1. КонкурентныеПреимуществаСвердловской_ 2011(*doc)
advertisement
КОНКУРЕНТНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА СВЕРДЛОВСКОЙ ОБЛАСТИ В РАЗРАБОТКЕ И ПРОИЗВОДСТВЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ЭНЕРГОУСТАНОВОК НА ТВЕРДООКСИДНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ (ТОТЭ) 2011 г. КОНКУРЕНТНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА СВЕРДЛОВСКОЙ ОБЛАСТИ В РАЗРАБОТКЕ И ПРОИЗВОДСТВЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ЭНЕРГОУСТАНОВОК НА ТВЕРДООКСИДНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ (ТОТЭ) Содержание Введение 2 1. Системы энергообеспечения 4 1.1. Традиционная, централизованная энергетика 4 1.2. Индивидуальная мобильная энергетика 5 1.3. Распределенная энергетика на ТОТЭ 11 2. Анализ рынка энергоустановок на ТОТЭ 17 2.1. Российский рынок энергоустановок на ТОТЭ 18 3. Состояние разработок по ТОТЭ 19 3.1. Разработки по ТОТЭ в Свердловской области и на Урале 24 3.2. Независимая экспертиза работ по ТОТЭ Свердловской области 40 4. Создание кластера по производству топливных элементов на основе 41 ТОТЭ в Уральском регионе. 5. Реализация конкурентных преимуществ Свердловской области при 44 формировании кластера 6. Выводы 47 Введение Энергетика является одним из приоритетных направлений развития общества, развития Государства. При этом развитие цивилизации неразрывно связано с увеличением электропотребления обществом в целом и каждым человеком в отдельности. В настоящее время достаточно хорошо развита и продолжает с высокими темпами развиваться индивидуальная мобильная энергетика: сотовые телефоны, ноутбуки, фото и телекамеры, автомобили... Эта энергетика позволяет преобразовывать наиболее разумно и экономно химическую энергию топлива в соответствии с личным графиком потребления электроэнергии. Её развитие обусловлено тем, что созданная в прошлом веке 2 стационарная гибкостью, централизованная чтобы энергетика экономно не обеспечивать обладает достаточной индивидуальные запросы потребителей. Структура же современного общества такова, что потребители электрической энергии могут образовывать сообщества в 5 – 1000 человек, которые имеют общие согласованные режимы потребления электрической энергии это коттеджи, таунхаусы, жилые дома, фабрики, заводы и т.д. Поэтому, безусловно, между традиционной стационарной энергетикой и индивидуальной должна быть сформирована распределенная энергетика, задачей которой являются удовлетворение все возрастающей энергооснащенности общества с одновременным энерго и ресурсосбережением с улучшением экологической ситуации в технологии получения электроэнергии. Основой распределенной энергетики, в ближайшее время станут энергоустановки на основе электрохимических генераторов. Высокий КПД электрохимических генераторов, гибкое регулирование производства энергии на месте потребления, сокращение издержек при транспортировке электроэнергии – основные черты распределенной энергетики. Топливом для электрохимических генераторов служат: природный и попутный газ, биогаз, продукты газификации углеводородов, угля, торфа, сланцев, отходов деревопереработки. В экологически чистом, бесшумном электрохимическом генераторе химическая энергия топлива напрямую преобразуется в электрическую энергию с максимальным КПД до 80-90%. Электроэнергетика стоит на пороге глобальных технологических перемен. По оценкам западных специалистов, к концу первой четверти столетия на долю энергоустановок на основе электрохимических генераторов (ЭХГ) с твердооксидными топливными элементами (ТОТЭ) будет приходиться до 30% всей производимой в мире электроэнергии. В мире начинает формироваться огромный новый рынок - рынок оборудования для распределенной энергетики. В Свердловской области успешно работает мощная научно- технологическая школа мирового уровня по электрохимическим генераторам 3 на твердооксидных топливных элементах. Разработки выполнены на мировом уровне и, в ряде случаев, превосходят его. Наиболее активно работы ведутся в институтах УрО РАН (г. Екатеринбург). На основе разработок свердловских институтов и в содружестве с ними работы по энергоустановкам на основе ТОТЭ успешно ведутся РФЯЦ-ВНИИТФ (г. Снежинск). Созданы опытные установки. Работы подошли к такому уровню, когда необходим переход к промышленному производству. 1. Системы энергообеспечения 1.1. Традиционная, централизованная энергетика Существующая централизованная система электрообеспечения, когда один источник обеспечивает электроэнергией сотни и тысячи потребителей, имеет низкий КПД, как по эффективности преобразования топлива, так и по эффективности передачи электроэнергии. КПД перевода химической энергии топлива в электрическую энергию на традиционных электростанциях составляет 30-35% (рис. 1.). Рис. 1. КПД традиционной электростанции. Это КПД самой электростанции, но чтобы электроэнергия дошла до потребителя, необходима система передачи. 4 Передача выработанной электроэнергии от электростанций на большие расстояния приводит также к безвозвратным её потерям, к снижению суммарного КПД системы. Потери обусловлены сопротивлением проводов, при этом, чем выше ток тем больше потери. Эти потери электроэнергии преобразуются в тепло, т.е. при её передаче мы греем воздух атмосферы. Снижать сопротивление проводов можем, увеличивая их сечение, но только до разумной величины. Снижать ток можем, увеличивая величину передаваемого напряжения, но тоже до разумного предела, так как с увеличением напряжения возрастают токи утечки, да и возникает необходимость трансформирования напряжения, что также приводит к увеличению потерь. Это дополнительно снижает суммарный КПД использования топлива (рис. 2.). Рис. 2. Затраты по передаче электроэнергии. Неравномерность электрической нагрузки электростанций приводит к «рваному» режиму работы всех её систем, что сокращает срок службы, приводит к аварийности. 1.2. Индивидуальная мобильная энергетика Индивидуальная мобильная энергетика позволяет преобразовывать наиболее разумно и экономно химическую энергию топлива в электроэнергию в соответствии с личным графиком потребления. В настоящее время она достаточно хорошо развита и продолжает с высокими темпами развиваться. Её 5 развитие обусловлено тем, что созданная в прошлом веке стационарная централизованная энергетика не обладает достаточной гибкостью, чтобы экономно обеспечивать индивидуальные запросы потребителей. Сфера применения индивидуальной мобильной энергетики: сотовые телефоны, ноутбуки, фото и телекамеры, автомобили .... Индивидуальная мобильная энергетика основана в своем большинстве на традиционных первичных и вторичных химических источниках тока (ХИТ). Интересно, что сейчас потребляемая мощность от ХИТ (батареек и аккумуляторов) уже превосходит электрическую мощность, вырабатываемую всеми стационарными электростанциями. На рисунке 3 представлена классификация ХИТ. Рис.3. Классификация химических источников тока В последнее время к традиционным гальваническим элементам и аккумуляторам присоединяются химические источники тока – топливные элементы, не имеющие такой характеристики, как электрическая емкость (А/час), циклов заряд/разряд как аккумуляторы и независящие, как последние, от наличия централизованной сети для подзарядки. Созданные на основе различных ХИТ, мобильные портативные источники тока имеют следующие основные характеристики (см. рис.4.): 6 Рис.4. Удельные характеристики мобильных портативных источников тока в зависимости от типа ХИТ. Полученные данные подтверждают, что наиболее целесообразно для длительно работающих источников тока не запасать химическую энергию топлива в активных электродных веществах устройства, непосредственно энергоноситель в виде исходного а запасать топлива. А затем химическую энергию запасенного топлива прямым способом преобразовывать в электрическую энергию в топливных элементах. При этом наиболее выгодно преобразование вести в твердооксидных топливных элементах (ТОТЭ). Существуют различные типы топливных элементов. Их можно классифицировать, например, по используемому топливу, рабочему давлению и температуре, по характеру применения, типу электролита. Ниже проведено сравнение основных характеристик энергоустановок и топливных элементов различных типов, претендующих на мобильное их использование на транспорте (Таблица 1). Развитие твердооксидных топливных элементов позволяет им претендовать, кроме стационарного использования, так же на мобильное и на портативное применение. 