Ключ к климатической нейтральности хранится в Юлемисте

Сейчас топливный элемент - это инновация, но основатель и исполнительный директор Энн Ыунпуу надеется, что вскоре наступит эра водорода. Фото: Eero Vabamägi

Пока политики спорят и ищут все новые предлоги для сохранения сланцевой энергетики, в городке Юлемисте в Таллинне разрабатываются изобретения, которые могут избавить нас от проклятия СО2, пишет Postimees.

В конце прошлого года как-то незаметно проскользнула новость о том, что эстонская фирма Elcogen завоевала на крупнейшем в Европе конкурсе предпринимательства приз за инновации. В конкурсе принимали участие 150 000 фирм из 33 стран. Эстонские компании участвовали в нем и раньше, но Elcogen стал первым победителем.

Elcogen был основан в 2001 году, фирма производит самые эффективные в мире топливные элементы – ею была разработана технология производства чистой энергии нового поколения, которая не нуждается в сжигании топлива. Производство электричества с помощью топливных элементов значительно более эффективно, безопасно и в процессе не выделяются загрязняющие вещества. Кроме того, с помощью топливных элементов можно производить водород, который в будущем будет играть большую роль в сохранении энергии.

«Наша технология позволит предлагать ведущим промышленным предприятиям мира решения по производству и сохранению чистой энергии. Сейчас это инновация, но я надеюсь, что вскоре водородное общество станет само собой разумеющимся», - сказал основатель и исполнительный директор Elcogen Энн Ыунпуу на вручении премии.

Ыунпуу представил Postimees продукцию своей фирмы в городке Юлемисте. «Вот катод, анод, между ними электролит. Если есть подходящие предварительные условия, как топливо и необходимая температура, начнется электрохимическая реакция, в результате которой возникнет электрический ток, - поясняет Ыунпуу. – Мы производим только этот керамический элемент».

Один топливный элемент имеет относительно небольшую мощность, примерно 25 ватт. Чтобы получить большую мощность, строят батарею топливных элементов. Ыунпуу показывает батарею с 39 элементами или stack, мощность которого – 1 киловатт.

На элемент направляется содержащее водород топливо, а с другой стороны – воздух. Водород реагирует с кислородом, возникает электрический ток. Все это звучит просто, как на школьном уроке, но в деталях все гораздо сложнее.

«Если заглянуть в историю, топливный элемент все время работал при температуре 800-900 градусов Цельсия, которая, очевидно, слишком высока, чтобы использовать дешевые материалы. Наша первая цель – довести элементы до рабочей температуры 650 градусов, т.е. природный газ можно будет разложить на водород и углерод без использования внешней энергии, с другой стороны, можно будет использовать дешевые конструкционные материалы», - рассказал Ыунпуу.

Сейчас используется обычная хромированная сталь, такая же, как в глушителе автомобиля.

При 800 градусах необходимо использовать очень дорогие металлические сплавы или дорогие и сложные керамические конструкции. Более низкая температура позволит использовать значительно более дешевые стандартные промышленные компоненты.

«Мы сейчас – единственная в мире компания, которая способна производить в больших объемах топливный элемент, эффективно работающий при 650 градусах. Топливные элементы разрабатывали и другие фирмы, но у них они изготавливаются в лабораторных условиях, из дорогих материалов или метод производства весьма экзотичен. Так можно производить один-два элемента в день, но не оптом. Наша первая цель состояла в том, чтобы снизить температуру и элементы можно было бы производить обычным способом в промышленных масштабах», - сказал Ыунпуу.

Многослойная керамика

То, что производит Elcogen, - самая обычная многослойная керамика, которая десятилетиями использовалась в электронике при изготовлении керамических конденсаторов и пьезоэлементов. Elcogen использует ту же технологию, но по-другому и с другими материалами. Разработка означает прежде всего поиск правильного материала и правильной комбинации, и испытание структуры, поскольку у разных слоев элемента различная структура. Изобретение было разработано в сотрудничестве с учеными Тартуского университета и Института химической и биологической физики, и технология продолжает развиваться.

«Таких знаний в области высокотехнологичной керамики в Эстонии никогда не было, так что, когда мы начали разрабатывать промышленный прототип, мы довольно тесно сотрудничали и с европейскими, и с американскими университетами, исследовательскими учреждениями и частными фирмами, у которых были знания об очень специфических деталях. Мы скомбинировали результаты работы партнеров и синтезировали из них методы изготовления окончательной продукции. Без масштабного международного сотрудничества это никогда бы не получилось. Наш навык состоял в том, что мы каким-то образом все время выбирали правильных партнеров», - пояснил Ыунпуу.

