Приглашаем к участию в XII Всероссийской олимпиаде про нанотехнологиям!
Введение
В последнее время большой практический интерес все чаще стал проявляться к системам энергообеспечения, использующим принцип работы топливного элемента (ТЭ). Основными преимуществами использования ТЭ являются высокий КПД работы (40–70%), экологическая чистота, бесшумность, а также возможность использования в качестве топлива – водорода, являющегося очень удобным энергоносителем, благодаря широким возможностям его генерации [1].
Интерес к таким системам не случаен и обусловлен рядом экономических и социально-политических причин. Как известно, в последнее время наблюдается устойчивая тенденция роста энергопотребления, что удовлетворяется в первую очередь за счет резервного ископаемого топлива, сгорание которого приводит к выбросу газов, ответственных за парниковый эффект и другие загрязнения. Это, в свою очередь, обостряет экологические проблемы, связанные с охраной окружающей среды. Кроме того, эти резервы ограничены и с каждым годом наблюдается тенденция к их уменьшению, что ведет к стремительному росту цен на топливо. Еще одной немаловажной причиной использования энергосистем на основе топливных элементов является возможность их применения в регионах, куда доставка электроэнергии, получаемой традиционными способами, существенно затруднена, например в условиях крайнего севера.
Это все и обуславливает переход к водородной энергетике и ТЭ, в основе использования которых лежит высокая эффективность преобразования водородного топлива и экологическая чистота.
Важно отметить, что развитие водородной энергетики невозможно без применения нанотехнологий. В первую очередь это касается создания высокоэффективных наноструктурированных катализаторов (рис. 1) [2-4] (переход к нанокатализаторам обеспечивает увеличение электрокаталитической активности, снижение расхода металлов платиновой группы и повышение срока службы устройств). Помимо этого нанотехнологии активно используются для получения наноструктурированных мембран [5, 6] (применяющихся в системах получения и очистки водорода, а также в водородных сенсорах) и нанопокрытий для пассивных элементов водородной безопасности. Следует отметить использование нанотехнологий при получении наноразмерных материалов, являющихся основой водородных аккумуляторов с высокой емкостью по водороду [7, 8].
Водородная энергетика может быть эффективно использована в совокупности с другими способами генерации энергии, например с солнечными батареями и ветряными турбинами. Таким образом, за счет комбинации различных способов генерации энергии может быть реализован проект экологического дома («Экодома»), в основе функционирования которого заложены весьма актуальные на данный момент принципы: экологическая чистота (отказ от использования ископаемых топлив) и самогенерация энергии в условиях окружающей среды.
Водородный «бум»
Последнее время в средствах массовой информации (газеты, телевидение, интернет и т.д.) довольно часто можно встретить термины: «Водородная энергетика», «Водородные технологии», «Водородная экономика», «Водородный дом» и т.д., - порой непонятные обычному человеку. Почему именно «ВОДОРОД»?!! И как «Водородная энергетика» сможет отразиться жизни человека в целом?
В отличие от ископаемых топлив водород не является первичным источником энергии. Это только энергоноситель. Как продемонстрировано на рис. 2, он может генерироваться на основе базовых природных энергоисточников: уголь, газ, нефть, биомасса и т.д. Однако современные тенденции производства водорода ориентированы преимущественно на возобновляемые источники, включающие генерацию водорода при электролизе воды за счет использования энергии Солнца, Мирового океана и ветра.
Следует отметить, что использование водорода в качестве топлива неразрывно связано с ТЭ (рис. 3), обладающими широким спектром применения в качестве генераторов энергии, начиная от источников питания портативных устройств (рис. 4)[9] и заканчивая стационарными электрогенераторами для энергообеспечения жилья и нужд промышленности (рис.5) [10, 11].
Таким образом, связка водорода и электричества предоставляет одну из наиболее перспективных возможностей создания устойчивой энергетики, при этом ТЭ оказываются наиболее подходящими устройствами для преобразования химической энергии водорода в электроэнергию. Переориентируя экономику на использование «водородных технологий», мы предполагаем переход на качественно новый уровень, связанный с отказом от традиционных «ископаемых» источников энергии (тем самым способствуя улучшению экологической ситуации) и внедрением водорода в бытовую сферу жизни человека, как основного энергоносителя.
Дом на возобновляемом топливе
«Экодом» представляет собой комплексную энергонезависимую от внешних источников энергии систему, способную самостоятельно генерировать и аккумулировать электроэнергию в количествах достаточных для автономного обеспечения электрической и тепловой энергией повседневной жизни человека.