7 Таблица 1. Основные технические параметры топливных элементов (ТЭ) и энергоустановок (ЭУ) на них. Компоненты и характеристики ТЭ и ЭУ Электролит Перенос заряда Электрод - анод Электрод - катод Топливо Окислитель Рабочая температура, ОС Электрический КПД для СН4, % Напряжение на элементе Плотность тока, А/см2, ожидаемая Подтвержденная на ЭУ Ресурс энергоустановки, ч ожидаемый (по единичному элементу) подтвержденный по ЭУ Себестоимость, US$/кВт Недостатки ЩТЭ щелочные ТПТЭ твердополимерные 30-40% раствор КОН Ионообменная мембрана, типа Nafion Н3О+nH2O C + Pt C + Pt Н2 (99,995%) Воздух ОНNi(C) + Pt Ni(C) + Pt Н2 (99,95%) О2 (воздух с очисткой от СО2) ТОТЭ Керамика типа YSZ О2Ni+YSZ LaxSr1-xMnO3 Н2, Н2+СО, СН4 воздух 80-97 70-93 35-37 35-37 700-900 60-70 с турбиной до 90 0,85-0,9 0,8-0,85 0,75-0,8 0,4 0,15-0,3 0,4 0,3-0,5 0,4 0,4-0,6* до1,5[+] 10000 20000 80000 8000 ~10000 1. Потребность в Pt, 2. Высокая чувствительность к ядам 3. Глубокая очистка Н2 и 40000 (идут испытания) Существенно 700 (2006г.) больше 10000 400 (2010г.) 1.Потребность в Pt, Устранены 2.Высокая недостатки по чувствии-тельность ресурсу, к ядам термоцикли3. Глубокая очистка рованию и от каталитических технологи-ческим ядов сложностям. 4.Регулирование Недостатков ЩТЭ и 1000 8 воздуха от СО2 4. Трудность утили-зации тепла 5. Точность поддер-жания температуры Преимущества влажности мембран 5. Трудность утилизации тепла 6. Точность поддержания температуры ТПТЭ не имеет 1.Требует стартового разогрева 2.Время стартового разогрева стационарных энергоустановок более 3 ч 3.Время стартового разогрева портативных установок – от 15 минут до 5 сек 1.Высокая 1. Более высокая 1.Наиболее высокий удельная удельная мощность КПД мощность 2. Высокая манев- 2.Отсутствие драг2. Хорошая ренность металлов манев-ренность 3. Отсутствие 3.Возможность жидкого использования электролита любых видов топлива 4. Наиболее высокая удельная мощность 5. Более высокая маневренность 6. Отсутствие жидких фаз 4. Не боится короткого замыкания Внимательно сопоставив характеристики разных типов ТЭ, можно заметить, что, казалось бы, положительные характеристики ЩТЭ и ТПТЭ – низкие рабочие температуры (малое время старта) и высокие удельные мощности с одновременным достаточно узким диапазоном рабочих температур и точным заданием максимальной температуры, связанным с переходом воды из жидкого состояния в газообразное, переходят в отрицательные. В случае неравномерного распределения тока (имея проблемы утилизации тепла из-за относительно низких температур) происходит местный перегрев мембраны её 9 осушение, что приводит к разгерметизации полостей, смешиванию топлива и окислителя в стехиометрической пропорции и при инициации к взрыву. Высокие плотности тока (короткое замыкание) приводят к термическому разрушению и к усилению взрыва благодаря запасу реагентов. Такие вещи принципиально не возможны для высокотемпературных ТОТЭ. При этом отрицательные характеристики ТОТЭ стационарного применения, такие как время стартового разогрева, составляющее более 3 часов и соответственно термоциклирование, оказывается могут быть существенно улучшены при конструировании мобильных энергосистем на ТОТЭ. Важной характеристикой является энергоэффективность и экологичность. В этом плане энергоустановки на ТОТЭ вне конкуренции. Сравним эффективность применения энергоустановок на ТОТЭ в автомобилях по сравнению с традиционными двигателями и другими типами топливных элементов. Рис. 5. Сравнение энергоэффективности автомобильных двигателей (гибридного, с тяговыми аккумуляторами, на твердополимерном ТЭ и на ТОТЭ). 10 Рис. 6. Сравнение выбросов автомобильных двигателей (гибридного, с тяговыми аккумуляторами, на твердополимерном ТЭ и на ТОТЭ) В таблице № 2 приведены сравнительные характеристики эффективности и удельное количество выбросов СО2 для различных типов двигателей. Таблица № 2. Электромобиль с тяговыми аккумуляторами Автомобиль с ТПТЭ Автомобиль с ДВС (гибрид) Автомобиль с ТОТЭ Эффективность, % Выбросы СО2, г/кВч 4,1 520…550 14,4 630…660 18,1 520…550 44,2 380…410 1.3. Распределенная энергетика на ТОТЭ В настоящее время появляется возможность создания распределенной энергетики на новой технологической базе – на основе твердооксидных топливных элементов. Такая энергетика позволяет гибко регулировать производство энергии на месте потребления, обеспечивая большие мощности и ресурс работы. В отличие от традиционной энергетики, распределенная 11 энергетика на основе ТОТЭ дает возможность сокращения издержек при транспортировке и производстве электроэнергии, обеспечивает высокую экологичность. С одной стороны, распределенная энергетика обладает многими положительными качествами индивидуальной энергетики, с другой стороны обеспечивает достаточные мощности, как и централизованная энергетика. Распределенная энергетика предполагает, что генераторы электрического тока расположены непосредственно у потребителя электроэнергии, к которому по трубопроводу приходит топливоэнергоноситель - водород (природный газ). Потребитель сжигает топливо в соответствии с собственным графиком потребления электроэнергии. Это приводит к разумному энергосбережению и к экономному использованию топлива. При этом использование в качестве генераторов электроэнергии твердооксидных топливных электрохимических элементах (ТОТЭ) генераторов позволяет тока на существенно повысить энергосбережение и экономию топлива. ТОТЭ имеют высокий КПД прямого преобразования химической энергии топлива в электричество. Их КПД достигает 70%, а с учетом использования высокопотенциальной тепловой энергии – 90%. При этом электрохимическое, «низкотемпературное» сжигание топлива обеспечивает высокую экологичность процесса. Это реально чистая энергосберегающая технология, требующая для производства такого же количества электричества в два - три раза меньшего количества топлива. Классическим, перспективным экологически чистым топливом для топливных элементов является водород. Транспорт топлива по трубопроводу на те же расстояния требует существенно меньших энергозатрат, чем при передаче электроэнергии по проводам, а потери возникают только при физическом нарушении целостности распределенной трубопровода. энергетике На используются первом этапе природный газ, перехода к продукты газификации угля, жидких углеводородных топлив из нефтепродуктов. На втором этапе в качестве топлива логично будет использовать водород и переработанные отходы деятельности сельскохозяйственные отходы. 