Альтернативная энергетика

Два направления  развития ТЭ.

    Существуют две  сферы применения ТЭ: автономная  и большая энергетика.

    Для автономного  использования основными являются  удельные характеристики и удобство  эксплуатации. Стоимость вырабатываемой  энергии не является основным  показателем. 

    Для большой  энергетики решающим фактором  является экономичность. Кроме  того, установки должны быть долговечными, не содержать дорогих материалов  и использовать природное топливо  при минимальных затратах на  подготовку.

    Наибольшие выгоды  сулит использование ТЭ в автомобиле. Здесь, как нигде, скажется  компактность ТЭ. При непосредственном  получении электроэнергии из  топлива экономия последнего  составит порядка 50%.

Впервые идея использования  ТЭ в большой энергетике была сформулирована немецким ученым В. Освальдом в 1894 году. Позднее получила развитие идея создания эффективных источников автономной энергии на основе топливного элемента. После этого предпринимались  неоднократные попытки использовать уголь в качестве активного вещества в ТЭ. В 30-е годы немецкий исследователь  Э. Бауэр создал лабораторный прототип ТЭ с твердым электролитом для  прямого анодного окисления угля. В это же время исследовались  кислородно-водородные ТЭ. В 1958 году в Англии Ф. Бэкон создал первую кислородно-водородную установку мощностью 5 кВт. Но она была громоздкой из-за использования высокого давления газов (2...4 МПа). С 1955 года в США К. Кордеш разрабатывал низкотемпературные кислородно-водородные ТЭ. В них использовались угольные электроды с платиновыми катализаторами. В Германии Э. Юст работал над созданием неплатиновых катализаторов. После 1960 года были созданы демонстрационные и рекламные образцы.

    Первое практическое  применение ТЭ нашли на космических  кораблях "Аполлон". Они были  основными энергоустановками для  питания бортовой аппаратуры  и обеспечивали космонавтов водой  и теплом. Основными областями  использования автономных установок  с ТЭ были военные и военно-морские  применения. В конце 60-х годов  объем исследований по ТЭ сократился, а после 80-х вновь возрос  применительно к большой энергетике. Фирмой VARTA разработаны ТЭ с использованием двусторонних газодифузионных электродов. Электроды такого типа называют "Янус". Фирма Siemens разработала электроды с удельной мощностью до 90 Вт/кг. В США работы по кислородно-водородным элементам проводит United Technology Corp. В большой энергетике очень перспективно применение ТЭ для крупномасштабного накопления энергии, например, получение водорода. Возобновляемые источники энергии (солнце и ветер) отличаются рассредоточеностью. Их серьезное использование, без которого в будущем не обойтись, немыслимо без емких аккумуляторов, запасающих энергию в той или иной форме. Проблема накопления актуальна уже сегодня: суточные и недельные колебания нагрузки энергосистем заметно снижают их эффективность и требуют так называемых маневренных мощностей. Один из вариантов электрохимического накопителя энергии -- топливный элемент в сочетании с электролизерами и газгольдерами ( газгольдер   [газ + англ. holder держатель] -- хранилище для больших количеств газа).

Первое поколение  ТЭ.

    Наибольшего технологического  совершенства достигли среднетемпературные  ТЭ первого поколения, работающие  при температуре 200...230°С на жидком топливе, природном газе либо на техническом водороде (технический водород -- продукт конверсии органического топлива, содержащий незначительные примеси окиси углерода). Электролитом в них служит фосфорная кислота, которая заполняет пористую углеродную матрицу. Электроды выполнены из углерода, а катализатором является платина( платина используется в количествах порядка нескольких граммов на киловатт мощности). Одна из таких электростанций введена в строй в штате Калифорния 1991 году. Она состоит из восемнадцати батарей массой по 18 т каждая и размещается в корпусе диаметром чуть более 2 м и высотой около 5 м. Продумана процедура замены батареи с помощью рамной конструкции, движущейся по рельсам. Две электростанции на ТЭ США поставили в Японию. Первая из них была пущена еще в начале 1983 года. Эксплуатационные показатели станции соответствовали расчетным. Она работала с нагрузкой от 25 до 80% от номинальной. КПД достигал 30...37% -- это близко к современным крупным ТЭС. Время ее пуска из холодного состояния -- от 4 ч до 10 мин., а продолжительность изменения мощности от нулевой до полной составляет всего 15 с.

    Сейчас в разных  районах США испытываются небольшие  теплофикационные установки мощностью  по 40 кВт с коэффициентом использования  топлива около 80%. Они могут  нагревать воду до 130oС и размещаются  в прачечных, спортивных комплексах, на пунктах связи и т.д. Около  сотни установок уже проработали  в общей сложности сотни тысяч  часов. Экологическая чистота  электростанций на ТЭ позволяет  размещать их непосредственно  в городах. Первая топливная  электростанция в Нью-Йорке, мощностью 4,5 МВт, заняла территорию в 1,3 га. Теперь для новых станций с мощностью в два с половиной раза большей нужна площадка размером 30x60 м. Строятся несколько демонстрационных электростанций мощностью по 11 МВт. Поражают сроки строительства (7 месяцев) и площадь (30х60 м), занимаемая электростанцией. Расчетный срок службы новых электростанций -- 30 лет.

