Топливные элементы: интерес проектировщиков возрастает

Н. В. Шилкин, доцент МАрхИ

Топливные элементы в настоящее время представляют большой интерес в мировой практике, в т. ч. для теплоснабжения зданий, по следующим причинам:

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.

Широкому распространению топливных элементов препятствует главным образом их высокая стоимость, которая в настоящее время составляет в среднем 3—4 тыс. долл. за кВт.

По оценкам специалистов, массовое применение топливных элементов будет возможно, если их стоимость составит 1–2,5 тыс. долл. за кВт. В настоящее время ряд компаний-производителей уже объявили о возможном скором достижении таких показателей.

Реальная экономическая эффективность зависит от стоимости электроэнергии и природного газа (либо другого топлива) в месте эксплуатации установки, а также от возможности использования тепловой энергии, эксплуатационных расходов и ожидаемого срока службы установки. Кроме этого, при оценке эффективности использования топливных элементов учитывается экономический эффект таких факторов, как высокая надежность (отказоустойчивость) установки и отсутствие протяженных коммуникаций.

Ниже мы публикуем некоторые сведения о фирмах – производителях топливных элементов, которые в настоящее время представлены на рынке или будут доступны уже в ближайшее время (рассматриваются только модели, предназначенные для стационарного использования).

UTC Power

UTC Power (http://www.utcfuelcells.com/utcpower/home.html) — подразделение американской компании United Technologies Corporation. Эта фирма производит топливные элементы для транспортных средств (применяются в экспериментальных образцах автомобилей таких марок, как Nissan, Hyundai, BMW, автобусов Thor Industries и Irisbus), космических кораблей Space Shuttle (более 85 тыс. часов в космосе), а также топливные элементы, предназначенные для стационарного использования.

Наиболее распространенной моделью является топливный элемент PureCell 200 мощностью 200 кВт, основанный на технологии PAFC*. Эта модель была ранее известна под названием PC25, и ее устройство и технические характеристики подробно рассматривались в упомянутой выше статье. Она стала одной из первых коммерчески доступных моделей топливных элементов и появилась на рынке в 1991 году.

В настоящее время в мире насчитывается уже достаточно обширный парк таких установок (более 200), которые используются, например, для энергоснабжения полицейского участка в Центральном парке Нью-Йорка, почтовой станции в Анкоридже (Аляска), высотном здании Conde Nast Building & Four Times Square (Нью-Йорк), научном центре и двух пивоваренных заводах в Японии, университетах, больницах (о некоторых проектах наш журнал уже писал). Общее время работы топливных элементов данной модели составило более 6 млн. часов.

Одним из основных недостатков установок этого типа является достаточно высокие капитальные затраты: стоимость установки составляет примерно 800 тыс. долл., или около 4 тыс. долл./кВт. Тем не менее ежегодно поставляется примерно 25 установок этой модели. Следует отметить, что в США существуют государственные программы поддержки новых технологий и государственные структуры финансируют приобретение и установку таких элементов.

* Подробнее о технологиях топливных элементов см. статью «Использование топливных элементов для энергоснабжения зданий» («АВОК», 2004, № 2–3).

FuelCell Energy (FCE)

Американская компания FuelCell Energy (http://www.fuelcellenergy.com) представляет на рынке топливные элементы моделей DFC 300A, DFC 1500 и DFC 3000 мощностью соответственно 250, 1 000 и 2 000 кВт, выполненные на основе технологии MCFC. Аббревиатура DFC означает «direct fuelcell» — прямое преобразование топлива непосредственно в топливном элементе (внутренний реформинг).

Компания FuelCell Energy — единственный производитель топливных элементов на основе технологии MCFC в США. В Европе партнером компании FuelCell Energy является немецкая компания MTU Friedrichshafen GmbH.

DFC 1500 (FuelCell Energy)

В настоящее время во всем мире установлено около 30 топливных элементов DFC 300A, и эту цифру в ближайший год компания намерена удвоить.

