Альтернативная энергетика

Альтернативная энергетика

Альтернативная энергетика

Чтобы понять роль и место этих новых источников энергии в будущем, полезно обратить взгляд в недавнее прошлое. В 60-е годы основой энергетики многих стран, в том числе экономически наиболее развитых, являлась нефть (в значительной мере - достаточно дешевая ближневосточная). В то время исследования в области использования НВИЭ многим казались чем-то экзотическим, эдакой причудой высоколобых интеллектуалов. Все переменилось в 1973 г. во время ближневосточного нефтяного кризиса. Вдруг стало ясно, что ориентация на импортную нефть представляет угрозу энергетической безопасности многих государств. Большинству экономически развитых стран пришлось срочно разрабатывать новую энергетическую стратегию, направленную на диверсификацию источников энергии, всемерное энергосбережение, а также среди прочих мер - на основательное изучение возможностей применения НВИЭ.

То, что ситуация на мировом нефтяном рынке вскоре стабилизировалась, не остановило указанные страны в реализации новой энергетической стратегии, и на этом пути были достигнуты впечатляющие результаты. Энергосберегающие меры были предприняты практически во всех сферах жизнедеятельности. Однако главным средством энергосбережения стала структурная перестройка экономики, направленная на уменьшение доли энергоемких производств (которые, как правило, являются к тому же экологически неблагополучными) и увеличение доли наукоемких. Достаточно сказать, что, например, в 1970 г. энергоемкость единицы валового национального продукта в США была несколько выше, чем в бывшем СССР, а в настоящее время в России этот показатель в два с лишним раза выше, чем в Штатах. Россия в большом количестве экспортирует алюминий, являющийся высокоэнергоемким продуктом, а импортирует, например, компьютеры, то есть наукоемкую и малоэнергоемкую продукцию.

Одним из положений новой энергетической стратегии стало всемерное развитие нетрадиционных направлений. Во многих странах оно превратилось в предмет государственной технической политики. Появились солидно финансируемые государственные программы в данной области. В ряде стран были приняты нормативно-законодательные акты в сфере использования НВИЭ, которые составили правовую, экономическую и организационную основу этого направления технического развития. Правовая база состоит в установлении права производителей электроэнергии на нетрадиционных источниках на подключение к сетям энергоснабжающих компаний, которые обязаны принимать эту энергию. Экономическая основа сводится к мерам по стимулированию применения НВИЭ, необходимому на этапе продвижения, становления и адаптации на энергетическом рынке. В различных странах применяются разные способы (и их сочетания) экономической поддержки: налоговые и кредитные льготы, благоприятные тарифы, дотации и т.п. Наконец, организационная основа решения проблемы состоит в определении государственного (федерального) органа (ведомства), ответственного в целом за данное направление. В функции такого органа входят разработка государственных программ развития НВИЭ, в том числе программы научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР), создание демонстрационных объектов, проведение маркетинга на внутреннем и внешнем рынках, пропаганда и популяризация и т.п. Особо следует сказать о развитии НИОКР. Вообще говоря, технический прогресс в любой сфере деятельности немыслим без опережающего развития научной базы. Тем более это справедливо для таких новых областей, как использование НВИЭ. Ежегодные расходы на НИОКР в сфере нетрадиционной энергетики составляют в мире не менее 1 млрд. долларов.

Созданная во многих странах нормативно-законодательная база по использованию НВИЭ является мощным инструментом государственной технической политики в этой области. Особенно развито это законодательство в США, где в последние 25 лет принято более дюжины законов в указанной сфере.

Плюсы и минусы

Каковы же эти нетрадиционные и возобновляемые источники энергии? К ним обычно относят солнечную, ветровую и геотермальную энергию, энергию морских приливов и волн, биомассы (растения, различные виды органических отходов), низкопотенциальную энергию окружающей среды. К НВИЭ также принято относить малые ГЭС (мощностью до 30 МВт при мощности единичного агрегата не более 10 МВт), которые отличаются от традиционных - более крупных - ГЭС только масштабом.

