Расход тепла в удельном выражении в Швеции, Финляндии — 140 кВт„ч/м2; в Германия — 250 кВт„ч/м2; в России для кирпичного дома — 400 кВт„ч/м2, а для панельного дома — 600 кВт„ч/м2. Вследствие быстрого увеличения цен на энергоносители, затраты на них и в коммунальной сфере, и в промышленности выросли многократно, и только в себестоимости промышленной продукции составляют от 10 до 40, а иногда и более процентов. Тенденция к дальнейшему повышению энергозатрат в ближайшей перспективе сохранится, так как государственная политика в области цен на энергоресурсы заключается в том, чтобы в перспективе сравнять внутренние и мировые цены на газ, нефть и нефтепродукты, электроэнергию и уголь. Это приведет к дальнейшему повышению реальной стоимости энергоресурсов. Положение с энергоэффективностью говорит о возможных резервах экономии энергоресурсов. Правительство РФ планирует при ожидаемом увеличении объема, произведенного вылового продукта к 2010 году на 87%, обеспечить рост внутреннего потребления теплоэнергоресурсов всего на 10%. Такой огромный разрыв в темпах роста валового продукта и потребления тепплоэнергоресурсов предлагается покрыть снижением энергоемкости валового продукта к 2010 году на 70%. В результате неуклонного роста издержек на энергоснабжение и мощнейшего государственного давления на потребителей, предприятия вынуждены будут принимать объективные меры по повышению энергетической эффективности. Этот же путь предстоит пройти и населению страны для снижения оплаты коммунальных услуг. Создание энергоэффективного производства (энергосбережение в быту имеет те же подходы, но другие средства) складывается из решения следующих задач:

  • оценка состояния эффективности производства;
  • разработка программы энергосбережения;
  • создание системы энергетического менеджмента;
  • планомерное внедрение высокоэффективных мероприятий;
  • постоянный контроль эффективности проводимых мероприятий.

Для тех, кто быстрее научится экономить энергоресурсы культурно и грамотно, бремя реформ не будет слишком тяжелым. Для предприятий необходима оценка текущего энергопотребления с достоверными данными по объемам потребления всех ресурсов и суммам средств, затрачиваемым на них, по предприятию в целом, по отдельным участкам, и их удельные величины на каждый вид продукции. Программа мероприятий по энергосбережению должна содержать систему мер организационного, правового и технического характера, направленных на постоянное и планомерное снижение издержек, при улучшении производственных, экономических и экологических показателей предприятия, и условий труда его персонала. Таким образом, желание экономить укажет правильное направление деятельности в целом, а организация и проведение практической работы по повышению энергетической эффективности предприятия — задача его руководства и специалистов. Борьба за экономию может стать основательной базой, трамплином для качественного рывка в конкурентной борьбе на рынке товаров и услуг. В целом проблема реальной экономии энергоресурсов жестко связана с государственной политикой. Поддержка эффективных ресурсосберегающих технологий должна стать стержнем государственной политики, причем во всех отраслях — в коммунальной сфере и промышленности. Совершенно актуальна банальная фраза: “Не стоит изобретать велосипед”. Обширный европейский опыт в создании новых ресурсосберегающих технологий и внедрении их в практическую плоскость заслуживает самого пристального изучения. Одним из таких направлений является программа внедрения топливного элемента. Электрохимические генераторы на топливных элементах превосходят существующие энергетические установки по некоторым позициям в десятки, а иногда и в сотни раз. Прежде всего, это экологическая чистота и высокий КПД, который по электропроизводительности достигает 70%. Помимо электрической энергии производится тепло, которое может использоваться для промышленных и бытовых целей в отоплении или горячем водоснабжении, а также для получения дополнительной электроэнергии при применении генераторной турбины. Таким образом, совокупный КПД установок на топливных элементах может достигать 90%. Наряду с возобновляемыми источниками энергии — ветер, солнце, вода — электрохимические генераторы на топливных элементах открывают новый этап развития современной энергетики. На основе топливных элементов можно создавать энергоустановки