Догоним призрак

Как-то, будучи в штатовской глубинке, Александр Липилин поехал покататься на лошадях. Старый бородатый фермер, услышав русскую фамилию, спросил: не тот ли он самый Липилин, разработчик энергосберегающих установок на базе твердооксидных топливных элементов (Solid Oxide Fuel Сells; SOFC). «От неожиданности я чуть не свалился с лошади, - вспоминает ученый, - никак не предполагал, что настолько известен за рубежом. А продвинутый дедок живо заинтересовался приобретением такой установки». Призрак распределенной электроэнергетики бродит по Америке.

В России о том, что такое распределенная электроэнергетика, знают даже не все руководители отрасли. Когда РАО ЕЭС распалось, к Липилину в Институт электрофизики УрО РАН стали обращаться руководители генерирующих компаний: что такое водородная энергетика, про которую говорят, мол, она - наше будущее? «Я их спрашивал: а что такое распределенная энергетика, знаете? Увы, нет».

В США еще в 2001 году сформировали Solid State Energy Conversion Alliance (SECA) и программу промышленного выпуска к 2010 - 2012 годам энергосистем (3 - 10 кВт) на SOFC себестоимостью 400 долларов за кВт установки. Программа включает шесть проектов, разрабатываемых конкурирующими промышленными командами: Cummins-SOFCo, Delphi-Battelle, General Electric, Siemens Westinghouse (в последний год Siemens), Acumentrics и FuelCell Energy.

Но и у нас лед тронулся. 13 ноября МРСК Урала подвела итоги первого конкурса инновационных проектов в сфере энергосбережения. В комиссию вошли представители профильных министерств и научных институтов Свердловской, Челябинской областей и Пермского края, руководители технического блока МРСК Урала. Рассмотрели 31 проект. Каждый оценили по десятибалльной шкале по критериям: готовность разработок к практической реализации, объективная необходимость, возможность исполнения, актуальность и новизна, финансово-экономическое обоснование, практическая значимость. «Надеемся, что проекты найдут инвесторов и будут внедряться на предприятиях энергетики, в промышленности и в коммунальном хозяйстве», - прокомментировал итоги генеральный директор ОАО «МРСК Урала» Валерий Родин. В министерство энергетики РФ для рассмотрения вопроса о софинансировании и участия в реализации (таковы условия конкурса) направлен один из победителей - революционный проект УрО РАН и ООО «Центр промышленных нанотехнологий» (Екатеринбург), предлагающий создать производство энергосберегающих установок на базе ТОТЭ. Авторы полагают, что нынешняя централизованная система электрообеспечения - детище инженерной мысли Николы Тесла 1895 года - устарела и неэффективна. Вместо модернизации лучше направить деньги на внедрение новых технологий.

Неизбежно ли зло

В чем суть проекта, «Э-У» рассказывает его научный руководитель, ведущий научный сотрудник лаборатории прикладной электродинамики Института электрофизики УрО РАН Александр Липилин:

- Сегодня на тепловых электростанциях химическая энергия сжигаемого топлива преобразуется сначала в тепловую, затем в механическую и электрическую. Перемножив КПД всех этих переходов энергии, получим среднюю эффективность станций - 35%. Это относится к сжиганию любого вида топлива - угля, газа, мазута. Повысить эффективность в традиционной системе путем модернизации можно лишь незначительно. Передача выработанной электроэнергии от электростанций потребителям на большие расстояния продолжает снижать суммарный КПД системы. Потери обусловлены сопротивлением проводов: чем выше ток и больше расстояние передачи, тем больше потери. Суммарные потери первичной энергии топлива, дошедшей до розетки потребителя, достигают, думаю, 90%.

- О потерях энергетики знали всегда?

- Профессионалы полагают это данностью, неизбежным злом, а вне отрасли информация конфиденциальна: что толку будоражить умы? Еще минусы: выделяющиеся СО2 и NOx вызывают глобальные экологические проблемы. Неравномерность сезонной и суточной нагрузки электростанций приводит к «рваному» режиму работы систем, сокращает срок их службы. Снижение тарифов на ночную электроэнергию не может выровнять нагрузку: трудно заставить человека вести круглосуточно активный образ жизни.