Основными составляющими «Экодома» (рис. 6) являются:
- Генераторы энергии на основе солнечных батарей;
- Генераторы энергии на основе ветряных турбин;
- Система подачи воды;
- Электролизер;
- Металлогидридный аккумулятор водорода;
- Энергоустановка на основе ТЭ;
- Вспомогательные системы отвода и распределения тепловой энергии;
- Компрессорная система подачи топлива/воздуха к энергоустановке ТЭ.
В дневное время с помощью панелей солнечных батарей, установленных на крыше здания, и ветряных турбин генерируется электроэнергия, которая обеспечивает работу бытовых электроприборов.
В основе действия солнечной батареи лежит принцип работы фотоэлемента (ФЭ), способного преобразовывать падающее на него световое излучение в электрический ток [12]. Благодаря развитию нанотехнологий, одним из многобещающих кандидатов для солнечных батарей стала конструкция ФЭ на пучках кремниевой нанопроволоки, предложенная учеными Массачусеттского Института Технологии (MIT) [13]. ФЭ новой конструкции состоит из пучков p-n кремниевых нанопроволок, каждая из которых имеет сердцевину и наружный слой (рис. 7). При этом наружный, более темный, слой является кремнием n-типа с добавками фосфора для поглощения электронов, а сердцевина (более светлая) представляет собой кремний p-типа, в который добавлен бор, как донор электронов. Таким образом, каждая из нанопроволочек в пучке имеет p-n переход и является нано-ФЭ.
Кремниевые ФЭ на нанопроволоках имеют гораздо более короткие p-n переходы, чем тонкопленочные. В нанопроволоке, возбужденные светом электроны и дырки (носители) проходят очень короткие дистанции перед тем, как попадают на электроды. Это означает более высокую эффективность улавливания носителей заряда в системе сердечник-оболочка нанопроволоки, что в свою очередь, означает большую устойчивость к дефектам материала и позволяет использовать кремний более низкого качества.
Конструктивно солнечная батарея представляет собой плоскую панель, состоящую из размещенных вплотную ФЭ и электрических соединений, защищенную с лицевой стороны прозрачным твердым покрытием. Число ФЭ в батарее может быть различным, от нескольких десятков до нескольких тысяч. Площадь панели у больших промышленных солнечных батарей может достигать тысячи квадратных метров, а максимальная генерируемая мощность - десятков киловатт. Особенно эффективны эти батареи в регионах с относительно большим числом солнечных дней в году.
Стоимость вырабатываемой энергии с помощью солнечных батарей составляет около ,1/Вт. Применение нанотехнологий при массовом производстве солнечных батарей, согласно некоторым оценкам [14], позволит понизить эту величину до ,3/Вт.
В обычный летний день солнечные батареи способны давать до 90 кВт/час. Среднестатистическое потребление электроэнергии семьи из 3-4 человек – около 10 кВт/час. Таким образом, «излишки» электроэнергии можно аккумулировать с помощью электролизера, запасая ее в виде газа – водорода.
Как известно, водород - горючий и взрывоопасный газ. В зависимости от области использования водорода предъявляют различные требования к системам его хранения [15]. Для портативной и мобильной техники необходимы низкая масса системы хранения (соответственно, высокое массовое содержание хранимого водорода) и небольшой объем контейнера (высокая объемная плотность хранимого водорода). Поэтому газобаллонные и криогенные системы хранения для этих целей вряд ли перспективны и наибольший интерес вызывают системы хранения водорода в связанном виде – в адсорбированном или химически связанном состояниях. К сожалению, водородсорбционная емкость известных в настоящее время адсорбентов водорода при температуре окружающей среды слишком мала, чтобы говорить о перспективности абсорбционного метода хранения водорода для портативных приложений.
Все материалы для хранения химически необратимо связанного водорода можно разделить на две группы. К первой относятся вещества (например, аммиак, спирты, углеводороды и гидриды металлов), содержащие в своем составе водород и способные при повышенной температуре и действии катализатора выделять его. Из-за сложности организации процесса генерирования водорода этот метод пока недостаточно проработан. Ко второй группе относятся энергоаккумулирующие вещества (такие, как активированные алюминий и кремний, гидриды щелочных и щелочноземельных металлов), способные генерировать его в процессе окисления водой даже при комнатной температуре. Этот метод весьма перспективен для создания портативных источников водорода, но пока недостаточно проработан. Основное преимущество хранения и транспортировки водорода в химически связанном состоянии − высокая объемная (~100 кг/м3) и массовая (>10 мас.%) плотность хранимого водорода, основной недостаток – невозможность многократного использования среды хранения водорода.
