 5 – бак высокого давления для водорода
Топливный элемент
Топливный элемент (электрохимический генератор) – это устройство, которое преобразует химическую энергию топлива (водорода) в электрическую в процессе электрохимической реакции напрямую, в отличие от традиционных технологий, при которых используется сжигание твердого, жидкого и газообразного топлива. Прямое электрохимическое преобразование топлива очень эффективно и привлекательно с точки зрения экологии, поскольку в процессе работы выделяется минимальное количество загрязняющих веществ, а также отсутствуют сильные шумы и вибрации.
Рис. 1.2. Простейшая схема топливного элемента
С практической точки зрения топливный элемент напоминает обычную гальваническую батарею. Отличие заключается в том, что изначально батарея заряжена, т. е. заполнена «топливом». В процессе работы «топливо» расходуется и батарея разряжается. В отличие от батареи топливный элемент для производства электрической энергии использует топливо, подаваемое от внешнего источника (рис. 1.2). Основу ТЭ составляют два электрода, разделенные твердым или жидким электролитом. Топливо и окислитель подаются в полости, граничащие с электродами; на поверхности раздела электролит – электрод в присутствии катализатора происходят реакции окисления и восстановления. В результате этих реакций образуются ионы А– и В+ (рекомбинирующие затем до конечного продукта реакции АВ) и выделяется (или поглощается) тепло Q. Освободившиеся при реакции окисления топлива электроны создают на соответствующем электроде (аноде) избыточный отрицательный заряд; на катоде в результате реакции восстановления окислителя создается избыточный положительный заряд.
При замыкании внешней цепи в ней появляется электрический ток, совершающий полезную работу Епол. Суммарная реакция: А + В = АВ + Q + Eпол. Электролит в ТЭ не только содержит вещества, участвующие в электрохимических реакциях, но и обеспечивает пространственное разделение процессов окисления и восстановления. Для эффективной работы ТЭ необходимы развитая поверхность электродов (до сотен квадратных метров на грамм вещества), рациональная организация процессов адсорбции и ионизации молекул реагирующих веществ и отвода электронов и продуктов реакции, высокая чистота реагентов.
Достоинства и недостатки топливных элементов
Топливные элементы представляют собой очень эффективный, надежный, долговечный и экологически чистый способ получения энергии. ТЭ энергетически более эффективны, чем двигатели внутреннего сгорания, поскольку для них нет термодинамического ограничения коэффициента использования энергии. КПД топливных элементов составляет 50 %, в то время как КПД двигателей внутреннего сгорания составляет 12-15 %, а КПД паротурбинных энергетических установок не превышает 40 %. При использовании тепла и воды, получаемой в ходе электрохимической реакции, эффективность топливных элементов еще больше увеличивается.
Важное преимущество топливных элементов – их экологичность. Выбросы в атмосферу загрязняющих веществ при эксплуатации топливных элементов очень малы
Топливные элементы можно размещать непосредственно в здании, при этом снижаются потери при транспортировке энергии, а тепло, образующееся в результате реакции, можно использовать для теплоснабжения или горячего водоснабжения здания. Автономные источники тепло- и электроснабжения могут быть очень выгодны в отдаленных районах и в регионах, для которых характерна нехватка электроэнергии и ее высокая стоимость, но в то же время имеются запасы водородосодержащего сырья (нефти, природного газа).
Достоинствами топливных элементов являются также доступность топлива, надежность (в топливном элементе отсутствуют движущиеся части), долговечность и простота эксплуатации. Кроме того, топливный элемент открывает перспективы для развития электротранспорта, не создающего при движении запахов и шума.
Одной из проблем при работе топливного элемента является то, что электрохимическая реакция идет при комнатной температуре очень медленно, чтобы прореагировала заметная часть молекул нужны сотни лет. Для топливного элемента это оборачивается очень низкой удельной мощностью. Для ускорения анодной и катодной реакций используют дорогостоящий катализатор или поднимают температуру ячейки. Не стоит забывать и том, что наиболее эффективно использовать в качестве топлива чистого водорода, однако это потребует создания специальной инфраструктуры для его выработки, очистки и транспортировки. В перспективе рассмат – ривается возможность использования экологически чистых возобновляемых источников энергии (например, солнечной энергии или энергии ветра) для разложения воды на водород и кислород методом электролиза, а затем преобразования получившегося топлива в топливном элементе. Такие комбинированные установки (рис. 1.3), работающие в замкнутом цикле, могут представлять собой совершенно экологически чистый, надежный, долговечный и эффективный источник энергии.