Поле зеркал-гелиостатов Крымской солнечной электростанции

Указанные источники энергии имеют как положительные, так и отрицательные свойства. К положительным относятся повсеместная распространенность большинства их видов, экологическая чистота. Эксплуатационные затраты по использованию нетрадиционных источников не содержат топливной составляющей, так как энергия этих источников как бы бесплатная.

Отрицательные качества - это малая плотность потока (удельная мощность) и изменчивость во времени большинства НВИЭ. Первое обстоятельство заставляет создавать большие площади энергоустановок, перехватывающие поток используемой энергии (приемные поверхности солнечных установок, площадь ветроколеса, протяженные плотины приливных электростанций и т.п.). Это приводит к большой материалоемкости подобных устройств, а, следовательно, к увеличению удельных капиталовложений по сравнению с традиционными энергоустановками. Правда, повышенные капиталовложения впоследствии окупаются за счет низких эксплуатационных затрат, но на начальной стадии они чувствительно бьют по карману тех, кто хочет использовать НВИЭ.

Больше неприятностей доставляет изменчивость во времени таких источников энергии, как солнечное излучение, ветер, приливы, сток малых рек, тепло окружающей среды. Если, например, изменение энергии приливов строго циклично, то процесс поступления солнечной энергии, хотя в целом и закономерен, содержит, тем не менее, значительный элемент случайности, связанный с погодными условиями. Еще более изменчива и непредсказуема энергия ветра. Зато геотермальные установки при неизменном дебите геотермального флюида в скважинах гарантируют постоянную выработку энергии (электрической или тепловой). Кроме того, стабильное производство энергии могут обеспечить установки, использующие биомассу, если они снабжаются требуемым количеством этого энергетического сырья.

Говоря о производстве электроэнергии, следует заметить, что она представляет собой весьма специфический вид продукции, который должен быть потреблен в тот же момент, что и произведен. Ее нельзя отправить на склад, как уголь, нефть или любой другой продукт или товар, поскольку фундаментальная научно-техническая проблема аккумулирования электроэнергии в больших количествах пока не решена, и нет оснований полагать, что она будет решена в обозримом будущем.

Для малых автономных ветровых и солнечных энергоустановок возможно и целесообразно применение электрохимических аккумуляторов, но при производстве электроэнергии за счет этих нерегулируемых источников в промышленных масштабах возникают трудности, связанные с невозможностью постоянного сопряжения производства электроэнергии с ее потреблением (с графиком нагрузки). Достаточно мощная энергосистема, включающая также ветроэлектрические установки (ВЭУ) или ветроэлектростанции (ВЭС) и солнечные электростанции (СЭС), может компенсировать изменения мощности этих станций. Однако при этом, во избежание изменений параметров энергосистемы (прежде всего частоты), доля нерегулируемых электростанций не должна превышать, по предварительной оценке, 10-15% (по мощности).

Что же касается бесплатности большинства видов НВИЭ, то этот фактор нивелируется значительными расходами на приобретение соответствующего оборудования. В результате возникает некоторый парадокс, состоящий в том, что бесплатную энергию способны использовать, главным образом, богатые страны. В то же время наиболее заинтересованы в эксплуатации НВИЭ развивающиеся государства, не имеющие современной энергетической инфраструктуры, то есть развитой сети централизованного энергоснабжения. Для них создание автономного энергообеспечения путем применения нетрадиционных источников могло бы стать решением проблемы, но в силу своей бедности они не имеют средств на закупку в достаточном количестве соответствующего оборудования. Богатые же страны энергетического голода не испытывают и проявляют интерес к альтернативной энергетике в основном по соображениям экологии, энергосбережения и диверсификации источников энергии.

Мы намеренно столь подробно останавливаемся на технических и экономических трудностях при использовании НВИЭ, чтобы показать, насколько сложно организовать их крупномасштабное применение. Эта проблема требует системного подхода, который и проявляется во многих странах, и в значительной мере - через уже упомянутую законодательную базу.