Наиболее перспективным методом хранения и транспортировки химически обратимо связанного водорода является металлогидридный способ (Таблица 1) - в форме гидридов металлов [16, 17] и интерметаллических соединений [18]. Основными достоинствами этого метода являются высокие объемные плотности атомов водорода в матрице металла, широкий диапазон рабочих давлений и температур, селективность процесса поглощения водорода и целый ряд других особенностей. Кроме того основным преимуществом гидридного метода хранения водорода является компактность. Объемная плотность упаковки водорода в металлогидридах (0,09–0,19 г/см3) превышает плотность жидкого водорода (0,07 г/см3), т.е. в гидриде находится больше водорода, чем в том же объеме жидкого водорода. Другое преимущество металлогидридного метода хранения водорода – высокая безопасность из-за невысокого давления водорода.
Таблица 1.
Перспективные для аккумулирования водорода металлические материалы [15].
Материал |
Состав |
Рабочий интервал |
H, масс.% |
|
T, oC |
P, атм |
|||
Металлы |
Mg |
300 - 400 |
1 - 10 |
7.6 |
V |
0 - 200 |
1 - 200 |
2…3.5 |
|
Ti |
500 - 600 |
1 - 10 |
4.0 |
|
Интерметал-лические соединения |
AB5 (A - La, Mm, Ca; B - Ni, Al, Co, Sn) |
0 - 200 |
0.1 - 150 |
1.2-1.5 |
AB2 (A - Ti, Zr; |
–70 - 150 |
0.1 - 250 |
1.5-2.5 |
|
AB (A - Ti,Zr; B - Fe,Ni) |
0 - 150 |
1 - 100 |
1.7-2.0 |
|
Сплавы |
На основе Mg:Mg-Ni, Mg-Ni-RE |
250 - 400 |
1 - 10 |
4-7 |
На основе V: V-Cr-Mn |
0 - 200 |
1 - 150 |
1.8-3.7 |
|
На основе Ti: Ti-Al-Ni |
200 - 600 |
1 - 10 |
3-5 |
|
На основе Al: Al-Ti-Ni |
200 - 600 |
1 - 10 |
3-10 |
В темное время суток солнечные батареи, как известно, не работают, таким образом генерацию электроэнергии должна обеспечить энергоустановка на ТЭ (рис. 8) [19], работающая на ранее запасенном водороде, который с помощью компрессорной системы будет подаваться в топливный элемент.
ТЭ на основе твердополимерных протонных электролитах [1, 20, 21], часто называемых протонобменными мембранами (Proton Exchange Membrane - PEM), являются одними из наиболее эффективных устройств, преобразующих химическую энергию в электрическую. Единичная топливная ячейка состоит пористых электродов (анода и катода), разделяемых газоплотной протонпроводящей мембраной (рис. 9). Такая система, собранная вместе, носит название мембранно-электродный блок (МЭБ). Водород и/или углеводородное топливо реагирует на анодной стороне, в то время как с кислород (из воздуха) – на катодной. В результате этих реакций во внешней цепи возникает постоянный ток. При этом единственным продуктом реакции является вода. ТЭ на основе PEM способны развивать высокую удельную мощность (плотность тока до 2 А/см2). Кроме того, они характеризуются высокой динамичностью при работе – практически моментально после включения выходят на режим с номинальной мощностью. Величина мощности может варьироваться от нескольких мкВт, до нескольких сотен Вт в зависимости от конструкции и назначения ТЭ.
Согласно отчету, составленному в Национальной лаборатории возобновляемой энергии (США) в 2005 году [19], оценочная стоимость киловатта энергии водородного топливного элемента составила 5/кВт. Из анализа стоимости компонентов топливных элементов, проведенным Министерством энергетики США (DOE) [22], наиболее дорогостоящим компонентом ТЭ являются электроды, содержащие платиновые катализаторы. Их доля в суммарной стоимости ТЭ в период с 2004 по 2007 год выросла с 30 до 57 % (рис. 10). Кроме того, темп роста стоимости катализаторов достаточно высок, это обусловлено с одной стороны, ростом цен на металлы платиновой группы, и тенденцией к увеличению загрузки платины в ТЭ. Таким образом, основной задачей стоящей на пути внедрения и коммерциализации топливных элементов является создание эффективных и недорогих катализаторов.
Возвращаясь к функционированию «Экодома» следует обратить внимание на тепловую энергию, вырабатываемую в процессе работы топливного элемента. Она может быть эффективно использоваться с помощью системы распределения тепла, поступая на обогрев жилых помещений дома, а также обеспечивая помимо этого наличие горячей воды в системе водопровода.
