ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

ПРИМЕНЕНИЕ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Технологии создания и эксплуатации топливных элемен в настоящее время находятся в стадии быстрого развития, и уже неда. момент, когда их разработка будет завершена. С течением времени ст понятно что топливные элементы обладают высоким экономическим тенциалом и число возможных областей применения этих технологий п должает расти.

Сегодня большая часть усилий по внедрению топливных элементов сосре точена в двух отдельных областях их применения — стационарных и мобильн энергетических установках.

7.6.1. Стационарные энергетические установки

К стационарным энергетическим установкам относятся элект - станции большой мощности (до 1 ГВт), распределенные станции меньшей щности (десятки мегаватт), а также электрогенераторы малой мощности (от 10 до 100 кВт), расположенные непосредственно в местах потребления элект- энергии. В этой области применения топливные элементы имеют следующие "имущества перед обычными тепловыми машинами:

1) отсутствие шума;

2) низкий уровень загрязнения окружающей среды;

3) легкость наращивания мощности (благодаря модульной структуре);

4) возможность массового производства (благодаря модульной структуре);

5) возможность рассредоточения электростанций. Так как данный тип энер­гоустановок отличается низким уровнем шума и загрязнения окружающей среды, электростанции могут быть расположены даже в жилых районах, что позволит сэкономить на линиях электропередачи;

6) возможность использования сбросного тепла для целей теплоснабжения, так как энергоустановки на топливных элементах могут быть расположе­ны в населенных районах, где имеется потребность в горячей воде;

7) возможность когенерации электроэнергии с использованием высокотем­пературных выхлопных газов энергоустановок некоторых типов;

8) быстрая реакция на изменение уровня потребления электроэнергии;

9) хорошая эффективность при работе в режиме, когда вырабатываемая мощность ниже номинальной;

10) чрезвычайно хорошие характеристики при работе в режиме перегрузки;

11) небольшое отношение массы установки к вырабатываемой мощности (для некоторых типов установок);

12) небольшое отношение объема установки к вырабатываемой мощности (для некоторых типов установок);

13) потенциально высокая надежность;

14) потенциально небольшие эксплуатационные расходы.

Благодаря модульной структуре большей части топливных элементов мощ - кть энергоустановки может быть легко увеличена по мере роста потребления ктроэнергии. Капитальные вложения могут производиться постепенно, что щественно облегчает финансовое бремя. Очевидно, что не все из указанных ше преимуществ могут быть реализованы одновременно. Когенерация может ть осуществлена только при использовании высокотемпературных топливных ементов, таких как РКТЭ и ТОТЭ, в особенности ТОТЭ. При когенерации - имущество, связанное с отсутствием шума, может быть потеряно.

Представим себе некоторую вымышленную страну, имею современную хорошо развитую промышленную базу, в которой по каким-то объяснимым причинам совершенно отсутствует автомобильная промышленное Теперь представим, что кто-то хочет создать небольшое количество автомобі ных двигателей, которые используются в современных моделях автомоб, и которые продаются в США, Германии или Японии по цене 4000 долл. за ку. Так как массовое производство подобных двигателей в нашей вымышлен стране отсутствует, их придется изготавливать поштучно, и по этой причине стоимость, несомненно, будет на порядок выше, чем стоимость импортны^ дел ей.

Точно такая же ситуация сложилась во всем мире по отношению к авто бильным двигателям на топливных элементах. Современные технологии > вполне позволяют создавать устройства имеющие удовлетворительные фективность, сроки эксплуатации и приемлемые удельные массовые и об ные энергетические характеристики. Дальнейшие усовершенствования б производиться, однако и существующие технологии вполне приемлемы. Т не менее неудовлетворительной остается стоимость производства. Она сни ся только тогда, когда будет продано достаточное количество этих устрой а достаточное их количество может быть продано только после снижения с имости. Разорвать этот порочный круг чрезвычайно сложно. Нужно помш что низкая стоимость автомобилей привела к тому, что были проданы миллис и миллионы штук автотехники. Переоборудование производства для вып, новых моделей потребует от 1 до 2 млрд долл. США и может быть осущест но только в крупных масштабах. Как только упомянутый выше порочный к будет разорван, второй очень перспективной областью применения топливн элементов станет транспорт.