12 человека, промышленные и Выбор в будущем водорода (Н2) в качестве топлива ТОТЭ как удобного энергоносителя, обусловлен, в первую очередь, его экологической безопасностью, поскольку продуктом его сгорания является вода. Другим преимуществом Н2 является его исключительно высокая теплота сгорания 143,06 МДж/кг (напомним, что для условного углеводородного топлива 29,3 МДж/кг). Высокая теплопроводность водорода, а также его низкая вязкость, приводят к снижению энергозатрат при его транспортировании по трубопроводам по сравнению, например, с природным газом - метаном. Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) по международной терминологии – SOFC (Solid Oxide Fuel Сells), имеют достаточно широкий диапазон применений: от портативных источников тока (10-500 Вт) до автономных стационарных электростанций (1-10 МВт). Их привлекательность обусловлена, прежде всего, высокой эффективностью прямого преобразования химической энергии топлива в электричество. При этом топливом могут служить любые углеводороды, низкотемпературное, а окислителем электрохимическое сгорание – воздух. топлива Причем обеспечивает высокую экологичность процесса получения электроэнергии. Возможные области применения энергоустановок на основе ТОТЭ представлены на рис. 7. 13 Рис. 7. Области применения топливных элементов. Сравнение эффективности различных технологий преобразования химической энергии в электрическую, приведено на рисунке 8. Рисунок 8. Сравнение эффективности энергетических установок. Как видно из рисунка, наиболее эффективным способом получения энергии является комбинирование твердооксидных топливных элементов и газовых турбин низкого давления. 14 Поскольку все компоненты ТОТЭ находятся в твердом состоянии, конструкции самих элементов и устройств из них имеют большое разнообразие. До 80-90х годов прошлого века их можно было разделить на три группы: трубчатые, планарные и блочные. Позднее стали появляться конструкции элементов, объединяющие положительные свойства трубчатой и планарной, трубчатой и блочной групп. Преимущество твердого состояния единичного элемента приводит не только к многообразию его конструкций, но и к многообразию конструкций стеков батарей и энергоустановок. Это позволяет оптимизировать устройства по наиболее важному для заказчика требованию, отдавая приоритеты размерам или массе, высокой рабочей температуре и дорогим конструкционным материалам или пониженной температуре и дешевым материалам, высоким плотностям мощности или сроку службы. Твердооксидные топливные элементы эффективно работают при высоких рабочих температурах – 700-950ОС. Поэтому скорость протекания электродных реакций достаточно высока и не требуется использование дорогостоящих катализаторов. Одним из преимуществ ТОТЭ является их невысокая требовательность к чистоте топлива. 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 ZrO2. С противоположных сторон электролита расположены электроды. На одном из электродов (катоде) кислород воздуха ионизируется, проходит в виде иона О- через кристаллическую решетку электролита, а затем на другом электроде (аноде) электрохимически окисляет топливо (рис. 9). 15 Рис. 9. Принцип работы метан (Н2-СО) – воздушного ТОТЭ. Чаще всего в ТОТЭ используют аноды на основе никелевого кермета и оксидные катоды на основе, например, манганита лантана стронция. Все используемые в ТОТЭ элементы достаточно распространены в земной коре. Сами материалы при относительно низких рабочих температурах 600-900ОС в рабочих условиях термодинамически устойчивы, т.е. вечны. Таким образом, срок службы ТОТЭ обусловлен не используемыми материалами, а конкретными конструкциями и используемыми технологиями. Ресурсные испытания единичных элементов, проводимые за рубежом, превысили уже 80000 тысяч часов. Ресурсные испытания батарей элементов (модулей, стеков), проводимые за рубежом, превысили 40000 тысяч часов и продолжаются. Твердое состояние всех компонентов ТОТЭ позволяет иметь бесконечное многообразие форм и размеров элементов, каждому техническому применению ТОТЭ можно, в зависимости от требований Заказчика и расставленных приоритетов, найти оптимальное техническое решение. Относительно низкие рабочие температуры исключают межслойную диффузию. Интерфейсные слои между функциональными слоями компонентов ТОТЭ исключают твердофазное взаимодействие. Относительно простые конструкции элемента: трубка, пластинка и доработанные промышленные технологии, такие как Tape Casting, плазменное напыление, трафаретная печать, совместное спекание в туннельных 16 печах, позволили ведущим разработчикам США уже в 2006 году снизить себестоимость установленной мощности до 700$US, а к 2010-12 году прогнозируется дальнейшее их снижение до 400$US. 2. Анализ рынка энергоустановок на ТОТЭ Анализ, проведенный Global Industry Analysts, Inc. (опубликован в апреле 2008 г.) предсказывает, что рыночная привлекательность энергосистем на ТОТЭ (SOFC) увеличивается из года в год, поскольку приближается целесообразная модернизация традиционной централизованной технологии получения электроэнергии, замена - реорганизация её инфраструктуры распределенной (водородной) энергетикой. Это сопровождается усилением общественной политики по очистке окружающей среды. Все это приведет в ближайшие 10-20 лет к увеличению спроса на SOFC технологию по отношению к другим технологиям производства электроэнергии. В первую очередь, это существенно коснется Северной Америки, Европы и Японии. По прогнозу Global Industry Analysts, Inc. уже в 2010 году международный рынок ТОТЭ составит 443 млн. $ США. Это примерно 1,5 тысячи энергоустановок по 200 кВт. Суммарная мощность составит примерно 300 МВт. В апреле 2010 года в США на рынок вышла первая компания – производитель 100 – киловаттных установок на основе (ТОТЭ) – «Bloom Energy Corporation». По признанию президента этой компании создание промышленного производства стоило 250 млн. долларов США и 8 лет работы. Сегодня известно, что, по крайней мере, десяток ведущих компаний США, Европы и Японии производства находятся энергоустановок в на стадии ТОТЭ подготовки различного промышленного назначения. Это предвестник того, что готовится огромный рынок нового оборудования для распределённой энергетики. В ведущих странах развитие ТОТЭ поддерживается правительствами и осуществляется крупными корпорациями. 17 Это позволяет не только обеспечивать ускоренное развитие ТОТЭ, но и заранее подготавливать рынок к необходимости использования энергоустановок на основе ТОТЭ. Такая подготовка рынка позволила «Bloom Energy Corporation» начать продажи энергоустановки по очень высокой цене - более $7000/кВт, при себестоимости $700/кВт. Россия не должна опоздать на этот рынок со своим продуктом для распределенной энергетики. Россия должна обеспечить свою безопасность автономными, бесшумными и эффективными энергоустановками специального назначения на ТОТЭ. 2.1. Российский рынок энергоустановок на ТОТЭ Ёмкость рынка бытовой версии энергоустановок на основе ТОТЭ, по оценке специалистов, составляет 10-12 млн. шт. в год. Объем рынка промышленных устройств средней мощности составляет на текущий момент до 15 тыс. единиц и имеет тенденцию к увеличению. Потребность в автономных электроустановках с топливными элементами на природном газе, используемых в качестве аварийных энергоустановок мощностью 5 кВт для обеспечения функционирования средств автоматики при отключении электропитания на газораспределительных станциях (ГРС), оценивается только по России в 2-3 тысячи штук в год. По данным специалистов соответствующего подразделения РАО «Газпром» на всей протяженности газопроводов необходима установка телеметрического оборудования для осуществления мониторинга состояния газопроводов. Для питания этого оборудования нужны маломощные (до 1,5 кВт), неприхотливые источники питания. Очевидно, что для этих целей подходят модификации ТОТЭ, способные работать за счет перекачиваемого газа и не требующие частых профилактических работ. Перспективным можно считать и рынок устройств автономного обеспечения электроэнергией станций, поддерживающих давление в газо- и нефтепроводах. По оценке специалистов РАО «Газпром» он составляет десятки тысяч устройств в год. Также следует отметить, что для катодной защиты 18 газопроводов необходимы электроустановки, обеспечивающие напряжение не менее 50 В и ток не менее 50А, т.