Мозги как источник генерации
Ученые Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН добились качественного скачка в создании электрохимических устройств на твердооксидных топливных элементах. Следующий шаг - коммерциализация разработки.
Автономную энергоустановку на базе твердооксидного топливного элемента (ТОТЭ) мощностью 1,5 кВт и КПД 40% - первую в России с такими параметрами - продемонстрировал в конце минувшего года Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН. За работой электрохимического генератора наблюдали участники проходившего в Екатеринбурге совещания по противокоррозионной защите - специалисты предприятий Газпрома и изготовители противокоррозионного оборудования.
Как подчеркнул директор ИВТЭ доктор химических наук Юрий Зайков, показанный образец - не лабораторный, а экспериментальный: энергоустановка готовится к полевым испытаниям на одном из объектов «Газпром трансгаз Екатеринбург».
- Это качественный скачок в создании электрохимических устройств на твердооксидных топливных элементах, - считает Юрий Зайков, - и он стал возможным благодаря реализации известной формулы: бизнес + наука + производство. Думаю, сегодня можно с уверенностью сказать, что мы стоим на пороге коммерциализации нашей разработки.
О непростой истории создания уральских электрохимических генераторов на основе ТОТЭ, о состоянии и перспективах исследований в этой сфере, мы говорим с заведующим лабораторией твердооксидных топливных элементов ИВТЭ кандидатом химических наук Анатолием Деминым.
- Насколько я знаю, первый уральский электрохимический генератор на ТОТЭ мощностью 1 кВт был создан в ИВТЭ четверть века назад?
- Да, в 1989 году. А исследования в этом направлении начались еще в 60-е годы прошлого века. Наш генератор успешно прошел испытания, и в начале 1990-х годов мы заключили договоры с предприятиями по доведению его до промышленного образца. Но тут грянул кризис, и работы остановились. Судьба нашей первой энергоустановки была печальна - ее распродали по частям. Шестая часть в виде одного модуля ушла в Италию, другой - мощностью 0,5 кВт - использован в Специальном конструкторском бюро котлостроения Балтийского завода в Санкт-Петербурге, специалисты которого оценили его удачную конструкцию.
Возродились работы только в 2008 году, когда их стала финансировать топливная компания ТВЭЛ, одно из крупнейших подразделений Росатома.
- Неужели ученые так легко отказались от своего детища, и на двадцать лет исследования полностью прекратились?
- Конечно, нет. Мы продолжали поиск электролитов с нужными свойствами, разрабатывали математические модели ТОТЭ
и других электрохимических устройств.
И хотя технологически из-за отсутствия современного оборудования отставали от западных коллег, в фундаментальном плане старались оставаться на мировом уровне. Поэтому спустя годы удалось довольно быстро в кооперации с партнерами - подразделениями Уральского электрохимического комбината (Новоуральск) и Чепецким механическим заводом (Глазов) - вновь создать электрохимический генератор. Мощность его была невелика, 100 Вт, но зато он проходил испытания не в тепличных лабораторных условиях, а на площадке «Газпром трансгаз Екатеринбург». В течение 2010 года генератор функционировал на открытом воздухе при больших перепадах температур, а мы получали телеметрическую информацию о параметрах его работы: важно было определить ресурс установки и выработать алгоритм управления ею.
- Заказчик продемонстрированного генератора - тоже Газпром?
- Точнее, «Газпром трансгаз Екатеринбург». В 2012 году компания объявила конкурс на разработку и изготовление автономной энергоустановки на ТОТЭ для электропитания станций катодной защиты магистральных газопроводов. Выиграл конкурс новоуральский завод электрохимических преобразователей (ЗЭП), который входит в топливную компанию Росатома ТВЭЛ и сотрудники которого имеют солидный опыт создания электрохимических генераторов на щелочных топливных элементах. Была сформирована кооперация, куда вошли ООО «ЗЭП», частная производственная компания УралИнтех и наш институт, обеспечивающий научное сопровождение проекта.
- Мощность новой установки 1,5 кВт: это много или мало?
- Уточню: это номинальная (полезная) мощность, а максимальная - 2,5 кВт. Для производственных и бытовых нужд генератора такой мощности с накопительной системой вполне достаточно. Например, он может обеспечить электроэнергией частный дом: накопитель позволяет компенсировать пиковые нагрузки. Кстати, если раньше ученые стремились к созданию очень мощных электрохимических генераторов, то теперь считают наиболее целесообразными установки киловаттного класса.