- Что вы предлагаете?

- Постепенную замену традиционной системы энергоснабжения распределенной (в перспективе - водородной) энергетикой, когда генераторы электрического тока располагаются непосредственно у потребителей, а вместо электроэнергии по проводам к ним приходит топливо-энергоноситель (природный газ) по трубопроводу. Сравните потери при транспорте электроэнергии в сетях с потерями при транспорте энергоносителя (природного газа или водорода) по трубопроводу. Увеличение стоимости энергоносителя при транспортировании, например, на 1600 км возрастает только на 50%. Там тоже есть свои потери: падает давление, нужны перекачивающие станции. Но в сумме траты в 4 - 5 раз меньше. Это ключевой аргумент в пользу распределенного электроснабжения.

Потребитель сжигает топливо в соответствии с собственным графиком потребления. Но не в дизель-генераторе, который шумит, дымит и имеет максимальный КПД 40 - 50%, а в бесшумном, экологически чистом электрохимическом генераторе на ТОТЭ с максимальным КПД до 80 - 90%, то есть в два раза более эффективно преобразующем химическую энергию напрямую в электрическую. Эта энергосберегающая технология для производства того же количества электричества требует в два-три раза меньше топлива, чем сжигается сегодня.

- Как переходить к распределенной энергосистеме? И что делать с электростанциями?

- Возможен следующий сценарий. На первом этапе использовать природный газ и продукты газификации угля, существующие сети трубопроводов. На втором электростанции постепенно будут переходить от выработки электроэнергии к производству водорода - перспективного и экологически чистого топлива для ТОТЭ. А затем тепловые электростанции, выработав свой ресурс, будут закрыты: уменьшим загрязнение атмосферы.

Выбор водорода обусловлен экологической безопасностью, поскольку продуктом его сгорания является вода. Другое преимущество Н2 - его исключительно высокая теплота сгорания, 143,06 МДж/кг (сравните: условное топливо -
29,3 МДж/кг). Высокая теплопроводность водорода и его низкая вязкость приводят к снижению энергозатрат при транспортировании по трубопроводам по сравнению с метаном.

Ни рынка, ни госпрограммы

- Как возникла эта тема?

- Разработки ТОТЭ начинались в Институте высокотемпературной электрохимии УрО РАН с 1966 года. В 80-х от лабораторных технологий в ИВТЭ перешли к промышленным в Российском федеральном ядерном центре - Всероссийском научно-исследовательском институте технической физики им. академика Е.И. Забабахина (Снежинск). Коллектив под руководством Вячеслава Чухарева даже испытал установку мощностью 1 - 2,5 кВт и разработал установку для систем катодной защиты трубопроводов Газпрома, которые могут действовать даже за Полярным кругом. А в Институте электрофизики УрО РАН создали технологии и установки для получения наноматериалов всех необходимых компонентов ТОТЭ.

Схема:  Портативные мобильные энергосистемы на SOFC

В Советском Союзе все это было под грифом. Пик - 1989 год, когда силами четырех институтов УрО РАН изготовили высокотемпературный электрохимический генератор мощностью 1 кВт. Расположение элементов в модуле запатентовано и стало прототипом для последующих энергосистем с ТОТЭ, а с 2004 года здесь разрабатываются высокоэффективные системы. В 70 - 80-х годах мы опережали Запад, но постепенно утратили лидирующие позиции: началась перестройка, и долго было не до технологий. США же с тех пор значительно преуспели.

- А что нужно для динамичного продвижения?

- Государственная программа по водородной энергетике, в которую бы вошли ТОТЭ. Бизнес пытался этим заниматься сам. В 2004 году «Норильский никель», заключив договор с РАН, принялся за такую программу и пару лет финансировал развитие ТОТЭ сначала через президиум РАН, а затем напрямую через дочернее предприятие - Национальную инновационную компанию «НЭП». Работа не удалась, «дочка» обанкротилась.

