О перспективе производства электроэнергии из угля с применением электростанций на основе твердооксидных топливных элементов

Основа любой безопасности – энергетическая безопасность, основа энергетической безопасности России – ее угольная промышленность.

Уголь и сегодня, как и 300 лет назад, остается основным энергоносителем и сохранит свою роль в течение ближайших 70-100 лет или более, так как в обозримом будущем этому обстоятельству альтернативы нет.

В обоснование данного утверждения можно привести ряд фактов.

Сегодня в мире потребляется около восьми миллиардов тонн угля, что превосходит по теплоте сгорания другие источники – нефть и нефтепродукты, газ, ядерное топливо, электроэнергию ГЭС и прочие. Из угля производится 40 процентов мирового объема электроэнергии (больше, чем из любого другого энергоносителя), и по прогнозам специалистов в ближайшие 40 лет этот процент будет расти и в абсолютном, и в относительном выражении. Также, по прогнозам экспертов, будет расти доля угля в объеме первичной энергии, и к 2050 году достигнет 50 процентов от общего объема производства энергии – или, в абсолютном выражении, увеличится более чем в два раза. И это объективный процесс, поскольку удельная энергоемкость угля (отношение удельной теплоты сгорания к стоимости единицы веса, кВт·ч/$) самая высокая, что легко подтвердить расчетами.

Кроме того, заключенная в угле энергия и наиболее сконцентрирована, а значит – и наиболее качественная, что подтверждается сравнением значений удельной энергоемкости энергоносителей из расчета на единицу объема (кВт·ч/м3).

Исключение составляет ядерное топливо. Но у массово применяемых реакторов с уран-плутониевым циклом на тепловых нейтронах крайне низкая эффективность использования топлива (малая глубина выгорания топлива) и, как следствие, большие удельные затраты на переработку и хранение отработанного ядерного топлива. В силу чего себестоимость производимой на АЭС электроэнергии относительно высокая.

Поскольку последние годы бурно развиваются электромобили и дата-центры, потребляющие электроэнергию во все возрастающих количествах, значительно опережающих темпы роста производства электроэнергии, остается вопрос – какой из способов преобразования угля, нефти или газа в электроэнергию наиболее эффективный.

Ответ известен – активные химические источники тока, осуществляющие прямое преобразование энергии химических связей топлива в электроэнергию и имеющие электрический КПД в 2-2.5 раза выше, чем у тепловых электростанций с паровыми или газовыми турбинами и турбогенераторами. А из множества топливных элементов наиболее эффективны твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ, Solid-oxide fuel cells, SOFC).

Причины очевидны: ТОТЭ обладают наивысшим из топливных элементов электрическим КПД (60-70%), всеядны – работают на угле и на всех видах углеводородного топлива, и высокоэкологичны.

По свидетельству ведущих разработчиков и производителей топливных элементов Rolls-Royce Plc, General Electric, Westinghouse Electric, Siemens, Toyota и других, твердооксидные топливные элементы являются самым перспективным решением для электроэнергетики будущего – как для стационарного производства электроэнергии, так и для мобильных применений, для морского, железнодорожного, автомобильного и авиационного транспорта.

Вместе с тем, производство твердооксидных топливных элементов развивается со скрипом, а Rolls-Royce, General Electric, Westinghouse Electric, Siemens и другие продолжают массово производить для энергетики газовые и паровые турбины.

Причины, препятствующие широкому использованию твердооксидных топливных элементов, известны.

На текущий момент для производства ключевого элемента ТОТЭ – электролита (кислородопроводящей мембраны) – применяется керамика из оксида циркония, легированного оксидом иттрия (YSZ). Низкие прочностные свойства керамики требуют достаточно большой толщины электролита (150-200 мкм). Чтобы при такой толщине электролита обеспечить достаточную плотность ионного (О 2 -) тока, необходимо греть электролит до температур 850-900°С, что при быстром нагреве может привести к быстрому разрушению электролита из-за различия коэффициентов теплового расширения электролита, анода и катода, и в силу этого требует постепенного длительного (5-8 часов) выхода на рабочий режим.

Второе дыхание у твердооксидных топливных элементов откроется с применением электролита из тонкопленочного монокристаллического майенита (Ca 24 Al 28 O 66 ), который имеет достаточные прочностные свойства при толщине 20 и даже 10 микрон, не испытывает проблем при быстром нагреве и, в силу уникальности своей структуры, обладает иным, чем керамика, более эффективным механизмом ионной проводимости, за счет чего способен обеспечить на порядок более высокую, чем YSZ, удельную ионную проводимость.