е. наиболее эффективны здесь высокотемпературные электрохимические генераторы мощностью 3-5 кВт. На северных газопроводах, где затруднительно прокладывать параллельную высоковольтную линию электропередачи (ЛЭП) из-за вечной мерзлоты, топливные элементы, практически, вне конкуренции. Количественная потребность в таких установках зависит в основном от протяженности газопровода и от метеоусловий. Станции катодной защиты (СКЗ), как правило, располагаются на расстоянии 3 км друг от друга. Только ТЮМЕНЬТРАНСГАЗ эксплуатирует 9 магистральных газопроводов длиной около 1,5 тысяч км. Следовательно, на нем может быть установлено порядка 4500 станций катодной защиты. Актуальна также замена неэффективных экологически опасных котельных на агрегаты на основе топливных элементов. Перспективным является применение энергоустановок на ТОТЭ мощностью 1 - 10 кВт для ретрансляторов сотовой связи. 3. Состояние разработок по твердооксидным топливным элементам За рубежом наиболее продвинуты работы по коммерциализации энергосистем на ТОТЭ (SOFC) в США. Примером разумной государственной политики в коммерциализации электрохимических генераторов на ТОТЭ являются США. В октябре 2001 года был сформирован Solid State Energy Conversion Alliance (SECA) и принята программа, целью которой является разработка и промышленный выпуск к 2010-12 году 5 кВт (3-10кВт) энергосистем на SOFC со стоимостью не более $400/кВт. Программа SECA в настоящее время включает шесть проектов SOFC наиболее близких к коммерциализации, разрабатываемых конкурирующими промышленными командами: Cummins-SOFCo, Delphi-Battelle, General Electric (GE), Siemens Westinghouse (SW) (в последний год Siemens), Acumentrics, и FuelCell Energy (FCE). Все промышленные команды добились к настоящему времени существенного успеха. Завершена 1 фаза разработки, закончившаяся в 2006 19 году, были проведены демонстрационные испытания стеков различных конструкций. Увеличены снимаемые удельные мощности. GE развивает компактный 5-kW генератор для жилых домов с плоским, дисковым ТОТЭ на несущем аноде, работающим на природном газе при 700800°C. GE предлагает несколько проектов стека. С единичного стека из 21 ячейки при 800ОС удалось снять удельную мощность 307 мВт/см2. При испытании единичного элемента достигнуты 400 мВт/см2. Наибольший по площади элемент, разрабатываемый GE имеет площадь 900 см2. Delphi работает над третьим поколением проекта и много внимания уделяет созданию очень компактной и легкой системы, подходящей для применения на транспорте. На двух стеках с 30 прямоугольными ячейками планарной конструкции были получены 420 мВт/см2. На стеке с 5 ячейками – почти 600 мВт/см2. SW на трубчатых элементах с несущим катодом получил 300 мВт/см2 при 85% использовании топлива и 1000ОС. На в два раза более коротких элементах улучшенной конструкции в форме сплюснутой пробирки, образованной плоскими квадратными трубками из LSM получены удельные мощности около 400 мВт/см2, а на элементах следующего поколения (∆-элементе) с объединенными треугольными в сечении трубками – 600 мВт/см2. На элементах с квадратными трубками была испытана энергоустановка по проекту SECA. Acumentrics провел испытания устройства из трубчатых элементов на несущем аноде в штате Аляска. Производственные затраты на изготовление испытанного стека намного ниже, чем у предыдущих вариантов. Достигнута удельная мощность - 400 мВт/см2. Разработчики достаточно успешно за три года увеличили площадь единичного элемента, что позволило им увеличить снимаемую мощность с одного элемента в 10 раз (до 60 Вт). Cummins-SOFCo - на рынке самый большой производитель дизель генераторов. Они грамотно оценивают рынок для 5 кВт генераторов на ТОТЭ. Их пилотный 1 кВт образец по программе SECA проработал непрерывно 2000 20 часов на природном газе. Их топливный процессор прошел испытания в течение 2900 часов при постоянной и циклической эксплуатационной нагрузке в соответствии с требованиями испытаний (фаза 1 программы SECA). Был испытан демонстрационный образец. FuelCell Energy (FCE) для выполнения программы SECA объединил в одно юридическое лицо канадскую Global Thermoelectric Corporation и разработчика и суб-контрактора Versa Power Systems (VPS). Объединение позволило ускорить развитие и коммерциализацию SOFC систем по программе SECA. VPS имеет большие успехи в развитии глобальной технологии производства SOFC. Оценка деятельности фирм разработчиков ТОТЭ. Все четче происходит разделение фирм на фирмы, ведущие разработку энергосистем на основе ТОТЭ в расчете на коммерциализацию, фирмы, производящие исходные материалы для всех компонентов ТОТЭ и исследовательские фирмы, решающие более узкие задачи оптимизации отдельных компонентов и узлов ТОТЭ. Первые проводят испытания систем мощностью 1-5 кВт и представляют интерес для инвестирования их работ, как государством, так и частным капиталом. Вторые завоевывают рынок исходных материалов и, зная особенности выпускаемых порошков, заключают контракты на разработку единичных элементов и батарей ТОТЭ. Третьи представляют только научный интерес и, как правило, уже не могут вмешаться в отработанную технологию выпуска ТОТЭ первыми фирмами. Все шесть промышленных команд программы SECA (США) имеют собственные промышленные производства энергосистем на ТОТЭ и собственные научно-исследовательские центры. На 2008 год SECA получил госбюджетного финансирования около 62 млн. US$. Из опыта предыдущих лет внебюджетное финансирование SECA, как правило, превышает госбюджетное. При этом около половины своего бюджета SECA тратит на модернизацию производства и примерно столько же на НИР, который может проводить в любом наиболее компетентном и оснащенном научно-исследовательском 21 центре мира. Все шесть промышленных команд программы SECA добились несомненных успехов. При этом независимо от разрабатываемой конструкции элемента планарной или трубчатой, независимо от принятых ключевых технологий все они подтвердили уже достигнутую себестоимость в районе 700US$/кВт. К концу Программы, они достигнут планируемой установочной стоимости 400US$/кВт. Безусловным лидером в разработке и создании энергосистем на основе ТОТЭ является международная фирма Siemens – 250 кВт установки с гарантированным сроком службы не менее 20000 часов и деградацией характеристик около 0,1% за 1000 часов. Лидирующее положение ей обеспечила трубчатая бесшовная конструкция элемента и технология, приобретенные у Westinghouse (США). В последние годы, продолжая разрабатывать конструкцию единичного элемента, фирма сначала перешла на элементы в виде сплюснутой пробирки с прямоугольными каналами, (конструкция не могла не подвергаться критике), а затем к элементу, в котором каналы приобрели