Ученые ПНИПУ оценили перспективы использования энергоустановок на топливных элементах в зонах децентрализованного электроснабжения
Бесперебойное энергоснабжение на удаленных территориях может обеспечиваться за счет внедрения энергоустановок на топливных элементах.
Ученые Пермского Политеха оценили жизненный цикл такой установки и исследуют оптимальные режимы работы, это позволит увеличить срок эксплуатации оборудования, уменьшить углеродный след и снизить себестоимость до 8 руб./кВт·ч для потребителя, что сопоставимо с ценами центральной России. Энергоустановки на топливных элементах в перспективе могут стать надежным и недорогим источником энергоснабжения удаленных посёлков и промышленных объектов, снизить вредное воздействие на хрупкую арктическую природу.
Для удалённых посёлков Чукотки, Камчатки, Таймыра, Магаданской области и Сахалина, а также для вахтовых объектов и промышленных предприятий в этих регионах реальная стоимость электроэнергии достигает 40–100 рублей за кВт•ч. Эта цифра превышает тарифы центральной части страны в 5–10 раз.
Такие территории не имеют связи с Единой энергосистемой России. Огромные расстояния, суровый климат, вечная мерзлота и сложный горный рельеф превращают строительство и обслуживание линий электропередачи в неоправданно дорогую задачу. В результате целые районы оказываются в изоляции и вынуждены полностью зависеть от привозного топлива.
Каждый год разворачивается сложнейшая и рискованная операция — «северный завоз». Работают самолёты, корабли и вездеходы, чтобы доставить тысячи тонн дизельного топлива в самые труднодоступные уголки страны. Только на это в 2024 году потребовалось 30–40 миллиардов рублей. А к этим расходам добавляются постоянные траты на ремонт генераторов, которые быстро изнашиваются на морозе и в экстремальных условиях.
Долгое время дизельные электростанции были единственным надёжным решением для Севера, так как работали в любой сезон и при любой погоде. Однако их эксплуатация вредит экологии. Выбрасываемая сажа загрязняет воздух, которым дышат жители посёлков, а, оседая на снег и лёд Арктики, ускоряет их таяние, нарушая хрупкий баланс северных экосистем.
Современная альтернатива — специальные установки на твердооксидных топливных элементах. Эти устройства работают совершенно иначе, чем обычные генераторы: они не сжигают топливо, а преобразуют его в электричество с помощью химической реакции. Это позволяет работать почти бесшумно и меньше загрязнять воздух.
Основными преимуществами технологии являются высокая надёжность, автономность и повышенная экологичность. По сравнению с традиционными дизельными генераторами, это гораздо более «чистый» источник энергии: в процессе выработки электроэнергии установки практически не производят вредных локальных выбросов, таких как сажа (твердые частицы) или угарный газ, которые характерны для сжигания дизельного топлива. Кроме того, они обладают высокой топливной эффективностью и, в зависимости от используемого топлива (например, биогаза), могут иметь значительно сниженный углеродный след.
Именно поэтому они становятся оптимальным решением для объектов, где нельзя допустить сбоев. Их можно использовать для электроснабжения больниц, центров обработки данных и телекоммуникационных вышек.
Но есть серьезная проблема, мешающая широкому внедрению. Установки имеют высокую стоимость, причём самый дорогой компонент — это батарея топливных элементов (основной модуль, где происходит выработка электричества).
Кроме того, ключевые части быстро изнашиваются: ту же батарею нужно менять каждые 1–2 года, катализатор (специальный элемент в топливном процессоре, который подготавливает топливо для реакции) — ежегодно. В итоге значительная часть экономии от высокой эффективности съедается постоянными расходами на обслуживание и замену дорогих элементов.
Ученые Пермского Политеха провели комплексную оценку жизненного цикла такой энергоустановки – от производства материалов до утилизации оборудования после 15 лет службы.
Для исследования была выбрана российская энергоустановка на твердооксидных элементах. Сначала ученые изучили из каких именно материалов установка сделана — сколько в ней стали, керамики, меди. Это было нужно, чтобы понять, какой «углеродный след» оставляет производство каждой детали — то есть сколько парниковых газов выбрасывается при изготовлении.
Общий углеродный след составил 3628,2 кг СО2-экв. Наибольший вклад в этот след вносит производство высокотемпературного блока (1324,6 кг СО2-экв.), в состав которого входит батарея топливных элементов и топливный процессор. Поэтому увеличение сроков этих компонентов позволит не только снизить затраты на ремонт установки и замену комплектующих, но и снизит суммарный углеродный след оборудования.
Затем исследователи на основе данных испытаний и технических характеристик проанализировали, как различные условия эксплуатации влияют на ресурс ключевых компонентов, и смоделировали работу установки в разных режимах на протяжении 15 лет с учётом планового обслуживания и замены деталей.
— С помощью правильных настроек можно увеличить срок службы батареи топливных элементов в четыре раза — с 10 000 до 40 000 часов работы. Это значит, что вместо замены каждые 1-2 года, ее придется 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 (не считая выбросов от сжигания топлива) упадет 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 работы таких установок затраты на производство электроэнергии могут снизиться с 65 до 8 рублей за кВт•ч за счет удешевления ключевых компонентов в 2,5-3 раза.
Твердооксидные топливные установки — это эффективный способ энергоснабжения объектов, расположенных на удалённых территориях в зонах децентрализованного энергоснабжения. Оптимизация режимов эксплуатации поможет резко увеличить срок службы ключевых компонентов и сделать стоимость электроэнергии сопоставимой с тарифами центральных сетей.
Это откроет возможность строить там школы и больницы, снизит вредные выбросы и создаст новые рабочие места на российских производствах. Такие установки также подойдут для объектов, требующих особо надёжного энергоснабжения: медицинских учреждений, где перебои недопустимы; центров обработки данных, потребляющих огромное количество энергии; телекоммуникационных вышек на удаленных территориях, предприятий нефтегазовой отрасли.
Источник: управление стратегических коммуникаций Пермского Политеха