Пожинатели ветра

В целом использование НВИЭ в мире приобрело ощутимые масштабы и устойчивую тенденцию к росту. В некоторых странах доля нетрадиционных источников в энергобалансе составляет единицы процентов. По различным прогнозным оценкам, в которых в настоящее время нет недостатка, эта доля к 2010-2015 гг. во многих государствах достигнет или превзойдет 10%. Здесь можно дискутировать только о темпах роста данного показателя, но сам факт роста не подвергается сомнению.

Различные виды НВИЭ находятся на разных стадиях освоения. Как это ни парадоксально, наибольшее применение получил самый изменчивый и непостоянный вид энергии - ветер. Суммарная мировая установленная мощность крупных ВЭУ и ВЭС, по разным оценкам, составляет от 10 до 20 ГВт. Кажущийся парадокс объясняется тем, что удельные капиталовложения в ВЭУ ниже, чем при использовании большинства других видов НВИЭ. Растет не только суммарная мощность ветряных установок, но и их единичная мощность, превысившая 1 МВт.

Во многих странах возникла новая отрасль - ветроэнергетическое машиностроение. По-видимому, и в ближайшей перспективе ветроэнергетика сохранит свои передовые позиции. Мировыми лидерами по применению энергии ветра являются США, Германия, Нидерланды, Дания, Индия.

Второе место по объему применения занимает геотермальная энергетика. Суммарная мировая мощность ГеоТЭС составляет не менее 6 ГВт. Они вполне конкурентоспособны по сравнению с традиционными топливными электростанциями. Однако ГеоТЭС географически привязаны к месторождениям парогидротерм или к термоаномалиям, которые распространены отнюдь не повсеместно, что ограничивает область применения геотермальных установок. Наряду с ГеоТЭС, широкое распространение получили системы геотермального теплоснабжения.

Далее следует солнечная энергия. Она используется в основном для производства низкопотенциального тепла для коммунально-бытового горячего водоснабжения и теплоснабжения. Преобладающим видом оборудования здесь являются так называемые плоские солнечные коллекторы. Их общемировое производство составляет, по нашим оценкам, не менее 2 млн. м² в год, а выработка низкопотенциального тепла за счет солнечной энергии достигает 5 106 Гкал.

Все активнее идет преобразование солнечной энергии в электроэнергию. Здесь используются два метода - термодинамический и фотоэлектрический, причем последний лидирует с большим отрывом. Так, суммарная мировая мощность автономных фотоэлектрических установок достигла 500 МВт. Здесь следует упомянуть проект "Тысяча крыш", реализованный в Германии, где 2250 домов были оборудованы фотоэлектрическими установками. При этом роль резервного источника играет электросеть, из которой возмещается нехватка энергии. В случае же избытка энергии она, в свою очередь, передается в сеть. Любопытно, что при реализации этого проекта до 70% стоимости установок оплачивалось из федерального и земельного бюджетов. В США принята еще более масштабная программа "Миллион солнечных крыш", рассчитанная до 2010 г. Расходы федерального бюджета на ее реализацию составят 6,3 млрд. долларов. Однако пока основное количество автономных фотоэлектрических установок поступает за счет международной финансовой поддержки в развивающиеся страны, где они наиболее необходимы.

Значительное развитие получило направление, связанное с использованием низкопотенциального тепла окружающей среды (воды, грунта, воздуха) с помощью теплонасосных установок (ТНУ). В ТНУ при расходе единицы электрической энергии производится 3-4 эквивалентные единицы тепловой энергии, следовательно, их применение в несколько раз выгоднее, чем прямой электрический нагрев. Они успешно конкурируют и с топливными установками.

Не менее интенсивно развивается использование энергии биомассы. Последняя может конвертироваться в технически удобные виды топлива или использоваться для получения энергии путем термохимической (сжигание, пиролиз, газификация) и (или) биологической конверсии. При этом используются древесные и другие растительные, а также органические отходы, в том числе городской мусор, отходы животноводства и птицеводства. При биологической конверсии конечными продуктами являются биогаз и высококачественные экологически чистые удобрения. Это направление имеет значение не только с точки зрения производства энергии. Пожалуй, еще большую ценность оно представляет с позиций экологии, так как решает проблему утилизации вредных отходов.