треугольное сечение (∆-элемент – объединение трубчатой и планарной конструкций, с которого планируют после оптимизации получить мощность 1кВт). Кроме того, фирма рассчитывает перейти на более проводящие твердые электролиты на основе диоксида циркония, стабилизированного скандием, и на основе галлата. Это приведет к снижению рабочей температуры, увеличению срока службы и к снижению стоимости кВт установки. Развитие этих работ обеспечит, на мой взгляд, лидерство фирме на ближайшие 5-10 лет. Другой фирмой заслуживающей пристального внимания является General Electric. После перехода в неё N. Q. Minh автора монолитной конструкции батареи ТОТЭ, фирма завоевала лидирующее положение по созданию энергосистем на ТОТЭ планарной конструкции в виде диска. Испытаны исследовательские системы устройств мощностью 1-6 кВт. Планируемая мощность с единичного элемента площадью 900см2 – 360 Вт. Получен большой технологический опыт по созданию трехслойных (анод 22 электролит - катод) заготовок методом колондрования, а так же изготовлению этой технологией газоплотного керамического токопрохода с последующим совместным спеканием слоев. В настоящее время фирма отказалась от услуг N. Q. Minh и от его ключевой технологии. Для формирования тонкослойного твердого электролита сейчас используют технологию плазменного напыления. Тем не менее, накопленный опыт, обеспечит фирме в ближайшие 5-10 лет мировое лидерство в создании запланированных мульти МВт энергоустановок на планарных ТОТЭ, совмещенных с газовой турбиной и системой газификации угля. Газификация угля это один из перспективных путей к топливной независимости США. Другим путем может быть технология прямого окисления угля в топливном элементе с твердым электролитом (DCFC). Правда эта технология сейчас находится на стадии НИР. В настоящее время в Европе лидером в создании батарей на ТОТЭ планарной конструкции является Forschungszentrum Jülich (Германия), испытавший устройство мощностью 13 кВт ещё в 2004 году. Сложность комерциализации заставила разработчиков объединиться с концерном SaintGobain. Концерн Saint-Gobain сегодня – это компания №1 в мире по производству теплоизоляции становится лидером в производстве материалов нового поколения. Пока результаты этого объединения, создание энергосистем и их промышленное производство, в литературе никак не отражены. Другим европейским центром развития ТОТЭ является Riso National Laboratory (Дания). Анализ состояния разработок топливных элементов в Европе и их результаты были представлены на германо-канадском семинаре в 2005 году. Отношение государств в Европе к электрохимической энергетике на ТОТЭ и что главное, их ресурс не идет ни в какое сравнение с ресурсом США. Это и будет в ближайшие годы решающим фактором, ускоряющим коммерциализацию энергосистем на ТОТЭ и формирующим рынок. 23 Не смотря на то, что на международном научном кворуме, ставшем наиболее авторитетным в мире, на 30-ом ежегодном Семинаре по топливным элементам в США (Fuel Cell Seminar), прошедшем в Гонолулу на Гавайях 13-17 ноября 2006 года, страны Евросоюза заявили, что они имеют разработки энергосистем киловаттного класса, тем не менее результаты испытания батарей ТОТЭ мощностью более 13кВт, создание энергосистем, систем когенерации или создание промышленного производства энергосистем на ТОТЭ в литературе не отражены. 3.1. Разработки по ТОТЭ в Свердловской области и на Урале В России в настоящее время нет Государственной Программы по водородной энергетике, в которую обычно входят наиболее перспективные твердооксидные топливные элементы. В 2004 году ведущая промышленная компания РФ «Норильский Никель», заключив договор с Российской АН, провозгласила эту Программу и в течении 1-2 лет финансировала развитие ТОТЭ сначала через Президиум РАН, а затем через ООО «Национальная Инновационная Компания «НЭП». В 2005-07 г.г. НикНЭП попытался своими силами развивать это направление. Всё было поставлено на одну (технологию изготовления ТОТЭ) технологию – термолиза металлоорганики, и прекратил финансировать другие предприятия. Работа не удалась. Лабораторию закрыли. ФЭИ (Обнинск), работая в этом альянсе, разрабатывая аналогичную технологию, тоже не выполнил Договор с НикНЭПом. Лабораторию закрыли. Начиная с 60-х годов прошлого века, Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН (ИВТЭ г. Екатеринбург) занимался разработкой твердых электролитов проводящих по ионам кислорода, а с начала 70-х годов разработкой макетов электрохимических устройств на этих электролитах. Пиком этих работ стала разработка и изготовление временным творческим коллективом в 1989 году высокотемпературного электрохимического генератора мощностью 1 кВт. Генератор имел при 950ОС, на метане в качестве топлива и воздухе в качестве окислителя, удельную мощность около 200 мВт/см2, КПД – 43%, коэффициент использования топлива 24 при максимальной мощности около 90%. Расположение элементов в модуле было запатентовано (Патент РФ № 2027258 «Высокотемпературный электрохимический генератор» МКИ НО1М, приоритет 03.07.90г. С.И.Сомов, А.К.Демин, Б.Л.Кузин, А.С.Липилин, М.В.Перфильев) и стало прототипом для всех последующих батарей и энергосистем с трубчатым ТОТЭ, выполненным в виде пробирки. Рис. 10. Электрохимический генератор 1 кВт Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН. 25 Рис. 11. Испытания ЭХГ в реальных условиях. До 2000 года в ИВТЭ разрабатывалась вся гамма электрохимических устройств: от электролизеров и конверторов для производства водорода до топливных элементов для получения электроэнергии и тепла и кислородных насосов. В высокотемпературных электролизерах электрический ток от внешнего источника используется для разложения паров воды на водород и кислород. Условно по принципу работы их можно назвать топливными элементами наоборот. В них электрический ток потребляется для получения наиболее энергоемкого топлива – чистого водорода. При снижении потребления электроэнергии, вырабатываемой на «большой» базовой электростанции, например, в ночное время, «избыток» электричества поступает в электролизеры, где в результате суммарной электрохимической реакции разложения воды выделяется чистый водород, который собирают в специальные емкости. Он может использоваться как питание топливных элементов для выработки дополнительной энергии и тепла в дневное время, когда потребление электроэнергии существенно возрастает, в том числе для снятия «пиковых нагрузок». В высокотемпературных твердооксидных конверторах водород получают путем электрохимической конверсии горючих газов. Этот процесс эффективнее, чем каталитическая конверсия, и позволяет получить водород несравненно более высокой чистоты. Начиная с конца 80 годов прошлого века, работы по разработке энергосистем на основе ТОТЭ в продолжение работ ИВТЭ, практически инициативно проводятся в Российском федеральном ядерном центре – Всероссийском научно-исследовательском институте технической физики имени академика Е.И. Забабахина (ВНИИТФ г. Снежинск). Разработчики, начав работы по всем конструктивным разновидностям ТОТЭ (трубчатая, планарная, блочная), остановили свой выбор на трубчатой конструкции элемента (рис. 12). 