различной мощности — от нескольких ватт до десятков мегаватт, и различного назначения — для получения только электроэнергии или комбинированные — электричество плюс тепло. Размеры топливного элемента могут быть сколь угодно большими, однако на практике несколько элементов объединяются в небольшие модули, которые соединяются либо последовательно, либо параллельно. Топливный элемент “всеяден”. В качестве топлива можно использовать любой водородосодержащий энергоноситель — природный, сжиженный, синтетический газ, биогаз, метанол, дизельное топливо, продукты газификации угля. Основной сложностью при использовании топливных элементов является то, что требуется предварительная обработка подаваемого топлива для дальнейшего выделения из него чистого водорода. Возникновение понятия “топливный элемент” датируется 1839 годом, когда Вильям Роберт Грове (английский физик, 1811–1896) экспериментировал с горячей платиновой проволокой в качестве катализатора для расщепления водяного пара на две его составляющие — водород и кислород (электролиз). При этом он открыл, что данная реакция обратима, как “холодное горение”. Суть эксперимента сводилась к тому, что два электрода размещались в специальной камере, в которую под давлением подавался чистый водород и кислород. В силу небольших объемов газа, а также благодаря химическим свойствам электродов, в камере происходил не взрыв, а медленная реакция с выделением тепла, воды и электрического тока. Топливный элемент — устройство, обеспечивающее прямое преобразование химической энергии в электрическую, минуя малоэффективные, протекающие с большими потерями, процессы горения. От традиционной схемы выработки электроэнергии он отличается тем, что в обычных ТЭС химическая энергия топлива путем сжигания преобразовывается в тепловую, затем тепловая энергия преобразуется в механическую и используется для вращения генератора, который в свою очередь производит электрическую энергию. Топливный отопительный элемент напрямую преобразует химическую энергию топлива в электрическую, минуя этапы теплового и механического преобразования. За счет этого снижаются потери, а производительность получения электрической энергии увеличивается. Простейший бытовой аналог топливного элемента — аккумулятор. Но топливные элементы имеют два принципиальных отличия: 1) они функционируют до тех пор, пока топливо и окислитель поступают из внешнего источника; 2) химический состав электролита в процессе работы не изменяется, т.е. топливный элемент не нуждается в перезарядке. Основные “побочные” продукты топливного элемента, кроме постоянного электрического тока — тепло и вода. Никакой другой химический источник тока так не работает. В топливных элементах происходит преобразование энергии окислительно-восстановительной реакции в электрическую, причем процессы окисления и восстановления пространственно разделены электролитом. Электроды и электролит в реакции не участвуют, но в реальных конструкциях со временем загрязняются примесями топлива. Электрохимическое горение может идти при невысоких температурах и практически без потерь. Топливный элемент состоит из двух электродов, разделенных электролитом, и систем подвода топлива на один электрод и окислителя на другой, а также системы для удаления продуктов реакции. В большинстве случаев для ускорения химической реакции используются катализаторы. Внешней электрической цепью топливный элемент соединен с нагрузкой, которая потребляет электроэнергию. В изображенном на рисунке 1 топливном элементе с кислым электролитом водород подается через полый анод и поступает в электролит через очень мелкие поры в материале электрода. При этом происходит разложение молекул водорода на атомы, которые в результате хемосорбции, отдавая каждый по одному электрону, превращаются в положительно заряженные ионы. Используемое в ТЭС топливо (уголь, газ и нефть) состоит в основном из углерода. При сжигании атомы топлива теряют электроны, а атомы кислорода воздуха приобретают их. Так в процессе окисления атомы углерода и кислорода соединяются в продукты горения — молекулы углекислого газа. Этот процесс идет энергично: атомы и молекулы веществ, участвующих в горении, приобретают большие скорости, а это приводит к повышению их температуры. Они начинают испускать свет — появляется пламя. В процессе горения химическая энергия переходит в тепловую энергию