Один из основных недостатков топливных элементов на сегодняшний день – их относительно высокая стоимость, но этот недостаток может быть вскоре преодолен: все больше компаний выпускают коммерческие образцы топливных элементов, они непрерывно совершенствуются, а их стоимость снижается. Основной вклад в стоимость топливного элемента вносят дорогостоящие катализатор и электролит.
Современный топливный элемент состоит из тонкой (от 50 до 250 мкм) пленки «Нафион», покрытой с двух сторон катализатором (анодным и катодным), к каталитическим слоям прижаты токосъемники из газопроницаемого пористого материала, хорошо проводящего электричество.
На сегодняшний день стоимость электроэнергии, вырабатываемой топливным элементом, выше стоимости электроэнергии от обычных источников питания, работающих на ископаемых источниках энергии. Конечно, она непрерывно уменьшается, и в ближайшие лет десять ожидается снижение стоимости кислород-водородного топливного элемента. Стоит также отметить, что стоимость эксплуатации зависит от дороговизны водорода, тем более что топливный элемент согласен потреблять только очень чистый водород – примеси, особенно угарный газ, отравляют платиновый катализатор.
Таким образом, несмотря на заметный прогресс в области топливных элементов со времени экспедиции на Луну, их энергия остается все еще слишком дорогой для широкого применения – если дело касается энергоснабжения жилья, предприятий и средств транспорта. Чтобы водородный топливный элемент стал конкурентом тепловых и атомных электростанций, его энергия должна подешеветь не менее чем в восемь раз, причем должен подешеветь как сам элемент, так и водород за счет усовершенствования технологий его выработки.
Льготные ставки не сработают
— С одной стороны, строить мощности нужно уже сейчас. С другой, технологии пока недостаточно зрелые, и во многих случаях разумнее подождать их удешевления. Когда все-таки начнется реализация проектов и что должно к этому подтолкнуть?
— Давайте посмотрим, как европейские государства, нацеленные на декарбонизацию, решают эту задачу. Например, немцы заявили, что станут углеродно-нейтральными к 2050 году. И создали компанию H2 Global, которая становится единым закупщиком водорода для потребителей Германии. Она стимулирует развитие проектов, налаживает цепочки поставок. Как следствие — удешевляет технологии, развивает спрос и предложение. В конце октября в Корее ввели в эксплуатацию сразу две электростанции на водородных топливных элементах, и собираются вводить энергообъекты на водороде и дальше. Более того, недавно Правительство Кореи представило новые цели развития водородной экономики страны и заявило о намерении инвестировать 43 млрд вон в развитие производства экологически чистого водорода, производство и транспорт жидкого водорода, и расширение внедрения водородных топливных элементов и средств передвижения на водородном топливе до 2030 года. Японцы сделали водородный терминал для хранения и начинают тестировать цепочки поставок из Австралии и других стран.
С одной стороны, все эти проекты пока имеют низкую экономическую эффективность. С другой, без них нельзя решить те задачи, о которых мы с вами говорим. И поэтому здесь важна стимулирующая роль государства.
— Какими именно стимулирующие меры нужны?
— Не стоит рассчитывать, что мы для всех сделаем льготную ставку по кредиту, и тогда все заиграет. Нет, не заиграет: необходимо внедрять новые способы поддержки.
Зеленая экономика
В Минпромторге рассказали о мерах господдержки «зеленых проектов»
Приведу пример. Сейчас мы смотрим проект, который по большей части экономически неэффективен. Значит ли это, что мы должны отказаться от него, положить на полку и через 5–10 лет, когда все подешевеет, начать его запускать?
Конечно, нет. Поэтому мы подходим немножко по-другому. Раскладываем проект на части, пытаемся найти узкие места, из-за которых не получается нужного уровня эффективности. Скажем, если проблема в стоимости электроэнергии, то мы договариваемся с энергетиками о том, как можно ее снизить. Вопрос в технологиях — смотрим, каких партнеров, какие локальные меры поддержки можно привлечь для этого конкретного проекта.