Возможностей использования этой технологии, по его словам, очень много.

«Поскольку технология универсальна, мы избрали такую стратегию, что мы не производим для конечного потребителя. Топливные элементы можно, в принципе, использовать повсюду, где понадобится электрический ток. Поэтому мы не связаны с рисками по одному конкретному изделию или рыночному сегменту. Наши клиенты покупают только элементы и сами разрабатывают stack-и. Есть клиенты, которые покупают stack и устанавливают его в свою систему. Самые маленькие устройства рассчитаны всего на 400-500 ватт, к ним можно прикупить газовый баллон из магазина рабочих инструментов и производить таким образом электричество пару часов – без шума и загрязнения. Совсем не то, что шумящий и загрязняющий генератор!» - хвалится предприниматель.

Основное преимущество топливного элемента в том, что КПД производства электроэнергии в два или даже три раза выше, чем у соответствующей комбинации двигателя внутреннего сгорания-генератора или любого другого обычного способа производства электроэнергии. И все потому, что здесь нет ни сгорания, ни чего-то механического – только очень простой электролиз.

«Мы используем, например, в автобусах биотопливо, но его сжигание не спасает окружающую среду. Поскольку мы продолжаем сжигать, к тому же делая это с очень низким КПД: КПД биогаза – 10-15%. С помощью топливного элемента можно производить электричество, заряжать аккумулятор или превратить природный газ в водород и заправить им водородный автомобиль, получив при этом в два с половиной раза больше КПД, где-то 40%. Таким образом мы потратим в 2,5 раза меньше ограниченных эстонских природных ресурсов, чтобы получить то же количество вторичной энергии», - сказал Ыунпуу.

Топливный элемент можно было бы использовать прежде всего в качестве портативных батарей, которые становятся все больше и выдают десять, пятьдесят, сто киловатт. Это батареи размером с контейнер, из которых можно комбинировать силовую станцию мощностью до мегаватта.

«Смысл в том, чтобы производство электричества было рассеянным, распределенным по потребителям. Если использовать для транспорта примарной энергии газовую сеть, что дешевле всего, но производить электричество у потребителя, мы избежим платы за доставку. К тому же газовая сеть обычно не исчезает в результате шторма, землетрясения и т.п. С линиями электропередач постоянно что-то происходит, а если с ними ничего не происходит, где-то что-то закоротит на подстанции, и опять отключение электричества. Рассеянное производство уменьшит такие риски», - сказал Ыунпуу.

Если исчезнет электричество

Он привел в пример центры данных Microsoft, энергобезопасность которых важна сама по себе. Центр данных хочет мощность 100-200 мегаватт, что требует проведения высоковольтной линии, большой трансформаторной станции, выпрямителей и т.д. И если что-то случится, центр данных перестанет работать. Во избежание этого у центра должны быть запасные генераторы. Системы UPS, которые очень дороги и которые бывают необходимы всего в 2% от рабочего времени. Таким образом, чтобы обеспечить работоспособность центра данных, необходимо увеличить изначальную инвестицию в два раза.

«Microsoft решил это так: образно говоря, один центр данных состоит из тысячи серверных стояков, каждый из которых содержит несколько серверов мощностью примерно несколько десятков киловатт. На каждый стояк устанавливается своя система топливного элемента, которая из природного газа там же на конце стояка производит для него электричество. Таким образом, сохранение информации достигается, даже из тысяч стояков у сотни откажет сервер или генератор тока».

Самое замечательное свойство топливного элемента состоит, по словам Ыунпуу, в том, что он работает и в обратном режиме: не только производит электричество, но и может производить водород из электричества. Если остается больше солнечной или ветряной энергии, на топливный элемент пускают воду и получают водород, который можно хранить. Это дает возможность запасать энергию солнца и ветра на черный день. Сейчас, например, летом нельзя запастись солнечной энергией, а зимой ее использовать. С помощью топливного элемента можно произвести из нее водород, который можно запасать на зиму.