Данные модели установлены, например, в штаб-квартире Департамента энергетики и водоснабжения Лос-Анджелеса, на заводе Mercedes-Benz в Тускалузе (Алабама). Кроме США, такие элементы установлены на различных объектах в Германии, Испании и Японии. Самая большая установка — DFC 3000 мощностью 2 МВт — смонтирована для компании Wabash River Energy Ltd. в городе Terre Haute (Индиана). Стоимость проекта составила 32 млн. долл., причем половину этой суммы составила субсидия Министерства энергетики США.

Кроме указанных моделей топливных элементов, компанией анонсирован выпуск твердотельных оксидных топливных элементов (SOFC).

Siemens Westinghouse Power Corp.

Компания Siemens Westinghouse Power Corp. ( http://www.siemenswestinghouse.com/en/index.cfm ) более 40 лет занимается исследованиями топливных элементов на основе технологии SOFC. Компанией запущен целый ряд демонстрационных проектов, в ходе которых, например, было достигнуто самое большое непрерывное время работы установки.

Еще одно направление исследовательской деятельности компании — гибридные установки, в которых продукты, образующиеся при работе топливного элемента, приводят в действие газовую микротурбину электрогенератора.

Первая в мире гибридная твердотельная оксидная установка была смонтирована компанией Siemens Westinghouse Power Corp. в Калифорнийском университете и запущена в тестовую эксплуатацию в мае 2000 года. Мощность установки составила 220 кВт, из них 200 кВт — мощность топливного элемента технологии SOFC и 20 кВт — мощность микротурбинного электрогенератора. КПД при использовании электрической энергии составил 53 %. Система проработала 3 200 часов, после чего тестовая программа была завершена.

В настоящее время анонсировано два коммерческих продукта, выпуск которых ожидается в ближайшее время.

Первый — установка мощностью 250 кВт, КПД которой составляет 47–50 % при использовании электрической энергии и более 80 % при использовании и электрической, и тепловой энергии.

Второй продукт представляет собой гибридную установку. Мощность установки составляет 0,5 МВт, КПД 58–70 % при использовании электрической энергии и примерно 80 % при использовании и электрической, и тепловой энергии. Рабочее давление составляет 3–4 атмосферы.

HydroGen LLC

Компания HydroGen LLC (www.hydrogenllc.net) анонсировала на 2005 год выпуск топливного элемента на основе технологии PAFC мощностью 400 кВт, на основе которых можно создать электростанцию мощностью 2 МВт.

Данная установка имеет две особенности. Во-первых, она охлаждается воздухом, а во-вторых, в отличие от низко- и среднетемпературных установок, в ее состав не входит внутренний реформер (используется внешний, более простой и дешевый агрегат). Эти обстоятельства позволяют значительно удешевить стоимость топливного элемента. По оценке производителя, стоимость первых коммерческих образцов составит 2 500 долл./кВт, а к 2006 году снизится до 1 500 долл./кВт.

Топливный элемент мощностью 400 кВт (HydroGen LLC)

Nuvera Fuel Cells

Американо-итальянская компания Nuvera Fuel Cells (www.nuvera.com) была образована в апреле 2000 года при слиянии двух компаний — De Nora Fuel Cells и Epyx. Ею производятся стационарные топливные элементы на основе технологии PEM для жилых и коммерческих зданий, а также топливные элементы для автомобилей.

В настоящее время производятся топливные элементы модели H2E мощностью 1–6 кВт, в которых в качестве топлива используется чистый водород. Этот же вид топлива используют и элементы модели Forza мощностью от 160 кВт до нескольких МВт, выпуск которых намечен на 2006 год. Также выпускаются топливные элементы следующего поколения модели Avanti мощностью 4 кВт, в которых в качестве топлива используется природный газ. На 2005 год планируется выпуск гибридной установки DuAlto мощностью 75–300 кВт и КПД 45 % (при использовании только электрической энергии).