Но нужны системные решения. Если мы создаем некую новую отрасль, то для нее нужны какие-то другие правила. Инвесторы должны быть заинтересованы в масштабной реализации проектов, связанных с производством, потреблением и экспортом водорода. Потребители должны быть заинтересованы в том, чтобы купить именно водородный топливный элемент, а не какой-то другой. И лучше, чтобы он был российского производства. Во многих случаях может потребоваться изменение действующей нормативной базы. У нас есть конкретные предложения, рассчитываем, что они будут учтены в разрабатываемой комплексной программе развития отрасли низкоуглеродной водородной энергетики в России.
— Как только эти стимулы появятся, мы увидим первые водородные проекты в России?
— Они начнут появляться и раньше. Но как только рынок увидит стимулы, проекты превратятся из пилотных в массовые. А любая технология удешевляется только тогда, когда она массово применяется.
Пилоты, которые будут запускаться сейчас, это скорее отдельные локальные инициативы. Они не решают основной задачи по декарбонизации страны в целом и наращиванию экспорта водорода. Чтобы ее решить, нужно массовое производство и массовый спрос. А для этого потребуется изменить правила игры.
Структура компонентов твердооксидного топливного элемента
Планарная конструкция
Существуют основные категории планарных ячеек, которые являются самоподдерживающимися и поддерживаемыми извне. Самоподдерживающаяся структура — это когда один из компонентов выступает в качестве опоры ячейки (самый толстый слой). Конструкция самонесущего планарного элемента может быть:
- анодной,
- катодной,
- электролитной.
Внешняя поддерживаемая структура — это когда единичная ячейка выполнена в виде тонких слоёв на пористой подложке межкомпонентного соединения.
Самонесущая конструкция
Структура на основе электролита: требуется толстый электролит, толщина которого составляет около 150 мкм. При этом оба материала электрода обладают одинаковой толщиной размерностью около 50 мкм. Структура с катодной поддержкой: требуется материал катода по размеру толщины около 2000 мкм, тонкий электролит с размером толщины около 20 мкм и материал анода с размером толщины около 50 мкм.
Структура на основе анода: требуется материал анода, размерность по толщине которого составляет от 500-1000 мкм. Вместе с тем необходим относительно тонкий по размерам электролит, толщиной не более 10 мкм. Толщина материала катода составляет около 50 мкм.
Внешняя поддерживающая структура
Для внешней поддерживающей структуры электроды обычно имеют размер 50 мкм, а толщина материала электролита ТОТЭ может составлять 5-15 мкм. Эта структура снижает массообменное сопротивление при использовании дорогих керамических материалов.
Несмотря на очевидные преимущества, трудности в данном варианте заключаются в том, чтобы найти смесь материалов и способ изготовления, при котором предотвращается коррозия и деформация металла. Также следует учитывать межфазные реакции на протяжении всего процесса изготовления и эксплуатации.
Структура анода
Обычно используемый материал анода представляет собой металлокерамический оксид циркония, стабилизированный иттрием, и никель. Никель используется главным образом из-за его высокой электронной проводимости, низкой реакционной способности с другими компонентами, низкой стоимости и высокой стабильности в химических реакциях.
Цирконий используется по причине высокой стабильности этого металла в восстановительных и окислительных средах (катод и анод ТОТЭ). Также известно, что цирконий поддерживает проводимость при высоких температурах и обладает хорошей химической и механической стабильностью.
Температура и пористость
Одним из недостатков использования ТОТЭ является отсутствие необходимой оптимальной пористости. Пористость важна, потому что увеличивает транспортировку газа через подложку, сохраняя высокое электрохимическое движение для окисления топлива на границе раздела анодов.
Чтобы сделать материал анода пористым, применяют технологию образования пор. Одним из веществ, выступающих в качестве сырья таких технологий, успешно выступает технический углерод. Эффект добавления углерода в структуру анода хорошо изучен, как изучена и связь между степенью пористости и рабочей температурой всей конструкции.