В последние годы наблюдается возрождение интереса к созданию и использованию малых ГЭС. Они получают во многих странах все большее распространение на новой, более высокой технической основе, связанной, в частности, с полной автоматизацией их работы при дистанционном управлении.

Гораздо меньше развито практическое применение приливной энергии. В мире существует только одна крупная приливная электростанция (ПЭС) мощностью 240 МВт (Ранс, Франция). Еще менее развито использование энергии морских волн. Этот способ использования НВИЭ находится на стадии начального экспериментирования.

Таково в настоящее время положение с использованием НВИЭ в мире. В России же практическое их применение значительно отстает от масштабов, достигнутых в других странах. И это несмотря на такие благоприятные предпосылки, как практически неограниченные ресурсы НВИЭ, достаточно высокий научно-технический и промышленный потенциал в данной области.

Россия воспрянет ото сна

В 60-70-е годы в СССР проводились НИОКР и предпринимались практические шаги по использованию НВИЭ. Еще в 1967 г. на Камчатке была создана первая в стране Паужетская ГеоТЭС мощностью 5 МВт, доведенная впоследствии до мощности 11 МВт. В 1968 г. появилась экспериментальная Кислогубская ПЭС мощностью 0,4 МВт, на строительстве которой был впервые использован отечественный прогрессивный метод наплавного строительства плотины. В восьмидесятые годы в Крыму были построены первая экспериментальная солнечная электростанция (СЭС-5) мощностью 5 МВт с термодинамическим циклом преобразования энергии, а также экспериментальный комплекс сооружений с солнечным тепло- и хладоснабжением. В 60-70-е годы появились также фотоэлектрические установки автономного электроснабжения. К концу 80-х годов в бывшем СССР в эксплуатации находились солнечные установки горячего водоснабжения с общей площадью около 150 тыс. м2, а производство солнечных коллекторов доходило до 80 тыс. м2 в год.

Распад СССР, переход России на рыночные основы хозяйственной жизни и существенные экономические осложнения, возникшие в 90-е годы, не могли не сказаться и в сфере использования НВИЭ. Однако ситуация здесь хотя и оставляет желать лучшего, но отнюдь не безнадежна. Удалось сохранить, хотя и на минимальном уровне, имевшийся научно-технический потенциал, не потерять, а в некоторых случаях даже увеличить промышленные мощности по производству оборудования. Так, Калужский турбинный завод освоил выпуск блок-модульных ГеоТЭС мощностью 4 и 20 МВт. Три таких блока по 4 МВт смонтированы на Верхне-Мутновской ГеоТЭС на Камчатке. Следующая на очереди - Мутновская ГеоТЭС мощностью 40-50 МВт - будет создана в ближайшие годы. Заметим, что месторождения парогидротерм имеются в России только на Камчатке и Курилах, поэтому геотермальная энергетика не может играть значительную роль в масштабах страны в целом, но для указанных районов, которые периодически оказываются на грани выживания в ожидании очередного танкера с топливом, геотермальная энергетика способна радикально решить проблему энергообеспечения.

В свое время в бывшем СССР широкое распространение получили малые ГЭС, которые затем были законсервированы или списаны. Сейчас есть предпосылки возврата к малым ГЭС на новой основе, за счет производства современных гидроагрегатов мощностью от 10 до 5860 кВт.

В области ветроэнергетики созданы образцы отечественных ВЭУ мощностью 250 и 1000 кВт, находящиеся в опытной эксплуатации. Налаживается сотрудничество с зарубежными организациями и фирмами, имеющими большой опыт в этой области.

В России выпускаются солнечные тепловые коллекторы, фотоэлектрические преобразователи и модули на их основе, а также довольно обширная номенклатура теплонасосного оборудования и установок по использованию энергии биомассы. Однако в целом объем производства оборудования для использования НВИЭ невелик, и его рост сдерживается отсутствием платежеспособного спроса. Даже заведомо выгодные проекты в области НВИЭ сталкиваются со значительными трудностями на стадии инвестирования.