Запасы водорода летом

«Я всегда говорил, что для глобальной энергетики необходимы три вещи: солнце, ветер и вода. И все проблемы будут решены. Энергия солнца и ветра – метод, по дешевизне не имеющий конкурентов в мире. Большие газовые станции примерно на 50% дороже, угольные электростанции уже в два с лишним раза дороже, а нынешняя атомная энергия – в три раза дороже», - сказал Ыунпуу.

Проблемой солнечной и ветряной энергии до сих пор было то, что невозможно производить ее в больших объемах из-за невозможности хранения – сеть не в состоянии ее принять. И здесь палочкой-выручалочкой оказывается новая технология хранения.

«Проблема больше не в том, что технология не работает. Работает. Теперь предприятия должны инвестировать в строительство производства. Чтобы быстро выйти на рынок, необходимы довольно большие деньги. Курьезным образом в мире производство и потребление энергии из ископаемого топлива субсидируется в объеме пяти с половиной триллионов долларов в год, но об этом не говорят. Говорят только о том, как плохо, что мы субсидируем возобновляемую энергетику. Субсидии на возобновляемую энергетику составляет примерно 800 миллиардов долларов в год. Это примерно 20% от денег, которые тратятся на ископаемое топливо. Так что, если отобрать поддержку у ископаемого топлива и пустить ее на возобновляемую энергию, переход можно было бы осуществить намного быстрее», - утверждает Ыунпуу.

К сожалению, здесь определяющими оказываются факторы, не касающиеся науки и техники: в Эстонии тоже поддерживают сланцевую энергетику, поскольку политики опасаются последствий, которые возникнут, если все люди, занятые в сланцевой энергетике, вдруг окажутся без работы.

По мнению Ыунпуу, технология топливного элемента вышла на тот же этап, на котором солнечные батареи были 15 лет назад. «Кто умел думать, видел, что технология работает. Но тогда она была еще в 20 раз дороже, чем сейчас. Никто не верил, что цена снизится, но сегодня с помощью солнечных батарей можно получить самое дешевое электричество. Большая часть технологии солнечных панелей была разработана в Германии и парадоксально, что, поскольку европейцы в это не верили, технологию купили китайцы, и сегодня 75% солнечных батарей производится в Китае. Особенно иронично, что немцы еще долгие годы субсидировали установку китайских солнечных батарей в Германии. Сами упустили эту технологию из рук, а потом доплачивали китайцам. Благодаря эффекту масштаба цена на солнечные батареи снизилась так, что теперь она доступна на рынке без всяких субсидий», - пояснил предприниматель.

Топливный элемент сейчас в той же стадии. Выпуск одного водородного автобуса очень дорог. Но как только будут построены большие заводы по выпуску таких автобусов, цена снизится.

Как работает топливный элемент Elcogen?

Топливный элемент Elcogeni и приз за него. Фото: Eero Vabamägi

Топливный элемент

• Устройство, которое преобразует электрохимическую энергию, используя для производства электроэнергии содержащийся в топливе водород.
• Электричество производится у потребителей в том числе для отопления дома и транспорта. 
• КПД производительности в два или даже три раза выше, чем при обычном производстве электроэнергии. 
• Топливо не сжигается и не происходит ничего механического – только идет электрохимический процесс. 
• Между катодом и анодом находится электролит, электрохимическая реакция начинается, когда есть топливо (вещество, содержащее водород) и правильная температура (650°). 
• В качестве топлива годится, например, природный газ, для транспортировки которого подходит газопровод, который дешевле и надежнее, чем линия электропередач.
• На элемент направляется топливо, а с другой стороны поступает воздух, водород реагирует с кислородом, возникает электрический ток.
• Мощность одного элемента составляет около 25 ватт.
• Для достижения большей мощности собирается батарея топливных элементов.
• Портативные элементы выдают десять, пятьдесят, сто киловатт. Из батарей размером с контейнер можно скомбинировать силовую станцию мощностью до мегаватта.
• Элемент может работать и в обратном направлении: он может производить водород из электричества, таким образом, можно, например, запасать на зиму из водорода энергию солнца и ветра.

Elcogen

• Elcogen AS был основан в 2001 году в Эстонии: он разрабатывает и производит топливные элементы. 
• Дочерняя фирма Elcogen Oy была учреждена в 2009 году в Финляндии: разрабатывает и производит батареи топливных элементов. 
• Топливные элементы производятся из дешевых, широко используемых материалов на стандартных устройствах массового производства.