Bloom Energy и очередное «открытие Америки»

Инноваторы или плагиаторы?
В феврале 2010 г. на рынок энергетики ворвалась компания Bloom Energy с «сенсационной» новостью: в открытую продажу поступает якобы инновационная разработка – компактная корпоративно-домашняя электростанция модели ES-5000 Energy Server. Новый продукт получил название «Bloom Box» («Цветочный ящик»). Серийное производство генераторов энергии на твердооксидных топливных элементах (Solid Oxide Fuel Cell) стало возможно после того, как специалисты Bloom Energy решили все инженерные задачи – так заявлено на сайте компании. «На данный момент мы сфокусированы на коммерческом и промышленном применении твердооксидных топливных элементов в США. Однако в наших планах есть выход на международный уровень», - прокомментировал корреспонденту EnergyLand.info представитель Bloom Energy.

ES-5000 Energy Server «Bloom Box» (фото Bloom Energy)

Bloom Energy смогла привлечь к своей «инновационной разработке» внимание многих, сделав таким образом «интересный» маркетинговый ход. А интересный он потому, что специалистам уже давно известны твердооксидные топливные элементы и генераторы на их основе. Когда 21 февраля 2010 г. Александр Липилин, ведущий научный сотрудник лаборатории электродинамики института электрофизики, просмотрел рекламный ролик в программе новостей SBC «60 минут», то первые мысли у него были о необходимости востановления исторической справедливости: «Разработки ТОТЭ начались у нас еще в 1950-60 гг. прошлого века. И «впереди планеты всей» был Советский Союз. В 1965 году впервые в мире был испытан ТОТЭ с YSZ-электролитом и Pt-электродами в Институте электрохимии Уральского Научного Центра. ТОТЭ был мощностью 50 Вт и работал в течение 1000 часов. К концу десятилетия испытывались устройства мощностью 300-400 Вт».
В США системные исследования и разработки ТОТЭ начались позднее, в начале 1970-х годов (Westinghouse, Питтсбург, штат Пенсильвания) с единичного элемента мощностью 16 Вт. И только в 1986 г. американцы испытали батарею ТОТЭ (т.н. «стек») мощностью 400 Вт на 24 трубчатых топливных элементах нетрадиционной конструкции в течение 1250 часов. Начиная с 1980 г. заказчиком фирмы Westinghouse было Министерство энергетики США. С 1986-го по 2005 г. единичные элементы и стеки накопили время испытаний 88000 часов и выработали более 4000 МВт электроэнергии. При этом испытания продолжаются и сейчас. В 2010 г. единичные элементы перешагнут рубеж в 130 000 часов (15 лет работы с незначительной деградацией характеристик). Siemens после приобретения Westinghouse успешно продолжает разработку энергосистем и сейчас является признанным мировым лидером в технологии SOFC.



Проф. Шридхар рассказывает о «Bloom Box» в телепередаче «60 minutes» (на англ. языке). На сайте Bloom Energy также можно посмотреть мультфильм «Как работает ТОТЭ».

В 1989 г. в ответ на демонстрацию 3 кВт установки фирмы Westinghouse (для Tokyo Gas) в России силами сотрудников четырех институтов был изготовлен высокотемпературный электрохимический генератор мощностью 1 кВт с КПД около 43%, который прошел испытания в ИВТЭ УрО РАН. Расположение элементов в модуле запатентовано и стало прототипом для последующих энергосистем с ТОТЭ. Энергоустановка до 92-го года успела пройти испытания на нескольких объектах. После чего во время перестройки исследования были приостановлены на долгие годы, а лидерство в разработке ТОТЭ перешло к Западу.

Александр Липилин, ведущий научный сотрудник лаборатории электродинамики института электрофизики (фото автора)