С внедрением в промышленных масштабах производства электроэнергии с применением перспективных твердооксидных топливных элементов, себестоимость электроэнергии, производимой на твердооксидных топливных элементах из водоугольной суспензии с содержанием С:Н 2 О в молярном отношении 1:1 можно снизить до 15-20 копеек за кВт·час, при стоимости установочной мощности ~ $100/кВт.

К тому же в результате замены всех паровых и газовых турбин с электрогенераторами на электростанции на ТОТЭ производство электроэнергии удвоится, при том, что объем потребляемых газа и угля не увеличится. В силу чего в ближайшие 15-20 лет замена турбин с турбогенераторами на электростанции на твердооксидных топливных элементах произойдет закономерно.

Необходимо также отметить, что производство электроэнергии с применением твердооксидных топливных элементов, несмотря на то, что топливом служит уголь, не представляет экологическую угрозу для человечества. Для электростанций на твердооксидных топливных элементах нет, как для ТЭС, проблемы извлечения углекислого газа из дыма, CO 2 можно без проблем собирать и в присутствии никелевого катализатора преобразовывать в карбонат кальция. В результате углекислый газ может храниться в самой безопасной из всех возможных форм – в виде карбоната кальция, простого мела, который составляет четыре процента массы Земной коры и уже хранит 1.5×1015 тонн углекислого газа.

Оценивая перспективу угля, следует заметить, что топливо для твердооксидных топливных элементов – синтез-газ – можно производить не только из угля, но и из природного газа и из нефти, но при этом его стоимость, даже при внутренних ценах на нефть и газ, будет в 1,5-2 раза выше, чем из угля.

Следует также учитывать, что мировые запасы нефти и природного газа в совокупности в 30 раз меньше мировых запасов угля, к тому же месторождения угля залегают значительно ближе к поверхности Земли, что облегчает его добычу. Доступные запасы энергии в угле огромны. Запасы только Тунгусского и Ленского угольных бассейнов составляют около восьми триллионов тонн угля, что по энергосодержанию в десятки раз превосходит мировые запасы энергии в нефти и газе.

Все эти факторы будут способствовать сохранению доминирующей роли угля.

Поэтому уголь был, есть и на ближайшие как минимум 100 лет останется основным источником для производства электроэнергии – не только в мире, где сегодня более 40 процентов электроэнергии вырабатывается из угля, но и в России, где сегодня лишь 17 процентов электроэнергии вырабатывается из угля. Спад на текущий момент спроса на уголь на мировом и внутреннем рынке – явление временное, которое продлится максимум 10 лет, до начала массового внедрения электростанций на твердооксидных топливных элементах.

Центром разработки и внедрения электролита на основе тонкопленочного монокристаллического майенита и других инновационных технологий при производстве твердооксидных топливных элементов в России является Новосибирск в лице таких предприятий и учреждений как НЭВЗ-СОЮЗ, НЭВЗ-Керамикс, Институт силовой электроники НГТУ-НЭТИ, Институт катализа, Институт гидродинамики, Институт неорганической химии, Институт теплофизики, Институт химии твердого тела и механохимии и другие.

В то же время, несмотря на высокие научно-технические достижения российских разработчиков топливных элементов, доля электростанций на топливных элементах в общем объеме электрогенерирующих мощностей в России ничтожна.

Возможность внедрения в России электростанций на ТОТЭ с минимальными затратами можно оценить исходя из количества электроэнергии, производимого тепловыми электростанциями (ТЭС) суммарной установочной мощности около 200 ГВт.

Форсирование разработки и внедрения электростанций на твердооксидных топливных элементах – главный стимул сохранения приоритета угля как основного энергоносителя для производства электроэнергии и обеспечения опережающего развития угольной отрасли. Для России это особенно актуально.

Обеспечить приоритет России в производстве электроэнергии из угля можно только ускоренной разработкой серийных образцов электростанций на твердооксидных топливных элементах с тонкопленочным электролитом с применением технологии производства микросхем, отработанной на предприятиях микроэлектроники, что позволит существенно снизить стоимость установочной мощности электростанций на ТОТЭ и сделает проект быстро окупаемым и более привлекательным для инвесторов.

Фактически стоит вопрос о создании новой отрасли – производства электроэнергии из угля с применением электростанций на твердооксидных топливных элементах, которая позволит России подняться из экономической ямы, в которой она находится.

Олег Глебович Сосунов, заведующий лабораторией перспективных материалов и технологий Института силовой электроники НГТУ-НЭТИ