Просте, ефективне та екологічно чисте виробництво електроенергії – звучить, як казка? Вона стрімко перетворюється на реальність! А яким саме чином це відбувається, з нами сьогодні поділились науковці з лабораторії керамічних паливних комірок Олександр Васильєв і Микола Бричевський.
Візьміть батарейку, покладіть її у воду – і ви побачите навколо електродів бульбашки. Це електрика розкладає воду на водень і кисень. Мабуть же існує зворотній процес, коли з кисню і водню може утворитися електрика? Це робиться дуже просто: якщо у розчин, збагачений киснем і воднем, вставити два однакових платинових електроди, між цими паличками з`явиться енергія. Будь-яка хімічна реакція здатна стати паливнокомірчаною. Тому що вона електрохімічна. Якщо все відбувається хаотично, реакція екзотермічна – виділяється тепло. Це та електрика, яку ви могли б отримати.
Паливні комірки – це технологія виробництва електричної енергії з хімічної.
Традиційний механізм дуже затратний. Спочатку спалити паливо, розігріти на цьому воду, зібрати пару та крутити нею динамомашину, а коефіцієнт корисної дії фактично не більше 30%. Задіяно багато людей, витрачено багато грошей та й екологічно небезпечно. Паливна комірка не має проміжних перетворень усередині, тому вона найефективніша. ККД 65% – удвічі більше, ніж у традиційному механізмі. Це практично повністю екологічно чиста технологія. Хіба що СО2 на виході викидається – але ж з ним впораються рослини.
У світі вже практично створена паливнокомірчана промисловість. Розроблені автомобілі, мопеди, пароплави, потяги. Блокада прорвана. Років десять тому британський уряд займався пропагандою паливних комірок. Можна було зареєструвався на спеціальному ресурсі та отримувати новини по темі. Наприклад, про те, як у якомусь містечку вуглекислий газ від дихання глядачів у кінозалі використали для отримання енергії.
Інші придумали робити електрику з крові. Є багато людей, які мають вади серця. Звичайні кардіостимулятори мають обмежений термін використання. Тому можна зробити паливну комірку, яка буде працювати на глюкозі, якої багато у крові. Тоді термін використання мало не необмежений. Ще на практиці це не використовують, але воно до того йде.
Людський організм – ходяча паливна комірка. Щоб підтримувати температуру, відбуваються хімічні реакції з виділенням тепла. Поєднання двох примітивних основ життя – кисню і водню.
Зараз виробництво комірок недешеве. Але скільки коштував комп`ютер при розвалі СРСР? У нас навіть є старий комп`ютер який ми не можемо списати, бо його вартість була біля 200 тисяч доларів, хоч йому місце у музеї. А скільки вони коштують зараз? Неймовірна різниця. Так і з кожним новим продуктом.
Провідність буває двох видів: електронна (яка зазвичай у дротах, – електрони рухаються від мінуса до плюса) та за рахунок заряджених часток. Ця провідність набагато повільніша, тому що потрібна висока температура. Чим вища температура, тим вища провідність. Робоча температура керамічних паливних комірок – 600 градусів. У звичайних двигунах вона більша за тисячу градусів – у результаті утворюються оксиди азоту, а це – страшна отрута.
Наша лабораторія працює вже два роки. Фактично ми почали займатися цією проблемою близько 20 років тому, але “підпільно”.
Починали з острахом – так, цікаво, але як будувати на цьому життя? Зараз наша технологія цирконієвих порошків знаходиться у пілотному стані. Зазвичай береться порошок, заганяється у якусь форму і запікається. Ми перейшли на новий формат – плівковий. Чим тонший зразок, тим менший його опір, що приводить до більшої ефективності. Товщина нашого пристрою близько 0,5 мм. Якщо взяти розмір 10х10, це приблизно 100 Ват постійного струму. Цього достатньо, наприклад, щоб усе електрообладнання у квартирі утримувати у сплячому режимі. Потім такі пластини можна формувати у бокси. Уже зараз використовуються п`ятикіловатні установки для домашнього використання. Цього вистачить на господарство приблизно у 200 квадратів.
Паливна комірка поки що не може слугувати конкурентом традиційним способам виробництва електроенергії, бо у неї велика собівартість одного кіловата (близько тисячі доларів). Вона сильно залежить від ціни палива, яке буде використовуватись. Якщо у вас є якесь паливо, органіка, наприклад, тоді це вигідно. В Україні це питання дуже актуальне. Усе устаткування розвалюється, треба міняти. І є вибір – таке саме та не ефективне, чи щось нове. До того ж, в Україні багато двоокису цирконію – майже весь, що є у Північній півкулі. З нього роблять фіаніт – штучні діаманти. Безцінна річ для нашої справи. Чорне море забите метаном. Палива більш, ніж достатньо.