Для использования на автомобилях малых и средних размеров (а, возмож даже и на крупногабаритной технике) компактные ТПТЭ подходят практичс идеально. Среди многих преимуществ, свойственных этому типу ТОПЛИВНЫХ J ментов, нужно принять в расчет чрезвычайно низкий уровень загрязнения о жающей среды, высокую эффективность (что гарантирует экономию топлива? также высокое значение плотности энергии (что позволяет создавать компакты устройства). Кроме того, низкий уровень рабочей температуры обусловли быстроту запуска системы.

Как ожидается, батареи ТПТЭ будут иметь длительный срок службы, что жет привести к необычной ситуации. Правдоподобный период службы бата составляет 50 ООО ч. Это означает, что даже при средней скорости движения томобиля, равной лишь 40 км/ч, батарея может питать двигатель на протя нии приблизительно 2 млн км пробега автомобиля. Срок службы топливне

элемента оказывается намного больше срока службы автомобильного кузова. Таким образом, имеет смысл повторно использовать ТЭ для установки на но­вые автомобили. Различные модели транспортных средств могут быть спро­ектированы для работы с использованием одного из топливных элементов, пходящих в немногочисленный рад стандартизированных конструкций. Это, однако, приведет к отрицательному эффекту, связанному с сужением рынка для топливных элементов.

Обычным топливом для ТПТЭ является водород. Он может быть использован, с эбственно, как в газообразной форме (сжатый или сжиженный газ, как описано гл. 9), так и в виде вспомогательного вещества — носителя водорода, такого *ак метанол (см. гл. 8) или гидрид металла (см. гл. 9). Вещества-носители во - >'ірода могут быть получены из ископаемых топлив (см. гл. 8) или из биомассы см. гл. 11). Необходимым устройством в автомобиле на топливных элементах является устройство аккумулирования и хранения энергии (аккумуляторные батареи, маховики или ультраконденсаторы). Эти устройства нужны для обес­печения двигателя энергией во время его запуска, а также для аккумулирова­ния энергии при динамическом торможении. Аккумулированная энергия мо - »ет использоваться при быстрых ускорениях в дополнение к электроэнергии, вырабатываемой топливным элементом. Таким образом, достаточно, чтобы мощность батареи топливных элементов была близка к среднему значению ошности двигателя, а не к ее пиковому значению. Это снизит габаритные размеры и стоимость батареи топливных элементов. В любом случае запас электроэнергии, который необходимо хранить на борту автомобиля на топ­ливных элементах, составляет малую часть того количества, которое необхо - ,'мо обычному электромобилю.

Компания Ballard Power Systems, расположенная в г. Ванкувер (Британская Колумбия, Канада), является одним из производителей, наиболее близко подо - | шедших к серийному производству топливных элементов для использования на гранспортных средствах. В 1999 г. автобусы, работающие на топливных элемен­тах этой компании, уже приносили прибыль в Ванкувере и Чикаго. В качестве топлива в этих машинах использовался сжатый водород. Дальность пробега без дозаправки составляла 580 км. Автобусы имели прекрасные характеристики раз­гона, а максимальная скорость их движения превышала 95 км/ч. На машинах были установлены двигатели мощностью 275 л. с., абсолютно не загрязняющие окружающую среду.

Компания Daimler-Benz, имеющая основную долю в Ballard, производит гру­зовые автомобили на топливных элементах под названием «Necar II», которые ас были опробованы большим числом потребителей в Германии. Компания планирует в ближайшем будущем начать производство этих автомобилей на про­лажу. Вслед за Daimler-Benz об аналогичных планах заявили такие автогиганты как Ford, Toyota, Mazda и General Motors. В 2003 г. компанией Honda были пущены первые несколько автомобилей на топливных элементах модели FC Автопроизводители накапливают опыт, который позволит отойти от исполь вания только двигателей внутреннего сгорания. Самые эффективные модели томобилей, такие как EV] компании General Motors (производство этой моле было остановлено в 1999 г.), могут преодолеть более 180 км, затратив 14 кВ электрической энергии. Это количество энергии может быть получено из ме чем 1 кг водорода, аккумулированного в гидриде массой менее 100 кг. Ком нией Honda также было выпущено ограниченное число электромобилей маркой «EV Plus». Компанией Toyota было продано несколько тысяч гибрил автомобилей (с электрическим двигателем и двигателем внутреннего сгоран под маркой «Prius».