благодаря обмену электронами между атомами топлива и окислителя. Этот обмен происходит хаотически. Горение — обмен электронов между атомами, а электрический ток — направленное движение электронов. Если в процессе химической реакции заставить электроны совершать работу, то температура процесса горения будет понижаться. В топливном элементе электроны отбираются у реагирующих веществ на одном электроде, отдают свою энергию в виде электрического тока и присоединяются к реагирующим веществам на другом. ТОЭ осуществляет преобразование водного электролиза, в то время как вода при подводе постоянного электрического тока разлагается на водород и кислород. Основными составными частями отдельного топливного элемента является электролит, выполняющий функции транспорта ионов, а также катод и анод. Электролит должен быть газонепроницаемым, для того чтобы исключить прямого контакта с водородом и кислородом. Электроды должны иметь высокую пористость, для того чтобы предоставить в распоряжение наибольшую площадь поверхности для электрохимической реакции обмена. Это является решающим фактором при получении электрического тока, так как реакция обмена между реактивом, электролитом и электродами (три фазы обмена) происходит на пограничной области. На аноде происходит окисление подводимого водорода до образования ионов водорода (Н+ — ионов). Освободившиеся электроны при помощи внешнего подводящего контура подводятся к катоду, где кислород сокращается до ионов кислорода (О2 — ионы). Для того чтобы замкнуть силовой электрический контур, необходимо подвести либо ионы водорода Н+ от анода к катоду, либо ионы кислорода О2 от катода к аноду. Данный способ подвода ионов зависит от электролита, который определяет возникает ли продукт реакции вода на стороне анода или катода. При выборе электролита решающую роль играет рабочая температура. Посредством интеграции потребителя в подводящий контур электроны могут исполнять работу от анода к катоду. В качестве продукта реакции наряду с водой возникает тепло. Так как при этом процессе не происходит прямого сжигания, а наоборот окисление и восстановление протекают раздельно, то данный процесс можно назвать “холодным сжиганием”. Максимальное электрическое напряжение отдельного элемента при открытом силовом электрическом контуре в зависимости от состава газа составляет 0,9–1,1 Вольт. Во время работы отдельной топливной ячейки, то есть при протекании тока, данная величина снижается до приблизительно до 0,7 Вольт. Для технического использования и практического применения много таких отдельных ячеек должны быть собраны в единый блок — стопку. Совместное включение происходит преимущественно в сендвич-порядке, то есть отдельные ячейки будут складываться друг на друга в стопку. Между отдельными ячейками вводятся так называемые биполярные пластины, которые будут осуществлять как подвод реактивов (воздух и водород) к электродам, так и подвод тока на ось штабеля. Для эффективной и безопасной работы установки на топливном элементе наряду со стопками ячеек должны использоваться различные периферийные компоненты. При этом главное значение имеет прежде всего подготовка газа, что включает преобразование и очистку газа. Так как водород в чистом виде в достаточном количестве и бесплатно не встречается, то на первом этапе из имеющего сырья необходимо получить газ достаточно сильно насыщенный водородом. Благодаря доступности и развитой инфраструктуры наиболее оптимальным в данном случае энергоносителем выступает природный газ. В качестве альтернативы можно использовать также угольный газ, газ, выделяющий при очистке сточных вод, биохимический газ и метиловый спирт. Так как в природный газ из соображений безопасности (для придания запаха) добавляют соединения серы, которая инактивирует преобразователь или может привести к коррозии топливного элемента, то сначала происходит удаление всех серосодержащих компонентов. Собственно в преобразователе используемый природный газ, который в основном состоит из метана, катализируется с водяным паром в водород. Данный процесс уже давно используется в промышленности для получения водорода. Стандартными являются установки с производительностью 100000 м3/ч H2. Реакция протекает при температуре 700–900°C с использованием никелевых катализаторов. При этом процессе, который также обозначается каталитическим паропреобразованием, образуется