Зараз ми готуємо програму для магістерського курсу з водневої енергетики. У програмі “Горизонт” беруть участь 12 університетів з усієї Європи, у тому числі і КПІ.
У майбутньому паливнокомірчану технологію можна буде застосовувати дуже легко та повсюдно. Наприклад, сонячну енергію легко перетворити у водень. А паливна комірка є найкращою технологією для перетворення водню в електрику. Тоді коло замикається, і єдиний стопор – створення ефективної системи зберігання. Зараз усе йде до створення пілотного виробництва і масштабування його на невеличкий завод.
Ми ж все таки люди, треба жити, а не виживати. Шукай якесь вугілля, пали його – а на виході бруд, копоть. Виробництво треба змінювати.
Авторка: Ангеліна Сардарян
Фото: Ірина Крикля
Топливные элементы на службе базовых станций мобильной связи
Когда мобильная телефонная связь строится в удаленном месте, ей часто требуются генераторы энергии. Пока что они работали на дизеле, но теперь есть альтернатива: водород.
Последнее новшество исходит от Deutsche Telekom. 2019 год. В небольшом населённом пункте Деттельбах в Баварии начинает работу первая в мире станция мобильной связи, которая питается от топливных элементов.
Биометанол вместо дизеля
Deutsche Telekom часто устанавливает «передвижные станции мобильной связи» – мачты и передатчики, которые не предназначены для длительного использования. Причины – это, например, катастрофы, крупные события, такие как музыкальные фестивали или мертвые точки, которые должны быть закрыты до того, как окончательно будет построена полноценная базовая станция. Если в этом случае «на зеленом поле» нет подключения к электросети, телекоммуникационная система обычно питается от дизельного генератора, который вырабатывает электроэнергию. Однако дизельный генератор, работающий в непрерывном режиме, должен обслуживаться каждые две недели. Часто бывает даже так, что из-за погодных условий не возможно добраться до станции.
Напротив, система на топливных элементах может генерировать гораздо больше энергии и требует меньшего количества обслуживания. В Деттельбахе она питается биометанолом, который производится из биомассы – например, из растительных отходов, древесины или соломы.
Так работает топливный элемент для мобильной связи.
В случае автомобилей привод на топливных элементах в течение многих лет рассматривался как весьма интересная альтернатива двигателю внутреннего сгорания или обычным электромобилям типа Тесла с их чрезвычайно тяжелыми аккумуляторами. Так, Toyota Mirai создала двигатель на водородных топливных элементах с запасом хода до 600 километров и может быть заправлен за три минуты. Ничего не выходит из выхлопа – кроме водяного пара.
И эта экологически чистая технология будущего также работает не только в автомобилях, например, в новой системе мобильной связи Deutsche Telekom в Нижней Франконии. Изготовителем топливного элемента, который там используется, являются специалисты по водородному топливу из немецкой HYREF GmbH, которые базируются на бывшей шахте в Хертене в округе Реклинггаузен.
Процесс производства электроэнергии происходит по сути в два этапа.
На первом, биометанол подаётся в своего рода большой сосуд, называемый «риформер». Получаемый газ реагирует на катализаторе, и эта реакция обеспечивает расщепление водорода, который является составляющей частью метанола.
Таким образом, образуется водород, который на втором этапе в топливном элементе реагирует с кислородом из окружающего воздуха. Работает так же, как аккумуляторная батарея. Реакция генерирует тепло, воду и, особенно, электричество, которое требуется электромобилю или даже станции мобильной связи в Деттельбахе для их работы.
Такая умная “водородная мобильная связь”
Резервуар, вмонтированный в контейнер, содержит 3000 литров биометанола который снабжает установку в Деттельбахе. Благодаря этому мы можем реализовать почти девять месяцев непрерывной работы. Система обеспечивает непрерывную мощность 5 кВт и, при необходимости, пиковую мощность 7 кВт. И это практически не требует технического обслуживания – в то время как дизельный генератор должен регулярно заполняться топливом или снабжаться смазочным маслом.
Также движущихся частей, таких как поршни или шестерни, которые могут сломаться и вызвать шум или вибрацию, нет в топливном элементе. Чтобы проверить, все ли в порядке, специалисты по телекоммуникациям больше не бродят по грязному лугу, потому что они могут контролировать систему с помощью дистанционного обслуживания.
Таким образом, “передвижная станция мобильной” связи работает без особых усилий в течение нескольких месяцев – до тех пор, пока не будет найдено окончательное решение для стационарной площадки.