Что касается перспектив приливной энергетики в России, то следует отметить, что в силу природных условий проектируемые ПЭС должны обладать весьма большой мощностью (Мезенская ПЭС на Белом море - 19200 МВт, Тугурская ПЭС на Охотском море - 7800 МВт). Эти колоссальные величины, большое число (по несколько сотен) гидроагрегатов на каждой станции, весьма длительные сроки строительства, огромные капиталовложения (как непосредственно в ПЭС, так и в мероприятия, необходимые для адаптации их в рамках энергосистемы) делают создание этих ПЭС предметом более отдаленного будущего.

Положительным фактором является начавшееся в России создание законодательной базы использования НВИЭ. Так, Законом "Об энергосбережении" (1996 г.) установлена правовая основа применения электрогенерирующих установок на НВИЭ, состоящая в праве независимых производителей этой электроэнергии на подсоединение к сетям энергоснабжающих организаций. Государственной Думой и Советом Федерации принят Закон "О государственной политике в сфере использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии". Этот правовой акт устанавливает минимально допустимые в современных условиях экономические и организационные основы развития. Ведется разработка федеральной программы по использованию НВИЭ.

В целом, очевидно, что в России тормозом развития нетрадиционной энергетики, как, впрочем, и многих других направлений, является хронически неудовлетворительное состояние экономики. Особенную тревогу вызывает сокращение объемов НИОКР в сфере НВИЭ из-за резкого снижения их финансирования. Если и раньше, в бывшем СССР, эти расходы были на порядок меньше, чем во многих развитых странах, то теперь они сократились, по крайней мере, еще на порядок. Недостаточный объем НИОКР не способен обеспечить не только развитие, но и поддержание имеющегося научно-технического уровня в данной сфере.

Тем не менее, не хочется заканчивать данную статью на минорной ноте. В России на сегодня есть все предпосылки развития НВИЭ. С выходом из кризисного экономического состояния, которое не может быть вечным, станет возможным развитие многочисленных областей промышленной, научно-технической и иной деятельности, в том числе и альтернативной энергетики. В мире рост применения этих источников энергии необратим. Россия в этом отношении исключением не является.

В заключение обратимся к известной истине, которая гласит, что все новое - это хорошо забытое старое. Вспомним, что каких-нибудь 200-300 лет назад человечество использовало исключительно возобновляемые источники энергии: растительное топливо, энергию ветра (ветряные мельницы, парус), водных потоков (водяные колеса) да мускульную силу животных. Вспомним также, насколько благополучной была в то время экологическая обстановка. Теперь мы в определенном смысле возвращаемся к истокам, но на новом витке, вооруженные принципиально новой и во много раз более мощной и эффективной техникой. Попробовал бы теперь благородный Дон Кихот сражаться с современной ветроустановкой мощностью 1000 кВт...

Топливные элементы. Топливные элементы как часть аккумулирующих систем

Топливные элементы осуществляют прямое превращение энергии топлива (напр. водород + кислород) в электричество, минуя малоэффективные, идущие с большими потерями, процессы горения. Это электрохимическое устройство в результате высокоэффективного "холодного" горения топлива непосредственно вырабатывает электроэнергию с КПД до 70 % [17].

Биохимики установили, что биологический водородно-кислородный топливный элемент "вмонтирован" в каждую живую клетку [13]. Источником водорода в организме служит пища - жиры, белки и углеводы. В желудке, кишечнике, в клетках она раскладывается до мономеров, которые, в свою очередь, после ряда химических превращений дают водород, присоединенный к молекуле-носителю. Кислород из воздуха попадает в кровь через легкие, соединяется с гемоглобином и разносится по всем тканям. Процесс соединения водорода с кислородом составляет основу биоэнергетики организма. То есть, в мягких условиях (комнатная температура, нормальное давление, водная среда), химическая энергия с высоким КПД преобразуется в тепловую, механическую (движение мышц), электричество (электрический скат), свет (насекомые излучающие свет). Человек в который раз повторил созданное природой устройство получения энергии. В то же время этот факт говорит о перспективности направления. Все процессы в природе очень рациональны, поэтому шаги по реальному использованию ТЭ вселяют надежду на энергетическое будущее.