26 Рис. 12. Трубчатая конструкция топливного элемента. В последние годы работа энергосистем мощностью 1-2,5 кВт. увенчалась успешными испытаниями В основе батарей лежат элементы с несущим электролитом трубчатой конструкции (пробирки из YSZ электролита длиной около 120-160 мм, диаметром около 10 мм с толщиной стенки менее 0,8 мм). Рис. 13. Электрохимическая часть энергоустановки мощностью 2,5 кВт РФЯЦ-ВНИИТФ Все материалы и компоненты ТОТЭ изготовлены на предприятиях РФ. Распределенный многоточечный токосъем с анода и катода позволил уменьшить внутреннее сопротивление элементов и достичь удельной мощности 27 единичного элемента 400 мВт/см2, а в составе энергосистемы получено около 170 мВт/см2. Энергосистемы предназначены для использования на трубопроводах «Газпрома» в холодных климатических условиях. Рис. 14. Схема энергоустановка РФЯЦ-ВНИИТФ для станций катодной защиты. Рис. 15. Энергоустановка РФЯЦ-ВНИИТФ для станций катодной защиты. Установка прошла испытания в течение 8800 час В РФЯЦ-ВНИИТФ создана лабораторная база производства и испытания ТОТЭ. 28 Рис. 16. Испытание энергоустановки РФЯЦ-ВНИИТФ. В таблице № 3 приведены сравнительные характеристики энергоустановок на основе твердоксидных топливных элементах различной конструкции, разработанных в различных компаниях. Из таблицы следует, что разработки РФЯЦ-ВНИИТФ находятся на мировом уровне. Таблица № 3. Производитель Конструкция Трубчатый ТОТЭ с плёночным ysz Трубчатый mitsubishi heavy ТОТЭ с industries, Япония плёночным ysz Планарный ceramic fuel cells, ТОТЭ с ltd., Австралия несущим электролитом chubu electric Планарный, с power company, внутренней siemen's westinghouse power co. Температура, Утилизация Характеристики топливо топлива Т = 1000°С, метан Руд.=(210—300) мВт/см2 при u = 0,6 В Т = 800°С, водород Руд.~ 150 мВт/см2 Нет данных Т = 850°С, метан Руд.~ 100 мВт/см2 65 % Т = 940°С, метан Руд. = (125—160) Нет данных мВт/см2 29 До 85 % inc. и mitsubishi heavy industries, ltd., Япония global thermoelectric, inc., Канада toto ltd., Япония конверсией природного газа Планарный ТОТЭ с пленочным ysz Трубчатый riso national laboratory, Дания, Планарный rolls-royce fuel на несущем cells systems, ltd., ysz Великобритания Планарный delphi corporation, ТОТЭ с США пленочным ysz Планарный forschungszentrum ТОТЭ с julich gmbh, пленочным Германия ysz mitsubishi Планарный materials ТОТЭ, lsgm corporation, электролит Япония electric power development Трубчатый company, ltd. и ТОТЭ с mitsubishi heavy плёночным industries, ltd., ysz Япония Трубчатый ФГУП РФЯЦ— ТОТЭ с ВНИИТФ несущим ysz Начиная со средины Т = 750°С, водород Руд.~ 440 мВт/см2 50% Т=(900-1000) Руд.=(70—75) °С мВт/см2 41 % Т=(900-950) °С, Смесь (Н2+СО) Руд.=(100-160) мВт/см2 Нет данных Т=750°С, водород Руд. ~ 350 мВт/см2 Нет данных Т=(800Руд.=(250—280) 850)°С, метан мВт/см2 59% Т=770 °С Руд.~215 мВт/см24 70 % Т=900 °С Руд.~180 мВт/см2 73,5% Т = 900°С, метан Руд. =(120-140) мВт/см2 4 90 годов прошлого века, До 85% в Институте электрофизики УрО РАН (ИЭФ г. Екатеринбург) были начаты разработки технологий и оборудования для получения уникальных слабо агрегированных 30 нанопорошков YSZ и нанопорошков материалов используемых в электродах ТОТЭ. Оптимальный электролит для топливного элемента — это пленка из нанопорошка. Толщина используемого сейчас твердого электролита 0,3 – 0,4 мм. Для обеспечения приемлемого уровня сопротивления приходится работать при температуре 900 —1050°С. Переход к пленкам до 10 микрон позволит снизить температуру до 800 градусов и повысить ресурс материалов. Можно будет использовать более дешевые материалы, поднять удельную мощность и снизить стоимость установки. В ИЭФ отработаны следующие методы получения наноразмерных порошков: Электрический взрыв Лазерное испарение Самораспространяющийся высокотемпературный синтез Преимущество получаемых ИЭФ порошков состоит в том, что они слабо агломерированные. Кстати, такие порошки умеют создавать только в России. Величина их частиц - 0,01 - 0,02 микрона. Способов изготовления пленок из нанопорошков несколько. Первый - шелкография, когда из нанопорошка делается суспензия, ее наносят на подложку электротода, а потом спекают. Второй способ: суспензию прокатывают и получают тонкую пленку, наматывают на подложку электрода, спрессовывают и спекают. И третий электрофорез. Суспензию разбавляют, прикладывают напряжение к электроду, частицы садятся на подложку, потом припекаются. Все эти проекты выполняются в ИЭФ. Хотя сами нанопорошки очень дороги, использовать их для изготовления супертонких пленок выгодно, поскольку порошка уходит немного. Получение нанопорошков методом электровзрыва: Патент РФ № 2033901, «Способ получения сферических ультрадисперсных порошков оксидов активных металлов», Ю.А. Котов, И.В. Бекетов, О.М. Саматов, БИ № 31 12, 1995; Патент РФ № 2093311, «Установка для получения ультрадисперсных порошков металлов, сплавов и химических соединений металлов методом ЭВП», Ю.А. Котов, И.В. Бекетов, В.С. Седой, О.М. Саматов, В.Г. Яковлев, БИ № 29, 1997, 238. Рис. 17. Установка для получения нанопорошков электрическим взрывом Института электрофизики УрО РАН. Рис. 18. Порошок оксида никеля, полученный электровзрывом в Институте электрофизики УрО РАН. 32 Получение нанопорошков методом лазерного испарения. Рис. 19. Лазерная установка для получения нанопорошков Института электрофизики УрО РАН Рис. 20. Нанопорошок YSZ, полученный в Институте электрофизики УрО РАН методом лазерного испарения. 33 Рис. 21. Получение нанопорошков самораспространяющимся высокотемпературным синтезом в ИЭФ. Более чем десятилетний опыт получения плоских и трубчатых изделий из нанопорошка методом магнитно-импульсного прессования, а также развитие новой для него технологии Tape Casting (Рис. 22 -23) позволили ИЭФ создать трубчатый полупрозрачный несущий твердый электролит YSZ толщиной 80150 мкм (рис. 14), трубчатый несущий катод LSM толщиной 300-500 мкм, а также ТОТЭ с несущим катодом и тонкослойным (25 мкм) твердым электролитом. 34 Рис. 22. Установка для формирования пленок электролита в Институте электрофизики УрО РАН. Рис. 23. Установка и технология магнитно-импульсного прессования созданные в Институте электрофизики УрО РАН. 35 Рис. 24. Топливные элементы с несущим электролитом YSZ. Если к топливному элементу приложить напряжение тогда через твердый электролит будут перемещаться ионы кислорода – получаем кислородный насос (рис. 25.). Рис. 25. Принцип работы кислородного насоса. Предлагаемый ИЭФ способ перекачивания кислорода из смеси газов, каким является воздух (N2+O2), кислородными насосами в генераторах 36 кислорода на основе наноструктурных твердооксидных элементов (рис. 26) является одним из наиболее экономичных. Рис. 26. Наноструктурные твердооксидные элементы – ИЭФ. В ближайшей перспективе, 5-10 лет, ожидается широкая коммерциализация этой технологии получения кислорода с занятием большого сегмента рынка производства медицинского кислорода. Несомненным достоинством предлагаемого метода получения кислорода является его высокая чистота (загрязнения менее 0,1-1,0 ррм). Достаточно высокая температура его производства (выше 600ОС) не оставляет шансов выжить ни одному виду микробов и бактерий. Отсутствие в конструкции КН вращающихся систем (насосов) делают его не только бесшумным, но и более долговечным. Предлагаемые электрохимические генераторы кислорода на НТЭ имеют достаточно широкий диапазон применений: от портативных переносных источников кислорода - мобильных генераторов для использования службами скорой помощи и МЧС до автономных или стационарных генераторов используемых в медицинских учреждениях, а также в электронной промышленности, где необходимо, например, поддерживать в подколпачных пространствах заданное парциальное давление кислорода. 