Я уверен, о энергобезопасности страны должно заботиться государство, без его волеизъявления ничего не будет. Говорят, рынок определит лучший товар. Но у нас нет такого рынка, который двигал бы наиболее технологичные проекты. Рынок сейчас - это сговор торговцев: продаем традиционный товар за такую-то цену. Предлагающего новый товар дешевле удалят, чтобы не мешал зарабатывать. Для проведения НИОКР в полном объеме целесообразно сформировать группу производственных предприятий и учреждений РАН, способных реализовать проект создания промышленного производства энергосистем с использованием ТОТЭ.

- По поводу волеизъявления: разве недостаточен сигнал, что энергоэффективность обозначена правительством как приоритет?

- Да, про энергосбережение теперь говорят много. Вот решили запретить лампочки накаливания: они неэффективно используют энергию. А хрущевки много тепла зимой теряют - их снесем? Не обсуждается главное - основы электроэнергетики: эффективность сжигания топлива и получения электричества, его транспорта и передачи по сетям. Мы в проекте предлагаем начать промышленное производство энергосистем на ТОТЭ - электрохимических генераторов тока для реализации реального повышения энергоэффективности и энергосбережения, провозглашенного президентом.

Удобный момент

- Как за рубежом решают эти вопросы?

- Рыночная привлекательность энергосистем на ТОТЭ увеличивается в мире из года в год, поскольку приближается неизбежная модернизация традиционной централизованной технологии получения электроэнергии,. Это сопровождается усилением и экологических требований. Все это приведет в ближайшие 10 - 20 лет к увеличению спроса на SOFC-технологию. В первую очередь это произойдет в Америке, Европе и Японии. Уже в 2010 году международный рынок ТОТЭ составит 443 млн долларов США. Это примерно 1,5 тыс. энергоустановок по 200 кВт. Россия не должна опоздать на этот рынок со своим продуктом для распределенной энергетики.

Наиболее продвинуты работы по коммерциализации энергосистем на ТОТЭ в США. Шесть промышленных команд объединены государством в программе SECA. Каждая имеет собственные производства и научно-исследовательские подразделения, а также возможность привлекать национальные лаборатории и лучшие кадры. В 2008 году SECA получила госбюджетное финансирование в 62 млн долларов, в 2009-м, несмотря на кризис, оно увеличилось. Есть и внебюджетное финансирование, превышающее госбюджетное. Из открытых источников известно, что эти фирмы параллельно разрабатывают и энергосистемы для нужд министерства обороны. Мощностной ряд - от единиц ватт до сотен киловатт и десятков мегаватт. Лидирует Siemens. Пока они установки не продают, а передают известным фирмам для опытной эксплуатации до вывода на рынок нового продукта.

В Европе отношение к электрохимической энергетике на ТОТЭ и, что главное, ресурс не идет ни в какое сравнение с ресурсом США. Это и будет в ближайшие годы фактором, формирующим рынок и ускоряющим коммерциализацию продукта.

- На российский рынок установки не предлагают?

- В ближайшей перспективе нет. Мне рассказывали в одной томской компании: они имеют много попутного газа и желают его перерабатывать в электроэнергию, и просили Siemens продать увиденную на международной выставке установку по
5 тыс. долларов за кВт. Siemens сначала поднял цену до 20 тыс. долларов за кВт, потом до 40, но когда и эта запредельная цена не отпугнула настойчивых русских, просто вежливо отказал: не продаем. Зачем им продавать нам передовые технологии?..

А вот традиционными завалят. В России по 2008 год в связи с ростом индивидуального жилищного строительства, подсобных хозяйств, развития малого предпринимательства был неудовлетворенный спрос на автономные, экологически безопасные и энергоэффективные источники тока. Иностранные компании, оценив перспективы нашего рынка, предприняли товарную экспансию, сбывая традиционные бензиновые и дизельные генераторы.

