Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ)

Режим работы: в параллель с основным генерирующим устройством;
Единичная электрическая мощность батареи: 0,01-300 кВт;
Электрическая мощность электростанций: 0,02-5000 кВт;
Вид топлива: любое углеводородное топливо (природный газ, водород и т.д.);
Рекомендации к применению: по возможности массово;
Капиталовложения в строительство: от 2000 $/кВт;
Себестоимость электроэнергии составляет 0,25-3 руб/кВт·ч( с учетом амортизации).

Ведущие фирмы производители:

  • Cummins-SOFCo;
  • Delphi-Battelle;
  • General Electric;
  • Siemens;
  • Acumentrics;
  • FuelCell Energy;
  • Horizon Fuel Cell Technologies;
  • BloomEnergy;
  • УрО РАН и ООО «Центр промышленных нанотехнологий» (Екатеринбург).


ТОТЭ – это энергосберегающие установки на базе твердооксидных топливных элементов (Solid Oxide Fuel Сells; SOFC). ТОТЭ работает на газе (природный, попутный либо с подходящей теплотворной способностью) либо водороде (наиболее оптимальный вариант из-за большей теплотворной способности водорода и получения в качестве «выхлопа» чистой воды) с получением в ходе химической реакции – электроэнергии и выделения тепла утилизируемого для нужд отопления, холодоприготовления или повторного использования на парогенераторных установках.

Разработки ТОТЭ начинались в Институте высокотемпературной электрохимии УрО РАН с 1966 года под грифом «Секретно». Пик достижений советских ученых пришелся на 1989 год, когда силами четырех институтов УрО РАН изготовили высокотемпературный электрохимический генератор мощностью 1 кВт. Расположение элементов в модуле запатентовано и стало прототипом для последующих энергосистем с ТОТЭ, а с 2004 года здесь разрабатываются высокоэффективные системы. В 70 — 80−х годах российские ТОТЭ опережали Запад, но постепенно утратили лидирующие позиции: началась перестройка, и долго было не до технологий. США же с тех пор значительно преуспели.

В США еще в 2001 году сформировали Solid State Energy Conversion Alliance (SECA) и программу промышленного выпуска к 2010 — 2012 годам энергосистем (3 — 10 кВт) на SOFC себестоимостью 400 долларов за кВт установки. По оценкам экспертов объем продаж ТОТЭ в мире (в 2010 г.) составит $443 млн.
Сегодня на тепловых электростанциях химическая энергия сжигаемого топлива преобразуется сначала в тепловую, затем в механическую и электрическую. Перемножив КПД всех этих переходов энергии, получим среднюю эффективность станций — 35%. Это относится к сжиганию любого вида топлива — угля, газа, мазута. Повысить эффективность в традиционной системе путем модернизации можно лишь незначительно. Передача выработанной электроэнергии от электростанций потребителям на большие расстояния продолжает снижать суммарный КПД системы. Потери обусловлены сопротивлением проводов: чем выше ток и больше расстояние передачи, тем больше потери. Суммарные потери первичной энергии топлива, дошедшей до розетки потребителя, достигают - 90%.
Постепенную замену традиционной системы энергоснабжения распределенной (в перспективе — водородной) энергетикой, когда генераторы электрического тока располагаются непосредственно у потребителей, а вместо электроэнергии по проводам к ним приходит топливо-энергоноситель (природный газ) по трубопроводу. Сравните потери при транспорте электроэнергии в сетях с потерями при транспорте энергоносителя (природного газа или водорода) по трубопроводу. Увеличение стоимости энергоносителя при транспортировании, например, на 1600 км возрастает только на 50%. Там тоже есть свои потери: падает давление, нужны перекачивающие станции. Но в сумме траты в 4 — 5 раз меньше. Это ключевой аргумент в пользу распределенного электроснабжения.
Потребитель сжигает топливо в соответствии с собственным графиком потребления. Но не в дизель-генераторе, который шумит, дымит и имеет максимальный КПД 40%, а в бесшумном, экологически чистом электрохимическом генераторе на ТОТЭ с максимальным КПД до 80 — 90%, то есть в два раза более эффективно преобразующем химическую энергию напрямую в электрическую. Эта энергосберегающая технология для производства того же количества электричества требует в два-три раза меньше топлива, чем сжигается сегодня.

Единственным недостатком ТОТЭ является на сегодняшний день невысокая плотность энергии и поэтому чувствительность к перегрузкам. В связи с этим наиболее оптимально питать от ТОТЭ гарантированных потребителей (минимальная нагрузка потребителя), а пиковые нагрузки сглаживать с помощью микротурбин, либо аккумуляторов энергии.

Твердое состояние всех компонентов ТОТЭ позволяет иметь бесконечное многообразие форм и размеров элементов в зависимости от целей применения, от портативных переносных изделий (2-300 Вт), стационарных (1 кВт - 10 МВт), для транспорта (10 кВт - 5 МВт).
Высокий КПД, любое углеводородное топливо, отсутствие платиновых катализаторов, большой срок службы и экологическая чистота – вот преимущества тверооксидных топливных элементов, способных вывести их в лидеры на рынке энергоустановок.

 В начало ↑