Дополнительным усовершенствованием «Экодома» может служить резервная система заряженных аккумуляторов. В случае непредвиденной поломки всех электрогенераторов (что маловероятно) она сможет обеспечить дом необходимыми киловаттчасами пару–тройку дней.
Заключение
К сожалению, на данный момент очень сложно произвести грамотную экономическую оценку такого проекта, так как очень многое определяется доступностью и дешевизной той или иной технологии. Часть технологий, которые упоминаются в проекте «Экодома», все еще остаются достаточно дорогими для их коммерциализации. Но не все так пессимистично, как кажется на первый взгляд, благодаря реализации научных программ, связанных с развитием наноиндустрии, возможен переход к качественно новым, более эффективным и экономичным технологиям, являющихся конкурентоспособными на мировом рынке. Однако без должного финансирования науки этот процесс может затянуться на десятки лет.
Список использованной литературы
- M. Winter, R. Brodd. What Are Batteries, Fuel Cells, and Supercapacitors? // Chem. Rev. 2004, 104, 4245-4269
- S. Mukerjee, J. McBreen. Effect of particle size on the electrocatalysis by carbonsupported Pt electrocatalysts: an in situ XAS investigation // J. Electroanal. Chem. 1998, 448,163–71.
- X. Sun, R. Li, D. Villers, J.P. Dodelet, S. Desilets. Composite electrodes made of Pt nanoparticles deposited on carbon nanotubes grown on fuel cell backings // Chemical Physics Letters. 2003, 379, 99–104.
- N.R.K. Vilambi Reddy, E.B. Anderson, E.J. Taylor, High utilization supported catalytic metal-containing gas-diffusion electrode, process for making it, and cells utilizing it, US Pat. No.5,084,144 (1992).
- K.-D. Kreuer. Proton Conductivity: Materials and Applications // Chem. Mater. 1996, 8, 610-641.
- M.A. Hickner, H. Ghassemi, Y.S. Kim, B.R. Einsla, J.E. McGrath. Alternative Polymer Systems for Proton Exchange Membranes (PEMs) // Chem. Rev. 2004, 104, 4587-4612.
- M.U. Niemann, S.S. Srinivasan, A.R. Phani, A. Kumar, D.Y. Goswami, E.K. Stefanakos. Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications: A Review // Journal of Nanomaterials. 2008, p. 1-9.
- I. Okonska, M. Nowak, E. Jankowska, M. Jurczyk. Hydrogen storage by Mg-based nanomaterials // Reviews on advanced materials science. 2008, 18, 628-632.
- S. Moghaddama, E. Pengwang, R.I. Masel, M.A. Shannon. A self-regulating hydrogen generator for micro fuel cells // Journal of Power Sources. 2008, 185, 445–450.
- http://www.fp7-energy.ru/
- http://www.niiset.ru/projects/hydrogen/stateu/
- http://www.home-powerplant.com/solar/poluprovodnikovye-solnechnye-batarei/
- http://www.nanonewsnet.ru/articles/2008/fotoelementy-dlya-solnechnykh-batarei-na-kremnievoi-nanoprovoloke
- http://silicon.in.ua/content/view/113/1/
- Б.П. Тарасов. Проблемы и перспективы создания материалов для хранения водорода в связанном состоянии. // Альтернативная энергетика и экология.2006,
№ 2. С. 11–17. - Дуля М.С., Фокин В.Н., Тарасов Б.П. Термическая стабильность AlH3, допированного гидридами и амидами металлов при механохимической обработке.// Альтернативная энергетика и экология. 2007. № 9. С. 25–29.
- Борисов Д.Н. Водород-аккумулирующие сплавы и композиты на основе магния. // Альтернативная энергетика и экология. 2008. № 2. С. 33–38.
- Tarasov B.P., Fursikov P.V., Borisov D.N., Lototsky M.V., Yartys V.A., Pedersen Allan Schrøder. Metallography and hydrogenation behaviour of the alloy Mg-72 mass%–Ni-20 mass%–La-8 mass%. // J. Alloys and Compounds. 2007. V. 446–447. P. 183–187.
- E.J. Carlson, P. Kopf, J. Sinha, S. Sriramulu, and Y. Yang Cost Analysis of PEM Fuel Cell Systems for Transportation // Cambridge, Massachusetts 2005.
- S.M. Haile. Fuel cell materials and components // Acta Materialia. 2003, 51, 5981–6000
- Н.В. Коровин. Топливные элементы и электрохимические энергоустановки: состояние развития и проблемы // Альтернативная энергетика и экология. 2004. № 10. С. 8–14.
- http://www.hydrogen.energy.gov