Сейчас удобный момент начать собственное промышленное производство энергосистем на ТОТЭ и вытеснить иностранцев с внутреннего рынка. Ученые УрО РАН провели для того все необходимые фундаментальные исследования. Уровень российских разработок соответствует зарубежному, а в чем-то даже выше.

- Вы уверены в востребованности?

- Да, есть прогнозные оценки рынка сбыта энергоустановок. Емкость сегмента бытовой версии составляет 10 - 12 млн штук в год, а сегмента промышленных устройств средней мощности - до 15 тыс. единиц с тенденцией к увеличению. Например, потребность сегмента автономных электроустановок на природном газе мощностью 5 кВт, используемых в качестве аварийных для функционирования средств автоматики при отключении электропитания на газораспределительных станциях, оценивается только по России в 2 - 3 тыс. штук в год. Газпрому необходимы способные работать за счет перекачиваемого газа маломощные (до 1,5 кВт) источники питания для телеметрического оборудования, мониторящего состояние газопроводов. Перспективным можно считать и рынок устройств автономного обеспечения электроэнергией станций, поддерживающих давление в газо- и нефтепроводах. Он составляет десятки тысяч устройств в год. На северных газопроводах, где сложно прокладывать параллельную высоковольтную линию электропередачи из-за вечной мерзлоты, топливные элементы практически вне конкуренции.

По оценкам западных специалистов, к концу первой четверти столетия на долю ТОТЭ в различных модификациях будет приходиться до 30% всей производимой в мире электроэнергии. Исходя из этих соображений, следует относиться к
ТОТЭ как к стратегическому товару наряду с нефтью, газом, оружием.

Все чаще проводят аналогию между бытовыми ТОТЭ и персональными компь­ютерами, имея в виду сходные параметры в потребительской и ценовой позициях. Считается, что развитие этого рынка будет проходить так же стремительно, как в свое время развивался рынок бытовых компьютеров. Так что необходимо перевести работы в данной области из разряда частной инициативы в разряд государственной необходимости при сохранении заинтересованности участников в извлечении прибыли от успешной реализации проекта. Предполагается создать компанию в форме акционерного общества, в которой каждое предприятие-участник будет иметь свою долю.

- Есть ли риски?

- Лет 10 - 15 назад, когда я говорил, что эти технологии надо развивать, мне возражали: вся наша экономика зависит от того, насколько открыт вентиль газо­провода и нефтепровода, а ты предлагаешь сократить добываемое сырье в три раза. Надеюсь, времена меняются. Совершенствование техники, созданной по технологиям позапрошлого века, не имеет смысла. Электроэнергетике необходимы глобальные технологические перемены.

Твердооксидные топливные элементы
эффективно работают при температурах 700 - 950О С, поэтому скорость протекания электродных реакций достаточно высока и не требуется дорогостоящих катализаторов. В качестве топлива, кроме водорода, могут быть использованы любые углеводороды, преобразованные в синтез-газ (Н2-СО). Основным компонентом ТОТЭ является твердый электролит, который проводит ток благодаря переносу ионов кислорода. Чаще всего используют в качестве твердого электролита керамику на основе диоксида циркония (ZrO2), стабилизированного иттрием (YSZ). С противоположных сторон электролита расположены электроды. На катоде кислород воздуха ионизируется, проходит в виде иона О через кристаллическую решетку электролита, а затем на аноде электрохимически окисляет топливо. Твердое состояние всех компонентов ТОТЭ позволяет бесконечное многообразие форм и размеров элементов в зависимости от целей применения, от портативных переносных изделий (2 - 300 Вт), стационарных (1 кВт - 10 МВт), для транспорта (10 кВт - 5 МВт) - до подводных лодок (0,3 - 2,0 МВт).

Почему ТОТЭ
• Высокий КПД
• Простота принципов
• Любые углеводородные топлива
• Нет платиновых катализаторов
• Бесшумен
• Большой срок службы
• Экологически чистый
• Отлично вписывается в распределенную и мобильную (водородную) энергетику