Лучшее топливо
Важнейшей характеристикой топлива является его удельная теплота сгорания — величина, показывающая количество выделяемого тепла при сгорании одного килограмма топлива. Например, из килограмма сухих берёзовых дров можно получить 15 МДж тепла, а из антрацита в два раза больше. Удельная теплота сгорания бензина 42-44 МДж/кг. Чемпионом же по этой характеристике является водород, дающий 141 МДж тепла при сгорании одного килограмма.
Получается, что водород — это лучшее топливо. Есть у водорода и другое преимущество: при его сгорании образуется только вода. Водород — это ещё и экологически чистое топливо. Почему же его не применяют столь же широко, как нефтепродукты или природный газ?
Добыча и использование
Проблема заключается в том, что водород не встречается на Земле в виде залежей чистого газа, хотя сам по себе этот элемент наиболее распространённый во вселенной. Водород нужно получать из содержащих его веществ. Для этого требуется энергия, которую придётся вырабатывать, используя обычные виды топлива или электричество с атомных электростанций. Выходит, что переход на водород в качестве топлива не решает проблему исчерпания ископаемых топливных ресурсов.
Другая проблема заключается в том, как использовать водород. В принципе, можно после доработки использовать обычный двигатель внутреннего сгорания. Однако даже у лучших ДВС коэффициент полезного действия едва дотягивает до 50%. Стоит ли городить весь сыр-бор с водородной энергетикой, чтобы половину тепла отправлять в атмосферу? Кроме того, взаимодействие водорода со сталью приводит к так называемой водородной коррозии, из-за которой сталь становится хрупкой без видимых признаков разрушения поверхности.Топливные элементы
Гораздо больше перспектив у топливных элементов (ТЭ), в которых химическая энергия напрямую преобразуется в электрическую без горения. Фактически в топливном элементе происходит процесс противоположный электролизу воды. На выходе ТЭ получается вода. В отличие от двигателей внутреннего сгорания, топливные элементы не шумят и не требуют смазки.
По конструкции топливные элементы можно разделить на шесть типов, у каждого из которых есть свои достоинства и недостатки. Например, для ТЭ с протонно-обменной мембраной нужна платина, что значительно увеличивает стоимость изделия.
Более дешёвые твердотельные оксидные топливные элементы (ТОТЭ) работают при очень высоких температурах — до тысячи градусов. Чтобы такой элемент заработал, его сначала нужно нагреть до рабочей температуры, а потом температура будет поддерживаться за счёт тепла химической реакции. Зато ТОТЭ «всеядны» и могут работать на любом топливе, а не только на водороде. Себестоимость электрической энергии, полученной при помощи ТОТЭ 25 рублей за киловатт-час.
Российско-индийское научное сотрудничество
Очевидно, что главной задачей разработчиков ТОТЭ является снижение рабочей температуры элемента, поскольку длительная работа при высоких температурах требует специальных материалов. Российские учёные, в частности, специалисты из Уральского федерального университета также вносят свой вклад в решение этой проблемы, экспериментируя с разными оксидами.
Недавно наши учёные совместно с индийскими коллегами из Центра передовых научных исследований имени Джавахарлала Неру в Бангалоре выиграли конкурс грантов Российского фонда фундаментальных исследований. Как говорится в пресс-релизе на сайте УрФУ, главной задачей этого совместного проекта является разработка наиболее перспективных оксидных материалов для ТОТЭ.
У исследовательских групп из обеих стран уже есть богатый научный задел по этой теме и опубликованные в научных журналах статьи. Пожелаем им успехов в этом нелёгком деле. У России и Индии есть хорошие перспективы на то, чтобы стать лидерами в производстве топливных элементов для водородной энергетики.
На настоящий момент стоимость топливных элементов на международном рынке колеблется около суммы в три тысячи долларов в пересчёте на киловатт (не путать с киловатт-часами!) вырабатываемого электричества. Маркетинговые исследования показывают, что при снижении цены в два раза, топливные элементы смогут уже конкурировать с традиционными источниками энергии. Российские и индийские учёные потрудятся также и над решением этой задачи.+
Евгений Сизов