Второе и третье поколение ТЭ.

    Лучшими характеристиками  обладают уже проектирующиеся  модульные установки мощностью  5 МВт со среднетемпературными  топливными элементами второго  поколения. Они работают при  температурах 650...700°С. Их аноды делают  из спеченных частиц никеля  и хрома, катоды -- из спеченного и окисленного алюминия, а электролитом служит расплав смеси карбонатов лития и калия.              Повышенная температура помогает решить две крупные электрохимические проблемы: снизить "отравляемость" катализатора окисью углерода; повысить эффективность процесса восстановления окислителя на катоде. Еще эффективнее будут высокотемпературные топливные элементы третьего поколения с электролитом из твердых оксидов (в основном двуокиси циркония). Их рабочая температура -- до 1000°С. КПД энергоустановок с такими ТЭ близок к 50%. Здесь в качестве топлива пригодны и продукты газификации твердого угля со значительным содержанием окиси углерода. Не менее важно, что сбросовое тепло высокотемпературных установок можно использовать для производства пара, приводящего в движение турбины электрогенераторов. Фирма Vestingaus занимается топливными элементами на твердых оксидах с 1958 года. Она разрабатывает энергоустановки мощностью 25...200 кВт, в которых можно использовать газообразное топливо из угля. Готовятся к испытаниям экспериментальные установки мощностью в несколько мегаватт. Другая американская фирма Engelgurd проектирует топливные элементы мощностью 50 кВт, работающие на метаноле с фосфорной кислотой в качестве электролита. В создание ТЭ включается все больше фирм во всем мире. Американская United Technology и японская Toshiba образовали корпорацию International Fuel Cells. В Европе топливными элементами занимаются бельгийско-нидерландский консорциум Elenko, западногерманская фирма Siemens, итальянская Fiat, английская Jonson Metju.  
    В сочетании с солнечными фотоэлектрическими батареями, гидролизёрами, водородными аккумуляторами и инверторами (которые переводят постоянный ток 12 В в переменный ток 50 Гц,220 В), топливные элементы могут являться частью уже вполне реальных работающих солнечных электростанций. В настоящее время идёт снижение стоимости всех составляющих СЭС.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература.

1. Hohmeyer O. Social Cost of Energy Consumption. Springer-Verlag, New York, 1988.

2. Пивоварова З.И., Стадник В.В. Климатические характеристики солнечной радиации как источника энергии на территории СССР. -Л., Гидрометеоиздат, 1988.

3. Энергоактивные здания. Под ред. Сарнацкого Э.В. и Селиванова Н.П. -М., Стройиздат, 1988.

4. Яблоков А.В. "Атомная  мифология" Москва, Наука, 1997г.

5. Лаврус В.С. "Источники тока" 1997г.

6. CD : Большая Энциклопедия Кирилла и Мефодия.1997г.

7. Евдокимов В.М. Некоторые  новые теоретические модели фотопреобразователей и перспективы повышения их КПД.- В книге : Преобразование солнечной энергии: сб.статей /Под ред. Семёнова Н.Н.,ШиловаА.Е. Москва,Наука, 1985г.

8. Алфёров Ж.И., Андреев  В.М., Каган М.Б. и др. Исследования  по высокоэффективным гетеропреобразователям в системе AlGaAs-GaAs.-В книге: Тр.ВЭЛК (21-27 июня 1977 г.,Москва).М.,1977,секция 5А,докл.04. 20с.

9. КолтунМ.М.Оптика и метрология солнечных элементов. М.,Наука,1985г., 280 стр.

10. Лидоренко Н.С.,ЕвлокимовВ.М.,Зайцева А.К. и др. Новые модели солнечных элементов и перспективы их оптимизации.- В книге: Тр.ВЭЛК (21-27 июня 1977г., Москва).М.,1977, секция 5А, докл.01. 27с.

11. Грилихес В.А. "Солнечные космические энергостанции". Ленинград.Наука- ленингр.отд.,1986г.

12. Наука и жизнь, No5...7, 1981 г.

13. Мурыгин И.В. Электродные процессы в твердых электролитах. М.: Наука, 1991. 351 с.

14. Учебник "Экономическая  география России "Т.Г.Морозова,М.П.Победина, С.С.Шишов, изд. "Юнити", Москва, 1999г.

15. Лапин Ю.Н. " Экожильё - ключ к будущему", Москва, 1998.

16. Наука и жизнь, No11, 1991 г. М.: Правда.

17. Physics Today, 1998, 51(12) .

Nature, 1998, 396, 19 November .

Nature, 1998, 396, 26 November .

18. Интернет...

19. Журнал "ГЕО". №11, ноябрь 1999г. Статья Ханне Тюгель "Гигаватты солнечного электричества".

20. Коровин Н.В. Новые  химические источники тока М.: Энергия, 1978.194 с.

21. Феликс Р. Патури Зодчие ХХI века М.: ПРОГРЕСС, 1979. 345 с.