В США в 2001 г. при поддержке правительства сформировался альянс Solid State Energy Conversion Alliance (SECA) для реализации программы промышленного выпуска к 2010-2012 гг. энергосистем (3-10 кВт) на SOFC себестоимостью $400 за 1 кВт установки. Ведущие американские фирмы уже в 2006 г. добились показателей $700 за 1 кВт установленной мощности, а одному из членов альянса SECA - компании General Electric - в том же году удалось снизить стоимость до рекордных $254 за 1 кВт. В среднем, по оценкам эксперта Александра Данилова (журнал «Российские нанотехнологии»), продажная стоимость 1 кВт установленной мощности генераторов на ТОТЭ на сегодня составляет $3000 - по такой цене предлагает свой продукт и Bloom Energy. Для сравнения, 1 кВт мощности атомной электростанции стоит $5200. При этом для конечного потребителя стоимость электроэнергии тем меньше, чем больше срок службы электростанции, а энергосистемы на ТОТЭ уже прошли испытания временем (более 88000 часов). Российские специалисты готовы создать энергоустановки по $1000 за 1 кВт.
Программа SECA включала до кризиса шесть проектов, разрабатываемых конкурирующими промышленными командами: Cummins-SOFCo, Delphi-Battelle, General Electric, Siemens-Westinghouse (в последние годы Siemens), Acumentrics и FuelCell Energy. Сейчас финансируются четыре проекта. Заметьте, что Bloom Energy в проектах даже не значился. Программа SECA включает три фазы. Первые две заключались в научно-конструкторских разработках, которые были закончены к 2008 г. С тех пор в силу вошел третий этап – коммерциализация. Каждая из перечисленных фирм сегодня предлагает оборудование на ТОТЭ. Delphi совместно с Battelle Pacific Northwest Division в 2007 г. представили маленькие компактные (2,5 л, 9 кг) генераторы на ТОТЭ, которые могут быть использованы для различных транспортных средств или малоэтажных построек. Компания FuelCell Energy (США) сосредоточена на силовых установках на ТОТЭ для морских судов. Siemens начала производство ТОТЭ еще в 1998 году. Пожалуй, на сегодня Siemens имеет самый широкий ряд генераторов на ТОТЭ. Это установки от 5 кВт до 300 кВт (гибрид с газовой турбиной). Наряду с Siemens в индустии твердоксидных топливных элементов специалисты признают также фирму Acumentrics.

ВТ ЭХГ-1000: мощность 1 кВт, 950°С (СН₄-возд.), 6 стеков, КПД ~43%, использование топлива до 98%, масса ~20 кг, 500х500х750 мм, электрохимическая часть ~3 л (фото ИЭФ УрО РАН)

Итак, Bloom Energy вовсе не сделали инновационного прорыва, а лишь вышли на рынок. Причем рынок этот весьма перспективный: по оценкам компании Global Industry Analysts, Inc. (опубликовано в отчете «World Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) Market») в 2010 г. в мире будет продано энергосистем на ТОТЭ на сумму около $443 млн.
К слову, далеко не только американцы занимаются твердооксидными топливными элементами. Согласно упомянутому отчету, ТОТЭ разрабатывают и готовят к комерциализации более сотни компаний Европы, Азии, Австралии, Канады и т.д. Так, прорыв в разработке низкотемпературного электролита для ТОТЭ сделали ученые Мадридского Университета (Universidad Complutense de Madrid) под руководством Jacobo Santamaria. Испанские физики показали, что ионная проводимость электролита при низких температурах может быть существенно улучшена, если на слой обычного электролита (диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия) будет нанесен слой титаната стронция (SrTiO₃) толщиной 10 нм.
Генератор на ТОТЭ фирмы Fuel Cell Technologies (FCT, Kingston, Ontario) производит 5 кВт электроэнергии и обеспечивает теплом здание института National Research Council Canada с 2006 г.

 

ТОТЭ в России
В 1989 г. электрохимический генератор на ТОТЭ, разработанный группой советских ученых под руководством Александра Липилина, был передан на испытания «Специальному конструкторскому бюро котлостроения», где в общей сложности наработал около 2000 часов. Исследования выбросов генератора показали его высокую экологичность - на 1-2 порядка ниже допустимых ПДК. Генератор на единичном модуле после Международной выставки Боритек (Милан, Италия) был продан в Институт GNR TAE (Сицилия).

Модуль ТОТЭ, Институт электрофизики УрО РАН (фото автора)

