ПРИМЕНЕНИЕ ВОДОРОДНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ АВТОНОМНЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ПРИМЕНЕНИЕ ВОДОРОДНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ АВТОНОМНЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
Жанбиршинов Нурбол Тультаевич
магистрант Карагандинского технического университета,
Казахстан, г. Караганда
Таранов Александр Викторович
канд. техн. наук, Карагандинский технический университет,
Казахстан, г. Караганда
АННОТАЦИЯ
Статья посвящена использованию водородных топливных элементов для электроснабжения автономных потребителей Республики Казахстан. Исчерпаемость ресурсов, ухудшение экологической ситуации – все эти неблагоприятные факторы можно преодолеть с помощью использования водородориентированных технологий. На современном этапе развития энергетики на фоне последних энергетических кризисов четко обозначились задачи исследования и внедрения новых технологий получения электроэнергии, использующих возобновляемые ресурсы и не наносящих вреда экологии. Применение водородных топливных элементов отвечает этим требованиям. Описано состояние вопроса, проблематика и указаны пути решения.
Ключевые слова: водородная энергетика, топливный элемент, электроснабжение.
В Казахстане около 85 % электроэнергии вырабатывается за счет сжигания ископаемого топлива. Доля возобновляемой энергетики невелика (менее 1%). Такое соотношение пагубно отражается на экологической ситуации, поскольку происходит выброс вредных веществ в атмосферу. В рамках реализации Киотских соглашений Казахстан принял обязательства по снижению выброса парниковых газов к 2050 году - на 25%. Это возможно за счет увеличения количества эксплуатируемых установок возобновляемой энергии, что к тому же будет способствовать покрытию наблюдаемого дефицита мощностей. Так, в Стратегии "Казахстан-2050" и Концепции по переходу Казахстана к "зеленой" экономике поставлены конкретные задачи по развитию альтернативной энергетики. К 2030 году согласно Концепции доля возобновляемых видов энергии в Казахстане должна составлять до 10% от общего объема выработанной электроэнергии, а к 2050 году – 50% [1], [2].
Одним из перспективных направлений является водородная энергетика. Запасы водорода на Земле велики. Массовая доля водорода в земной коре составляет 1% – это десятый по распространённости элемент. На Земле водород находится в свободном состоянии лишь в верхних слоях атмосферы. Его получение возможно путем электролиза воды, причем энергия, затрачиваемая на это может быть получена из неисчерпаемых источников. Сам по себе водород — это отличный энергоноситель, его энергоемкость составляет 28 806 ккал/кг (что более, чем в 2,5 раза выше энергоемкости бензина). Но главным достоинством использования водорода как топлива является его экологическая безопасность, ведь продуктами реакции являются только вода и кислород. Более того, полученную воду можно использовать повторно, тем самым образуя замкнутый цикл. Для получения из водорода электрической энергии применяются топливные элементы. Под водородным топливным элементом понимается устройство, в котором осуществляется превращение химической энергии топлива в электричество напрямую, без возникновения процессов горения, поэтому коэффициент его полезного действия намного выше, чем у двигателя внутреннего сгорания, к примеру, и доходит до 70% [3].
Пару электролизная установка — водородный топливный элемент можно использовать для накопления электроэнергии в часы минимума потребления и отдачи ее в часы максимума, это позволит снизить дефицит пиковых мощностей в нашей стране. Уже сейчас водородные топливные элементы используются в транспортной сфере, для питания портативных устройств, в космической отрасли.
В современном мире из года в год увеличивается объем потребления энергоресурсов. Это связано с ростом населения и уровнем его базовых потребностей, и как следствие - развитием новых технологий и ускорением темпов производства. Ситуация складывается таким образом, что удовлетворение потребностей идет за счет имеющихся резервов ископаемого топлива (нефть, газ, уголь), в результате сгорания которого идет выброс колоссального объема вредных веществ в атмосферу. Среди них часть составляют газы, приводящие к возникновению парникового эффекта. Потенциальные эффекты изменения климата серьезны и необратимы. Помимо этого загрязнение атмосферы пагубно сказывается на здоровье населения. Для снижения воздействия этих отрицательных факторов необходимо проводить политику энергосбережения и увеличивать долю безуглеродных источников в секторе энергетики. Одно из наиболее перспективных решений видится в переходе к водородо-ориентированной экономике. Сам водород не является источником энергии, а лишь её энергоносителем, поскольку на его производство необходимо затратить определенное количество энергии, которая для экологичности процесса должна быть получена от источников возобновляемой энергии.
В топливных элементах, в отличие от гальванических элементов, топливо и окислитель подаются в топливный элемент извне и, в результате взаимодействия, химическая энергия превращается в электрическую.
На рисунках 1 и 2 отображены широкие возможности применения топливных элементов.
Однако, существуют некоторые трудности, которые еще предстоит преодолеть: необходимо решить технические проблемы по улучшению параметров сборок топливных элементов, увеличить срок службы, снизить стоимость топливных элементов и их сопутствующих компонентов (управляющих клaпaнoв, реформеров, элементов газоочистки и т.д.) [4], создать соответвующую инфраструктуру (обеспечить промышленную выработку водорода, построить заправочные станции, осуществлять подготовку технического персонала).
Рисунок 1. Структура водородной энергетики
Рисунок 2. Виды топливных элементов и их применение
Перспективным в дальнейшем развитии топливных элементов считается применение наноматериалов и нанотехнологий. Так, сотрудниками научно-исследовательского университета штата Нью-Йорк в Буффало были изобретены сферические наночастицы кремния, которые, смешиваясь с водой, образуют кремниевую кислоту и водород. Исследователи Гарвардского университета создали твердооксидный топливный элемент, который за счет содержания оксида ванадия, не только генерирует, но и сохраняет электроэнергию. В Центре чистой энергетики в Калифорнии найден новый способ производства каталитического слоя, позволяющий использовать в 10 раз меньше катализатора. К числу идей, на которые стоит обратить внимание относится совместное использование топливных элементов с возобновляемыми источниками энергии.
Таким образом, используя водородные топливные элементы можно получить энергию эффективным, экологически чистым и надежным способом. Несмотря на то, что многие проекты по созданию топливных элементов находятся на стадии разработки и имеются лишь демонстрационные модели, некоторые из них уже запущены в производство и используются в коммерческих проектах.
Список литературы:
- Послание Президента Республики Казахстан Н. Назарбаева народу Казахстана от 17 января 2014 г. Казахстанский путь – 2050: Единая цель, единые интересы, единое будущее www.strategy2050.kz
- Концепция по переходу Республики Казахстан к «зеленой экономике». Астана, 2013 г. www.eco.gov.kz/files/Concept_Rus.pdf
- Коровин Н.В. Электрохимическая энергетика. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 264 с.
- European Commission. Hydrogen Energy and Fuel Cells – A vision of our future. - Брюссель: RTD info, 2003. – 36 c.