Открытие в 1838 году водородно-кислородного топливного элемента принадлежит английскому ученому У. Грову. Исследуя разложение воды на водород и кислород, он обнаружил побочный эффект - электролизер вырабатывал электрический ток. Ископаемое 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. Химическая реакция сжигания углерода имеет вид: C + O2 = CO2 + тепло. 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 ТЭ электроны отбираются у реагирующих веществ на одном электроде, отдают свою энергию в виде электрического тока и присоединяются к реагирующим веществам на другом. Основа любого ХИТ - два электрода, соединенные электролитом. ТЭ состоит из анода, катода и электролита. На аноде окисляется, т.е. отдает электроны, восстановитель (топливо CO или H2), свободные электроны с анода поступают во внешнюю цепь, а положительные ионы удерживаются на границе анод-электролит (CO+, H+). С другого конца цепи электроны подходят к катоду, на котором идет реакция восстановления (присоединение электронов окислителем O2-). Затем ионы переносятся электролитом к катоду. В ТЭ вместе сведены вместе три фазы физико-химической системы: газ (топливо, окислитель); электролит (проводник ионов); металлический электрод (проводник электронов). В ТЭ 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. В ТЭ поступает смесь газов (CO и H2), т.е. в нем можно сжигать газообразное топливо. Таким образом, ТЭ оказывается "всеядным". Усложняет использование ТЭ то, что для них топливо необходимо "готовить". Для некоторых ТЭ водород получают путем конверсии органического топлива или газификации угля. Поэтому структурная схема электростанции на ТЭ, кроме батарей ТЭ, преобразователя постоянного тока в переменный и вспомогательного оборудования включает блок получения водорода (для солнечной энергетики - это гидролизер).

Два направления развития ТЭ

Существуют две сферы применения ТЭ: автономная и большая энергетика.

Для автономного использования основными являются удельные характеристики и удобство эксплуатации. Стоимость вырабатываемой энергии не является основным показателем.

Для большой энергетики решающим фактором является экономичность. Кроме того, установки должны быть долговечными, не содержать дорогих материалов и использовать природное топливо при минимальных затратах на подготовку.

Наибольшие выгоды сулит использование ТЭ в автомобиле. Здесь, как нигде, скажется компактность ТЭ. При непосредственном получении электроэнергии из топлива экономия последнего составит порядка 50%.

Впервые идея использования ТЭ в большой энергетике была сформулирована немецким ученым В. Освальдом в 1894 году. Позднее получила развитие идея создания эффективных источников автономной энергии на основе топливного элемента. После этого предпринимались неоднократные попытки использовать уголь в качестве активного вещества в ТЭ. В 30-е годы немецкий исследователь Э. Бауэр создал лабораторный прототип ТЭ с твердым электролитом для прямого анодного окисления угля. В это же время исследовались кислородно-водородные ТЭ. В 1958 году в Англии Ф. Бэкон создал первую кислородно-водородную установку мощностью 5 кВт. Но она была громоздкой из-за использования высокого давления газов (2...4 МПа). С 1955 года в США К. Кордеш разрабатывал низкотемпературные кислородно-водородные ТЭ. В них использовались угольные электроды с платиновыми катализаторами. В Германии Э. Юст работал над созданием не платиновых катализаторов. После 1960 года были созданы демонстрационные и рекламные образцы.