водород, оксид и диоксид углерода. Выработка водорода приводит к тому, что образовавшийся оксид углерода и избыточный водяной пар превращаются в диоксид углерода и водород (“Конвертация” или “Реакция смещения”). Преобразование: СН4+Н2О=СО+3Н2 DН1000 К=226 кДж/моль Конвертация: СО+Н2О=СО2+Н2 DН1000 К=–35 кДж/моль Общая реакция: СН4+2Н2О=СО2+4Н2 DН1000 К=191 кДж/моль Так как реакция преобразования протекает при очень большом поглощении теплоты, то к преобразователю необходимо подвести тепло, чтобы обеспечить по возможности полное реагирование. При изменении нагрузки или соответственно при запуске агрегата подвод тепла может быть решающим фактором для динамичной работы электрохимического генератора в целом. Для оптимизации процесса изменения нагрузки здесь может быть применено альтернативное преобразование — “параллельное окисление”. Для этого к преобразователю подводится природный газ, воздух и вода. Часть природного газа при каталитической реакции в преобразователе сжигается и получается вода и углекислый газ. Образовавшееся при этом тепло направляется прямо для эндотермической реакции остаточного природного газа. Окисление: СН4+2О2=СО2+2Н2О DН1000 К=–801 кДж/моль Посредством дозирования определенного количества воздуха реакция управляется так, что получаемое при сжигании тепло точно соответствует теплу, требуемому при реакции преобразования (“автотермическое преобразование”). В зависимости от типа электрохимического генератора может стать необходимым, что газовая смесь образовавшаяся посредством реакции преобразования далее освобождалась от СО. Данная очистка газа состоит обычно из дополнительной фазы конвертации и затем окисления СО до СО2. Самый чистый водород получается при применении мембраны, пропускающей только водород. При этом необходимо высокое давление на мембрану. Полученный в преобразователе обогащенный водородом газ потом реагирует в “штабеле” вместе с воздухом или соответственно с кислородом. Происходит не 100% реагирование водорода. Избыточный водород или каталитически сжигается, или снова подводится к аноду. При электрохимической реакции получается постоянный ток, тепло и вода. При помощи трансформатора постоянный ток преобразуется в переменный сетевой. Получаемое тепло должно отводиться при помощи охлаждающей системы, для того, чтобы поддерживать рабочую температуру в “штабеле”. Для охлаждения используются специальные радиаторы введенные в “штабель”, в которых в качестве хладагента применяется вода или воздух. При высокой рабочей температуре охлаждение производится непосредственно прямым подводом избыточного воздуха в катодное пространство. Отводимое тепло может частично использоваться для подогрева преобразователя. Избыточное тепло используется в бытовых целях для снабжения теплом потребителей. В технике топливных элементов существую несколько типов электрохимических генераторов. Критериями различия является электролит и зависимая от этого рабочая температура штабелей элементов. Различные типы электрохимических генераторов находятся на различных стадиях разработки (см. табл.). Несмотря на кажущуюся простоту, это весьма капризное и дорогое устройство, грозящее попросту взорваться при малейших небрежностях в конструкции. А потому использовать его в практических целях впервые начали лишь в 60-х годах XX века: уже на первых космических кораблях для длительных полетов в качестве главной энергоустановки устанавливались именно топливные элементы. К 80-м годам XX века было разработано множество конструкций топливных элементов, отличавшихся в лучшую сторону прежде всего безопасностью: ученые нашли способ изменить конструкцию ТЭ (применением других материалов для электродов, применением электролита, а также добавлением катализаторов, стимулирующих протекание главной реакции) так, чтобы использовать вместо чистого водорода содержащие его вещества — углеводороды (природный газ, спирты). Родились щелочные (Аlkaline Fuel Cell, AFC), твердотельные (Solid Oxid Fuel Cell, SOFC), полимерные (PEFC), фосфоро-кислотные (PEFC) и даже алкогольные (Direct Alcohol Fuel Cell, DAFC) топливные элементы. Рабочая температура для разных ТЭ варьируется от 50 до 1000°С, а КПД некоторых из них может достигать 80% — если вместе с электричеством использовать и выделяемое тепло. Каждый по отдельности электрохимический генератор будет рассмотрен в следующем номере журнала.