- Чем привлекательны электрохимические генераторы на ТОТЭ?
- Прежде всего высоким КПД. Вообще все электрохимические устройства по сравнению с традиционными источниками тока имеют высокий КПД, поскольку в них энергия топлива напрямую превращается в электрическую, минуя малоэффективные, идущие с большими потерями процессы горения. Но самые эффективные на сегодняшний день топливные элементы - твердооксидные. Так, КПД термоэлектрических генераторов мощностью 150 Вт, которые сейчас используются в Газпроме для катодной защиты труб от коррозии, - 2%, дизельного генератора мощностью 1 - 2 кВт - 10 - 15%. А КПД генератора на ТОТЭ мощностью 100 Вт составляет 25%, мощностью 1 кВт - не менее 40%. Более того, если предельный КПД электрохимических генераторов на кислород-ионных электролитах - 60%, то с применением протонных электролитов можно получить и 80%.
Большое преимущество электрохимических установок на ТОТЭ - их «всеядность». Исходным топливом может служить что угодно: природный газ, метан, бутан, пропан, бензин, дизельное топливо, уголь, спирты, а также древесина, торф, стружка, отходы сельхозпроизводства. В топливном процессоре это сырье подвергается конверсии, иначе говоря - газификации, в результате чего образуется водородсодержащий горючий газ, который подается в батарею генератора.
- А как насчет экологической чистоты ваших устройств?
- Энергоустановки на ТОТЭ достаточно экологически чистые, ведь продукт сгорания водорода - обычная вода. В электрохимическом генераторе не образуются оксиды азота, как, например, в результате работы двигателя внутреннего сгорания или турбин электростанции, поскольку температура топливного элемента электрохимического устройства гораздо ниже. За счет более высокого КПД ТОТЭ количество углекислого газа, выделяющегося при его работе, значительно меньше, чем у других энергоустановок.
- Кому сегодня «по карману» электрохимические генераторы?
- Пока они слишком дороги, и частные лица не могут покупать их в массовом порядке. В ближайшем будущем основным потребителем такой продукции может быть Газпром, которому она необходима для станций катодной защиты. На совещании, о котором шла речь, были достигнуты соглашения о сотрудничестве в области применения наших энергоустановок в качестве автономных источников энергии в распределенной энергетике, коммунальном хозяйстве и в удаленных от линий электропередачи районах - там они просто незаменимы. Электрохимические генераторы на ТОТЭ перспективны также для использования в водородной энергетике, для нужд МЧС и Минобороны.
- В самом конце 2013 года Институт высокотемпературной электрохимии - единственный в Уральском отделении РАН - выиграл мегагрант правительства РФ. Что это даст для продолжения ваших исследований?
- Если быть точным, это гранты для государственной поддержки научных исследований, проводимых под руководством ведущих ученых в российских вузах, академических учреждениях и государственных научных центрах. Они были учреждены правительством РФ в 2010 году. Мегагрант рассчитан на три года, его размер достигает 90 млн рублей. Одним из 42 победителей четвертого открытого конкурса на получение таких грантов в номинации «Энергетика и рациональное природопользование» стал профессор Панайотис Циакарас (Университет Фессалии, город Волос, Греция) и наш институт, на базе которого будут проводиться совместные исследования. Мы продолжим разработку твердооксидных электрохимических ячеек с несущим и тонкослойным протонным электролитом.
- Как давно вы сотрудничаете с греческим коллегой?
- Мы познакомились еще в начале 1990-х в Италии, когда демонстрировали там часть нашей первой установки - 150-ваттный модуль. Циакарас в свое время защищал диплом в Мессинском университете на Сицилии. В 1999 году вновь встретились на конференции по ионике твердого тела в Салониках, решили продолжить сотрудничество и выиграли грант ИНТАС по разработке ТОТЭ на биоэтаноле. С тех пор у нас вышло более 40 совместных публикаций. По условиям мегагранта, в нашем институте будет создана лаборатория во главе с Циакарасом, и он должен будет проводить в Екатеринбурге не менее четырех месяцев в году. Мы в свою очередь сможем пользоваться суперсовременным оборудованием в университете Фессалии. Думаю, получение мегагранта - определенная гарантия того, что мы продолжим создавать электрохимические устройства мирового уровня.