Первое практическое применение ТЭ нашли на космических кораблях "Аполлон". Они были основными энергоустановками для питания бортовой аппаратуры и обеспечивали космонавтов водой и теплом. Основными областями использования автономных установок с ТЭ были военные и военно-морские применения. В конце 60-х годов объем исследований по ТЭ сократился, а после 80-х вновь возрос применительно к большой энергетике. Фирмой VARTA разработаны ТЭ с использованием двусторонних газодиффузионных электродов. Электроды такого типа называют "Янус". Фирма Siemens разработала электроды с удельной мощностью до 90 Вт/кг. В США работы по кислородно-водородным элементам проводит United Technology Corp. В большой энергетике очень перспективно применение ТЭ для крупномасштабного накопления энергии, например, получение водорода. Возобновляемые источники энергии (солнце и ветер) отличаются рассредоточеностью. Их серьезное использование, без которого в будущем не обойтись, немыслимо без емких аккумуляторов, запасающих энергию в той или иной форме. Проблема накопления актуальна уже сегодня: суточные и недельные колебания нагрузки энергосистем заметно снижают их эффективность и требуют так называемых маневренных мощностей. Один из вариантов электрохимического накопителя энергии -- топливный элемент в сочетании с электролизерами и газгольдерами ( газгольдер [газ + англ. holder держатель] -- хранилище для больших количеств газа).

Первое поколение ТЭ

Наибольшего технологического совершенства достигли среднетемпературные ТЭ первого поколения, работающие при температуре 200...230°С на жидком топливе, природном газе либо на техническом водороде (технический водород - продукт конверсии органического топлива, содержащий незначительные примеси окиси углерода). Электролитом в них служит фосфорная кислота, которая заполняет пористую углеродную матрицу. Электроды выполнены из углерода, а катализатором является платина( платина используется в количествах порядка нескольких граммов на киловатт мощности). Одна из таких электростанций введена в строй в штате Калифорния 1991 году. Она состоит из восемнадцати батарей массой по 18 т каждая и размещается в корпусе диаметром чуть более 2 м и высотой около 5 м. Продумана процедура замены батареи с помощью рамной конструкции, движущейся по рельсам. Две электростанции на ТЭ США поставили в Японию. Первая из них была пущена еще в начале 1983 года. Эксплуатационные показатели станции соответствовали расчетным. Она работала с нагрузкой от 25 до 80% от номинальной. КПД достигал 30...37% - это близко к современным крупным ТЭС. Время ее пуска из холодного состояния - от 4 ч до 10 мин., а продолжительность изменения мощности от нулевой до полной составляет всего 15 с.

Сейчас в разных районах США испытываются небольшие теплофикационные установки мощностью по 40 кВт с коэффициентом использования топлива около 80%. Они могут нагревать воду до 130oС и размещаются в прачечных, спортивных комплексах, на пунктах связи и т.д. Около сотни установок уже проработали в общей сложности сотни тысяч часов. Экологическая чистота электростанций на ТЭ позволяет размещать их непосредственно в городах. Первая топливная электростанция в Нью-Йорке, мощностью 4,5 МВт, заняла территорию в 1,3 га. Теперь для новых станций с мощностью в два с половиной раза большей нужна площадка размером 30x60 м. Строятся несколько демонстрационных электростанций мощностью по 11 МВт. Поражают сроки строительства (7 месяцев) и площадь (30х60 м), занимаемая электростанцией. Расчетный срок службы новых электростанций - 30 лет.