В 2004 г. «Норильский никель», заключив договор с Российской Академией Наук (РАН), принялся за финансирование и развитие ТОТЭ сначала через президиум РАН, а затем напрямую через дочернее предприятие - Национальную инновационную компанию «НЭП». Но «дочка» обанкротилась и работа затормозилась.
В 2005 г. в РФЯЦ ВНИИТФ (Российский федеральный ядерный центр Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики им. акад. Е.И. Забабахина, Снежинск) был изготовлен модуль батарей ТОТЭ мощностью 2 кВт и 1кВт генератор для систем катодной защиты газопроводов.
В 2009 г. РФЯЦ провел испытания энергоустановки на ТОТЭ. Генератор вырабатывал электричество в течении 8800 часов, чем подтвердил гарантированный срок службы.
В ноябре 2009 г. МРСК Урала провела конкурс инновационных проектов в сфере энергосбережения. Одним из победителей стал проект Уральского Отделения (УрО) РАН и ООО «Центр промышленных нанотехнологий» (Екатеринбург), суть которого в создании производства энергосберегающих установок на базе ТОТЭ. Такие генераторы предлагается ставить в каждом жилом доме, и вместо электричества использовать уже подведенный к дому газ (по оценкам Института электрофизики УрО РАН, траты на передачу газа по трубопроводам в 4-5 раз меньше, чем при передаче электроэнергии). Таким образом будет реализована идея распределенной системы электрообеспечения. Проект на создание промышленного производства подан в ГК «Роснанотех» и для рассмотрения вопроса о софинансировании в министерство энергетики РФ. Планируемая продажная стоимость 1 кВт установленной мощности 30000 рублей ($ 1000).

Siemens SFC-200 (фото Siemens)

Технический аспект
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 ионов О^2- через кристаллическую решетку электролита, а затем при высокой температуре (500-1000ºC ) реагирует с водородом на аноде (происходит окисление топлива). Чаще всего в ТОТЭ используют аноды на основе никелевого кермета и оксидные катоды на основе, например, манганита лантана стронция. Все используемые материалы достаточно распространенные в земной коре.

Генератор фирмы Fuel Cell Technologies, расположенный в National Research Council Canada (фото HydrogenHighway)

Источником водорода может быть органическое жидкое или газообразное топливо.
Реакция на аноде:

H₂ + O^2- → H₂O + 2e^-

CO + O^2- → CO₂ + 2e^-

Реакция на катоде:

O₂ + 4e^- → 2O^2-

Если замкнуть катод и анод на внешнюю нагрузку, движение электронов от анода к катоду начнется именно через нее, такой же по величене ток будет двигаться и через электролит, но в виде ионов кислорода.
КПД тепловых электростанций, где химическая энергия сжигаемого топлива преобразуется сначала в тепловую, затем в механическую и только потом в электрическую, составляет около 35%. При передаче электроэнергии от электростанций потребителям происходят такие большие потери в трансформаторах и линиях электропередач, что результирующий КПД превращения топлива в электричество в наших домах, по мнению Александра Липилина из ИЭФ УрО РАН, всего лишь порядка 10%. «Расчетное КПД генератора на ТОТЭ 70%, австралийским специалистам удалось достичь 65%. Если использовать отработанные газы для приведения в действия газовой турбины, то можно повысить КПД такой гибридной установки до 90%. Еще одно преимущество твердооксидных топливных элементов заключается в том, что масштабирование не меняет их КПД», - сообщает Александр Липилин.

Схема работы твердооксидного топливного элемента (источник: Wikimedia)

Кроме того, тепловые электростанции расчитаны на равномерную сезонную и суточную нагрузки, что в реальности неосуществимо и ведет к энергопотерям и сокращению срока службы электростанций. Распределенная энергетика (генераторы электроэнергии расположены непосредственно у потребителя) помогает сэкономить на соответствии сжигаемого топлива графику потребления электроэнергии.
ТОТЭ обладают еще рядом неоспоримых положительных качеств. Они не нуждаются в таком дорогом катализаторе, как платина. Они не отравляются монооксидом углерода, и в них могут использоваться любое углеводородное топливо: метан, пропан, бутан, биогаз, чистый водород. Если использовать чистый водород, то единственным продуктом его сгорания будет вода, так что можно назвать такой способ получения электроэнергии наиболее экологичным.
Как сказано выше, генераторы на ТОТЭ обладают большим сроком службы. Обусловлено это тем, что используемые материалы в рабочих условиях термодинамически устойчивы, т.е. «вечны». Срок службы непосредственно генераторов определяют конкретные конструкции и используемые технологии.

Динамика развития SOFC в США

Твердое состояние всех компонентов ТОТЭ позволяет иметь 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).
Высокий КПД, любое углеводородное топливо, отсутствие платиновых катализаторов, большой срок службы и экологическая чистота – вот преимущества тверооксидных топливных элементов, способных вывести их в лидеры на рынке энергоустановок.

Ирина Рахмеева, EnergyLand.info
На первой фотографии: генератор на ТОТЭ производства Acumentrics (фото Acumentrics)