37 По экспериментальным оценкам, при производительности 1-5м3О2/час и плотности тока 0,2-0,3 А/см2 удельные электрозатраты могут быть меньше 0,5 кВтч/м3О2. (Напомним, что наиболее широко используемый, основной способ получения кислорода в технике, во всем мире, - метод глубокого охлаждения, в зависимости от производительности установки (0,2-280м3/ч) имеют примерно такие же затраты 0,2-2.0 кВтч/м3О2, чем меньше установка, тем больше затраты, при этом чистота кислорода остается «техническая»). В России такой кислород допустили использовать в качестве медицинского. Потребность в чистом кислороде от этого не снижается. В Институте электрофизики УрО РАН изготовлен действующий макет кислородного насоса (рис. 27-28) Рис. 27. Сборка действующего макета кислородного насоса. 38 Рис. 28. Работающий демонстрационный макет кислородного насоса – ИЭФ. В Институте химии твердого тела УрО РАН (ИХТТ – Екатеринбург) ведутся работы в области разработки функциональных материалов для энергоустановок на ТОТЭ. Непосредственное использование в ТОТЭ наиболее широко распространенного в природе топлива - природного газа - довольно затруднительно по многим причинам. Более предпочтительно преобразование (риформинг) природного газа (метана) в так называемый синтез-газ (смесь CO и H2), который затем можно либо непосредственно использовать в высокотемпературных ТОТЭ, либо выделить из него водород для дальнейшего сжигания в низкотемпературных ТЭ. Сегодня в промышленности для риформинга используют паровую конверсию в присутствии никелевого катализатора. Этот процесс сопряжен с потерей до 30 - 40% исходного сырья, требует значительных капитальных затрат и совершенно не эффективен при реализации в средних и малых масштабах. Перспективная альтернатива, позволяющая избежать названных недостатков, — парциальное окисление метана в электрокаталитических реакторах мембранного типа. Над этим работают сотрудники ИХТТ. Основной 39 элемент такого реактора - газоплотная керамическая мембрана со смешанной кислород-ионной и электронной - проводимостью. На нее нанесен катализатор парциального окисления, что позволяет интегрировать выделение кислорода из воздуха и собственно окисление в единый самоподдерживающийся процесс. Условия протекания этого процесса весьма жесткие. Поэтому и к материалу мембраны предъявляются соответствующие требования по структурной и размерной стабильности в восстановительных условиях, высокому уровню смешанной проводимости и др. Разработки в этой области пока находятся на уровне лабораторных экспериментов. Однако в создании материалов, керамик и плотных покрытий учеными ИХТТ достигнуты очень обнадеживающие результаты В Свердлоаской области разработаны технологии и установки для получения наноматериалов всех необходимых компонентов ТОТЭ. С использованием наноматериалов и нанотехнологий разработаны высокоэффективные ТОТЭ и батареи. Разработаны энергосистемы на ТОТЭ. Сформировано керамическое производство для промышленного выпуска ТОТЭ. Впервые в России были получены удельные характеристики ТОТЭ на несущем электролите 1Вт/см2 и на несущем катоде 1,3Вт/см2. Необходимо отметить, что уровень российских технологических разработок в области устройств на базе высокотемпературных топливных элементов в настоящее время соответствует, а в чем-то даже выше, чем у зарубежных фирм. Общепризнанно, российские конструкторы провели весь комплекс фундаментальных исследований еще 15-20 лет назад. 3.2. Независимая экспертиза работ по ТОТЭ в Свердловской области Независимая экспертиза, проведенная по поручению Госкорпорации «Росатом» в 2010 году, подтвердила высокий уровень разработок Свердловских ученых в области разработок по ТОТЭ и энергоустановок на их основе. 40 Экспертиза отметила перспективность развития указанного научно-технического направления. Госкорпорация «Росатом» выразила заинтересованность в создании кластера по производству энергоустановок на основе ТОТЭ в Уральском регионе с участием предприятий Росатома. 4. Создание кластера по производству топливных элементов на основе ТОТЭ в Уральском регионе Сегодня известно, что, по крайней мере, десяток ведущих компаний США, Европы и Японии находятся в стадии подготовки промышленного производства энергоустановок на ТОТЭ различного назначения. Это предвестник того, что готовится огромный рынок нового оборудования для распределённой энергетики. В ведущих странах развитие ТОТЭ поддерживается правительствами и осуществляется крупными корпорациями. Это позволяет не только обеспечивать ускоренное развитие ТОТЭ, но и заранее подготавливать рынок к необходимости использования энергоустановок на основе ТОТЭ. Такая подготовка рынка позволила «Bloom Energy Corporation» начать продажи энергоустановки по очень высокой цене - более $7000/кВт, при себестоимости $700/кВт. Можно выделить следующие области применения энергоустановок на основе ТОТЭ: Стационарные энергетические установки мощностью 1 МВт и выше. Стационарные вспомогательные энергетические установки мощностью 100 кВт и выше. Коммунальное хозяйство: дома и микрорайоны в крупных городах, поселки сельского и городского типа (10 – 1000 кВт). Вахтовые поселки газовиков, нефтяников, геологов (100-500 кВт от 50 до 100 шт./год). Буровые установки (наземные и морские). 41 Автотранспорт (автобусы, большегрузные автомобили, самосвалы). Железнодорожный транспорт: маневровый (50-100 кВт от 10 до 100 шт./год), магистральный (1000-4000 кВт от 25 до 200 шт./год) Водный транспорт: речной и морской каботажный. Военные приложения: Переносные, в том числе ранцевые источники питания для «умного оружия» ИП питания для роботов, беспилотных самолетов, торпед; Подводные лодки Мобильный для радиолокационных станций, полевых военных городков и др. Сельское хозяйство: деревни, коттеджи, птице- и животноводческие фермы. Портативные: ранцевые и источники питания для: мобильных телефонов, компьютеров, бытовой электронной техники и др. Катодная защита, измерения и связь на магистральных газопроводах (2-5 кВт, от 100 до 200 шт./год). Сотовая связь: ретрансляторы 1-10 кВт. Химические производства с побочными водородосодержащими продуктами. Работы в области энергоустановок на ТОТЭ в Свердловской области подошли к такому уровню, когда необходим переход к созданию опытнопромышленного и промышленного производства. На Урале есть все предпосылки для формирования кластера по производству энергоустановок с электрохимическими генераторами на основе твёрдооксидных топливных элементов. Энергоустановка с электрохимическим генератором на основе ТОТЭ достаточно сложное изделие. Основные элементы установки: Система газоподготовки, электрохимический генератор на ТОТЭ, газовая турбина, 42 конвертор напряжений. Варианты возможной компоновки представлены на рис. 29-30. Рис. 16 - 17. Компоновки энергоустановки на ТОТЭ Номенклатура энергоустановок на ТОТЭ может быть огромной. В зависимости от задач мощность энергоустановки может быть от долей кВт до Мвт. Различным может быть и исходное топливо от природного газа и биогаза, до продуктов газификации твердых и жидких углеводородов. По сути, рождается новая отрасль промышленности. 43 Производство электрохимических генераторов на основе твердооксидных топливных элементов тянет за собой цепочку поставщиков комплектующих, с одной стороны, и позволяет организовать новые производства по выпуску разнообразных устройств на их основе, с другой стороны. По сути, будет происходить загрузка существующих производств и создание новых. Например, производство энергоустановок от единиц киловатт до десятков мегаватт. В кластер по производству и разработке энергоустановок на основе ТОТЭ могут войти многие предприятия Свердловской области и других регионов Большого Урала. Также, необходимо создание совершенно новых производств. 