Второе и третье поколение ТЭ

Лучшими характеристиками обладают уже проектирующиеся модульные установки мощностью 5 МВт со среднетемпературными топливными элементами второго поколения. Они работают при температурах 650...700°С. Их аноды делают из спеченных частиц никеля и хрома, катоды - из спеченного и окисленного алюминия, а электролитом служит расплав смеси карбонатов лития и калия. Повышенная температура помогает решить две крупные электрохимические проблемы: снизить "отравляемость" катализатора окисью углерода; повысить эффективность процесса восстановления окислителя на катоде. Еще эффективнее будут высокотемпературные топливные элементы третьего поколения с электролитом из твердых оксидов (в основном двуокиси циркония). Их рабочая температура -- до 1000°С. КПД энергоустановок с такими ТЭ близок к 50%. Здесь в качестве топлива пригодны и продукты газификации твердого угля со значительным содержанием окиси углерода. Не менее важно, что сбросовое тепло высокотемпературных установок можно использовать для производства пара, приводящего в движение турбины электрогенераторов. Фирма Vestingaus занимается топливными элементами на твердых оксидах с 1958 года. Она разрабатывает энергоустановки мощностью 25...200 кВт, в которых можно использовать газообразное топливо из угля. Готовятся к испытаниям экспериментальные установки мощностью в несколько мегаватт. Другая американская фирма Engelgurd проектирует топливные элементы мощностью 50 кВт, работающие на метаноле с фосфорной кислотой в качестве электролита. В создание ТЭ включается все больше фирм во всем мире. Американская United Technology и японская Toshiba образовали корпорацию International Fuel Cells. В Европе топливными элементами занимаются бельгийско-нидерландский консорциум Elenko, западногерманская фирма Siemens, итальянская Fiat, английская Jonson Metju.

В сочетании с солнечными фотоэлектрическими батареями, гидролизёрами, водородными аккумуляторами и инверторами (которые переводят постоянный ток 12 В в переменный ток 50 Гц,220 В), топливные элементы могут являться частью уже вполне реальных работающих солнечных электростанций. В настоящее время идёт снижение стоимости всех составляющих СЭС.

Литература

1. Hohmeyer O. Social Cost of Energy Consumption. Springer-Verlag, New York, 1988.

2. Пивоварова З.И., Стадник В.В. Климатические характеристики солнечной радиации как источника энергии на территории СССР. - Л., Гидрометеоиздат, 1988.

3. Энергоактивные здания. Под ред. Сарнацкого Э.В. и Селиванова Н.П. - М., Стройиздат, 1988.

4. Яблоков А.В. "Атомная мифология" Москва, Наука, 1997г.

5. Лаврус В.С. "Источники тока" 1997г.

6. CD : Большая Энциклопедия Кирилла и Мефодия.1997г.

7. Евдокимов В.М. Некоторые новые теоретические модели фотопреобразователей и перспективы повышения их КПД. - В книге: Преобразование солнечной энергии: сб. статей /Под ред. Семёнова Н.Н., Шилова А.Е. Москва,Наука, 1985г.

8. Алфёров Ж.И., Андреев В.М., Каган М.Б. и др. Исследования по высокоэффективным гетеропреобразователям в системе AlGaAs-GaAs.-В книге: Тр. ВЭЛК (21-27 июня 1977 г., Москва). М., 1977, секция 5А, докл.04. 20с.

9. Колтун М.М. Оптика и метрология солнечных элементов. М., Наука, 1985г., 280 стр.

10. Лидоренко Н.С., Евлокимов В.М., Зайцева А.К. и др. Новые модели солнечных элементов и перспективы их оптимизации.- В книге: Тр. ВЭЛК (21-27 июня 1977г., Москва). М., 1977, секция 5А, докл.01. 27с.

11. Грилихес В.А. "Солнечные космические энергостанции". Ленинград. Наука. Ленингр. отд., 1986 г.

12. Наука и жизнь, № 5...7, 1981 г.

13. Мурыгин И.В. Электродные процессы в твердых электролитах. М.: Наука, 1991. 351 с.

14. Учебник "Экономическая география России "Т.Г. Морозова, М.П. Победина, С.С. Шишов, изд. "Юнити", Москва, 1999г.

15. Лапин Ю.Н. "Экожильё - ключ к будущему", Москва, 1998.

16. Наука и жизнь, No11, 1991 г. М.: Правда.

17. Physics Today, 1998, 51(12) .

Nature, 1998, 396, 19 November .

Nature, 1998, 396, 26 November .

18. Интернет...

19. Журнал "ГЕО". №11, ноябрь 1999г. Статья Ханне Тюгель "Гигаватты солнечного электричества".

20. Коровин Н.В. Новые химические источники тока М.: Энергия, 1978.194 с.

21. Феликс Р. Патури Зодчие ХХI века М.: ПРОГРЕСС, 1979. 345 с.