В Пермском Политехе (ПНИПУ) изучили перспективы применения энергетических комплексов на основе топливных ячеек в областях, не имеющих доступа к централизованной энергосистеме. Статья на эту тему опубликована в научном журнале «Экология и промышленность России». Исследование проведено при финансовой поддержке Минобрнауки России, проект FSNM-2023-0004.
Более 2,8 млн кв. км российской территории, простирающейся от Чукотки до Таймыра, не подключены к общей сети энергоснабжения, что приводит к ежегодным убыткам для российской экономики, оценивающимся в десятки миллиардов рублей, из-за необходимости завоза топлива и ремонта оборудования. Одним из вариантов решения проблемы надежного энергообеспечения отдаленных регионов может стать использование энергоустановок, использующих топливные элементы. Специалисты Пермского Политеха провели оценку жизненного цикла подобных установок и исследуют наиболее эффективные рабочие режимы. Это позволит продлить срок службы оборудования, уменьшить воздействие на окружающую среду и снизить стоимость электроэнергии до конкурентоспособного уровня в 8 руб./кВт•ч, что сравнимо с ценами в центральной части России. Энергоустановки на топливных ячейках могут стать надежным и экономически выгодным источником энергии для удаленных поселений и промышленных объектов, минимизируя негативное воздействие на природу Арктики.
Для удаленных населенных пунктов Чукотского АО, Камчатского края, Таймыра, Магаданской области, Сахалина, а также для вахтовых поселков и промышленных предприятий, расположенных в этих регионах, фактическая стоимость электроэнергии варьируется от 40 до 100 рублей за кВт•ч. Это значительно превышает тарифы, действующие в центральных регионах страны, в 5–10 раз.
Большая часть этих территорий не имеет подключения к Единой энергетической системе России. Огромные расстояния, суровые климатические условия, вечная мерзлота и сложный рельеф местности делают строительство и обслуживание линий электропередач непомерно дорогим. В результате, целые районы оказываются изолированными и полностью зависят от поставок привозного топлива.
Ежегодно проводится крупномасштабная и сложная логистическая операция под названием «северный завоз». С использованием авиации, морского транспорта и вездеходов доставляются тысячи тонн дизельного топлива в самые отдаленные уголки страны. В 2024 году на эти цели было выделено от 30 до 40 миллиардов рублей. Кроме того, существуют постоянные затраты на ремонт электрогенераторов, которые быстро выходят из строя в условиях низких температур и экстремальной эксплуатации.
Длительное время дизельные электростанции являлись единственным надежным решением для энергоснабжения северных территорий, поскольку они способны функционировать в любое время года и при любых погодных условиях. Однако их работа наносит вред окружающей среде. Выбросы сажи загрязняют воздух, которым дышат местные жители, а также, оседая на снегу и льду, ускоряют их таяние, нарушая экологический баланс северных экосистем.
Современной альтернативой являются специализированные установки на твердооксидных топливных элементах. Принцип работы этих устройств отличается от традиционных генераторов: они не сжигают горючее, а преобразуют его в электричество посредством химической реакции. Это обеспечивает практически бесшумную работу и снижение уровня загрязнения воздуха.
Ключевыми преимуществами данной технологии являются высокая степень надежности, автономность и экологичность. В сравнении с традиционными дизельными генераторами, это более экологически чистый источник энергии: в процессе выработки электроэнергии установки практически не производят вредных локальных выбросов, таких как сажа (твердые частицы) или угарный газ, свойственные сжиганию дизельного топлива. Помимо этого, они характеризуются высокой топливной эффективностью и, при использовании соответствующего топлива (например, биогаза), могут демонстрировать значительно сниженный углеродный след.
Именно поэтому они становятся оптимальным решением для объектов, где недопустимы перебои в энергоснабжении. Их можно использовать для обеспечения электроэнергией больниц, центров обработки данных, а также базовых станций мобильной связи.
Однако существует серьезная проблема, сдерживающая широкое использование этих установок. Это их высокая стоимость, при этом самый дорогой элемент – батарея топливных ячеек (ключевой модуль, в котором происходит выработка электроэнергии).
Помимо этого, основные компоненты подвержены быстрому износу: батарею необходимо заменять каждые 1–2 года, а катализатор (специальный элемент в топливном процессоре, который подготавливает топливо для реакции) – ежегодно. Таким образом, значительная часть экономии от высокой эффективности нивелируется постоянными затратами на обслуживание и замену дорогостоящих компонентов.
Ученые Пермского Политеха осуществили комплексную оценку жизненного цикла такой энергоустановки, начиная с производства составляющих материалов и заканчивая утилизацией оборудования после 15 лет эксплуатации.
В рамках исследования была выбрана российская энергоустановка на твердооксидных элементах. Первоначально ученые проанализировали состав установки – количество стали, керамики, меди и других материалов. Это было необходимо для определения «углеродного следа» производства каждого компонента, то есть объема выбросов парниковых газов при изготовлении.
Суммарный углеродный след составил 3628,2 кг СО2-экв. Наибольший вклад в данный показатель вносит производство высокотемпературного блока (1324,6 кг СО2-экв.), включающего в себя батарею топливных элементов и топливный процессор. Следовательно, увеличение срока службы этих компонентов позволит не только уменьшить затраты на ремонт установки и замену деталей, но и снизит суммарный углеродный след оборудования.
Затем, опираясь на результаты испытаний и технические характеристики, исследователи проанализировали влияние различных условий эксплуатации на ресурс основных компонентов и смоделировали работу установки в различных режимах на протяжении 15 лет с учетом регулярного технического обслуживания и замены деталей.
— Правильная настройка режимов работы позволяет увеличить срок службы батареи топливных элементов в четыре раза – с 10 000 до 40 000 часов работы. Это означает, что вместо замены каждые 1-2 года, ее потребуется менять только раз в 5 лет, а катализатор сможет выполнять свою функцию 2,5 года вместо одного года. При этом, в оптимальном режиме, углеродный след электроэнергии (без учета выбросов от сжигания топлива) снизится на 31% — с 20,4 до 14,1 грамма СО2-экв на каждый киловатт-час, — отмечает Екатерина Ширинкина, доцент кафедры охраны окружающей среды ПНИПУ.
При серийном производстве и оптимизации рабочих режимов подобных установок затраты на производство электроэнергии могут быть снижены с 65 до 8 рублей за кВт•ч, за счет снижения стоимости основных компонентов в 2,5-3 раза.
Твердооксидные топливные установки – эффективный способ энергоснабжения для объектов, находящихся на удаленных территориях в зонах децентрализованного энергоснабжения. Оптимизация режимов работы позволит значительно увеличить срок службы ключевых компонентов и сделать стоимость электроэнергии сопоставимой с тарифами централизованных сетей.
Это создаст условия для строительства социально значимых объектов, таких как школы и больницы, снизит объемы вредных выбросов и обеспечит создание новых рабочих мест на российских предприятиях. Подобные установки также подойдут для объектов, требующих гарантированного и надежного энергоснабжения: медицинских учреждений, где перерывы в подаче электроэнергии недопустимы; центров обработки данных, требующих значительных объемов энергии; базовых станций мобильной связи, расположенных в удаленных районах, а также предприятий нефтегазовой отрасли.