5. Реализация конкурентных преимуществ Свердловской области при формировании кластера В Свердловской области проделана огромная работа по созданию нового направления в энергетике, сформирована научно-технологическая школа мирового уровня в этом направлении. Работы подошли к такому уровню, когда необходим переход к созданию опытно-промышленного и промышленного производства энергоустановок на ТОТЭ. Стоит задача не растерять конкурентные преимущества области на новом, более важно этапе развития новой энергосберегающей технологии. Для этого необходимо ускоренное создание на базе имеющихся разработок эффективного, высокотехнологичного производства ЭУ на ТОТЭ для распределённой энергетики, устранение имеющегося отставания от зарубежных фирм и организаций в этой области, формирование платежеспособного рынка потребителей ЭУ на ТОТЭ на Урале. Необходимо использовать наличие в Свердловской области и в Уральском регионе сконцентрированного научнопроизводственного потенциала, имеющихся достижений в области твёрдооксидных топливных элементов, реализацию в Уральском регионе программ по энергосбережению и нескольких мегапректов (Урал промышленный – Урал полярный, крупные зоны опережающего развития). Свердловская область может инициировать создание кластера по производству энергоустановок на ТОТЭ, стать его ядром. 44 В рамках кластера по производству энергоустановок на основе твёрдооксидных топливных элементов предполагается создание целого ряда промышленных производств: наноструктурных материалов, твердооксидных топливных элементов, электрохимических генераторов на основе ТОТЭ, энергоустановок с электрохимическими генераторами на основе ТОТЭ различной мощности и использующих различные типы углеводородов. Кластер также должен включать научно-технологический блок. Для успешного функционирования кластера необходимо обеспечить подготовку специалистов в области разработки различных модификаций энергоустановок на ТОТЭ, их производства и эксплуатации. Учитывая, что рождается новая перспективная отрасль промышленности, возникает необходимость содействия формирования рынка со стороны властных структур Уральского региона. В России отсутствует государственная программа по развитию ТОТЭ. Нет крупных отечественных компаний, работающих над этой тематикой. В сложившейся ситуации считаем целесообразным объединить усилия Свердловской области и ГК «Росатом» по формированию кластера. Для формирования ядра кластера по производству энергоустановок на основе твёрдооксидных топливных элементов и координации усилий заинтересованных сторон предлагаем ГК «Росатом» создать совместно с Правительством Свердловской области специальное юридическое лицо, управляющую компанию - с рабочим названием УК «Новые Энергетические Системы». Цели УК «Новые Энергетические Системы»: координация усилий заинтересованных сторон и формирование успешно функционирующего кластера; 45 развитие и коммерциализация имеющихся разработок в области энергоустановок на основе твёрдооксидных топливных элементов; Задачи УК «Новые Энергетические Системы»: подготовка бизнес проектов производств, образующих кластер по производству энергоустановок на основе твёрдооксидных топливных элементов; предложение подготовленных проектов потенциальным инвесторам и потребителям (ГК «Роснано», Российская венчурная компания и региональные венчурные фонды, ВЭБ, Инвестиционный фонд РФ, Министерство обороны РФ, ОАО «Газпром», территориальные генерирующие компании и др.); получение ключевых компетенций по разработке и производству энергоустановок на основе твёрдооксидных топливных элементов. Для того чтобы получить конкурентные преимущества и стать ядром кластер по производству энергоустановок на основе твёрдооксидных топливных элементов в рамках ОАО «Новые Энергетические Системы» необходимо организовать создание интеллектуальной собственности в ключевых технологиях кластера. Для достижения этой цели в рамках ОАО «Новые Энергетические Системы» требуется создание научно-технического центра по разработке промышленных электрохимических генераторов на основе твердооксидных топливных элементов (далее НТЦ ТОТЭ). Целесообразно создавать НТЦ ТОТЭ в сотрудничестве с Уральским федеральным университетом, чтобы на базе НТЦ ТОТЭ могла вестись подготовка специалистов. Задачи НТЦ ТОТЭ. Разработка и промышленных изготовление образцов прототипов и технологий для электрохимических генераторов для энергоустановок различного применения на основе лабораторных макетов и регламентов, имеющихся в Институтах УрО РАН. 46 Обеспечение защиты интеллектуальной собственности. Лицензионная передача патентов предприятиям для промышленного производства электрохимических генераторов и энергоустановок. Авторское сопровождение. Производство небольших серий электрохимических генераторов небольшой мощности для производства малых энергоустановок. Производство кислородных насосов. 6. Выводы Для реализации имеющихся конкурентных преимуществ, получения максимального необходима эффекта программа от перехода развития на распределенную распределенной энергетику энергетики, включая производство необходимого оборудования в Свердловской области и на Урале. Производство электрохимических генераторов тянет за собой цепочку поставщиков комплектующих, с одной стороны, и позволяет организовать новые производства по выпуску разнообразных устройств на их основе, с другой стороны. По сути, будет происходить загрузка существующих производств и создание новых. Можно отметить, что на Российском рынке в настоящее время имеются реальные покупатели (фактически имеется рынок) энергоустановок на основе ТОТЭ следующих мощностей: 1,5 – 5 кВт – для газопроводов и газораспределительных станций, для ретрансляторов сотовой связи; от 100 кВт и выше – резервные источники питания для электросетевых компаний; от 1 мВт и выше – энергетика. В кооперацию по производству и обслуживанию установок будут вовлечены предприятия всех субъектов РФ, входящих в МА «Большой Урал». Реализация подобной программы позволило бы предприятиям Свердловской области, используя имеющиеся конкурентные преимущества, 47 занять достойное место на формирующемся мировом рынке оборудования для распределенной энергетики, развить высокотехнологический сектор, повысить энергоэффективность и энергосбережение экономики области. Создание полноценного кластера по производству энергоустановок на основе ТОТЭ требует координации усилий нескольких территорий Большого Урала. В первую очередь, Свердловской и Челябинской областей, Удмуртской республики. Учитывая, что необходимо формировать рынок новой продукции возникает необходимость согласования действий многих субъектов РФ, входящих в Ассоциацию «Большой Урал». В качестве координатора такого межрегионального инновационного проекта в области энергосбережения в настоящее время в инициативном порядке выступает Исполнительный комитет МА «Большой Урал». Программа по развитию распределенной энергетики, обеспечивающая реализацию в полной мере конкурентных преимуществ Свердловской должна быть межрегиональной. Исполнительный комитет МА «Большой Урал» мог бы по поручению Губернатора Свердловской области организовать работу по разработке программы: «Развитие распределенной энергетики в Уральском регионе. Создание кластера по производству энергоустановок на основе ТОТЭ». 48
