О практическом использовании водородной энергетики в ФРГ.

В ФРГ осуществляется обширная программа исследований в области водородной энергетики. НИОКР охватывают все направления: от получения водорода, его хранения и транспортировки до использования в качестве топлива на транспорте или для выработки электроэнергии и тепла.

Основное внимание в ФРГ сейчас уделяется практическому использованию результатов осуществляемых научных исследований. Современные разработки в области водородной энергетики при финансовой и организационной поддержке федеральных и местных властей реализуются в опытных установках, предназначенных для эксплуатации в рамках существующей энергетической инфраструктуры. В ФРГ осуществляется 20 проектов, главной задачей которых является промышленное внедрение водородной энергетики в двух больших отраслях - теплоэнергоснабжении (11 проектов) и транспорте (9 проектов).

Среди технологий использования водорода наиболее активно в ФРГ ведутся исследования, связанные с созданием в указанных областях энергетических установок сравнительно небольшой мощности. В области стационарных установок наибольшее распространение в ФРГ получили мини-ТЭЦ электрической и тепловой мощностью приблизительно по 200 кВт, используемые для обеспечения отдельных жилых массивов, а также микроустановки (электрическая мощность - 1 - 5 кВт, тепловая - 3 - 8 кВт), предназначенные для снабжения отдельных домов или квартир.

Все эксплуатируемые в ФРГ экспериментальные стационарные энергоустановки сейчас используют топливные элементы (ТЭ) и предназначены для децентрализованного теплоэнергоснабжения. ТЭ рассматриваются большинством экспертов в качестве одной из основ водородной энергетики. В большинстве случаев исходным сырьем для получения водорода служит природный газ. В ряде проектов предусматривается параллельное использование солнечных батарей или ветроэнергоустановок (ВЭУ). Вырабатываемая дополнительная электроэнергия может использоваться как непосредственно для электроснабжения, так и для питания электролизеров в целях накопления запасов водорода.

Использование природного газа является промежуточным решением, однако, германские специалисты считают, что это позволяет уже сейчас, при отсутствии развитой инфраструктуры снабжения водородом и эффективных методов его получения, отработать технологии для массового использования. При совместном использовании солнечных батарей или ВЭУ в ФРГ осуществляется разработка оптимальных алгоритмов согласования работы всех элементов экспериментальных установок в режимах частичных и пиковых нагрузок.

Примером комплексного использования возобновляемых источников энергии является проект "PHOE-BUS" ("Photovoltaic-Elektrolyse Brennstoffzelle und Systemtechnik"), реализуемый в исследовательском центре Юлих. Одно из подразделений этой организации (информационный центр) круглогодично обеспечивается электроэнергией от солнечных батарей. Кроме того, за счет этой электроэнергии посредством электролиза воды вырабатывается водород, который в летний период накапливается в резервуаре объемом 20 м3 под давлением 15 МПа. Применение аккумуляторов позволяет сглаживать кратковременные пиковые нагрузки. В зимний период для выработки тепла и электричества задействуются топливные элементы, работающие на накопленном летом водороде. Площадь солнечных батарей составляет 312 м2 (пиковая мощность - 43 кВт), а мощность и КПД электролизера - соответственно 26 кВт и 88% (производительность - 6,5 куб. м газа в час). До 1999 г. использовались щелочные ТЭ электрической мощностью 6,5 кВт (КПД - 70%), а суммарный КПД (электролизер, накопитель, ТЭ, инвертор) составлял 45%. С 2000 г. в этой установке применяются ТЭ с полимерным электролитом фирмы "Siemens" мощностью 5,6 кВт (КПД - 58 - 63%).

В Высшей технической школе г. Штральзунд для питания электролизера применяется ВЭУ электрической мощностью 100 кВт. Водород накапливается в сжатом виде под давлением 3 МПа в накопителе объемом 9 м 3. Одной из основных задач этого проекта является разработка системы управления, сочетающей работу ВЭУ и электролизера; для выработки электроэнергии применяется традиционный двигатель внутреннего сгорания (топливо - смесь водорода и природного газа).

В ФРГ осуществляется опытная эксплуатация нескольких водородных ТЭЦ, работающих на ТЭ и предназначенных для децентрализованного тепло- и энергоснабжения жилых массивов и промышленных предприятий. Такие установки работают в городах Гамбург, Биле-фельд, Берлин, Дрезден, Ульм, Нюрнберг, Кельн и Лейпциг.

ТЭЦ в Гамбурге эксплуатировалась до 2000 г. непосредственно в жилой зоне и использовалась для теплоэлектроснабжения ближайшего квартала (это потребовало прохождения полного цикла сертификации и подтверждения безопасности оборудования). Энергостанция включала два блока фосфорнокислотных ТЭ, один из которых работал на магистральном природном газе, а другой - на привозном водороде, хранившемся в криогенном резервуаре объемом 64 м3 (что обеспечивало работу установки с полной нагрузкой в течение двух недель). Электрическая и тепловая мощность обоих ТЭ составляла по 200 кВт. После успешного завершения проекта, подтвердившего возможность безопасной и бесперебойной эксплуатации подобных установок, использовавшиеся в энергостанции ТЭ были переданы на одно из предприятий, располагающее водородом в качестве побочного продукта. Стоимость этого проекта равнялась 1,6 млн.

евро, половина этой суммы предоставлена ЕС.

С начала 2000 г. в Билефельде функционирует экспериментальная установка из 292 модулей ТЭ с расплавленным карбонатом натрия, электрическая мощность, которой составляет 250 кВт (КПД - 52%), а тепловая - 160 кВт. Концепция установки, получившей название "Hot Module", разработана группой компаний, прежде всего "MTU" и "Ruhrgas".

Особенностью конструкции установки является размещение всех ее компонентов в герметичном термоизолированном контейнере, что существенно снижает стоимость установки (в перспективе удельные затраты предполагается снизить до 1,2 тыс. евро за кВт). Рабочая температура составляет 6500 С, что позволяет дополнительно использовать паровую турбину, при этом общий КПД достигает 65% (без нее - 50%). Топливом служит природный газ, который подается непосредственно в ТЭ без предварительного риформинга (получение водорода из природного газа).

Аналогичная установка с 2001 г. работает в г. Бад-Нойштадт. Начало коммерческой эксплуатации установки "Hot Module" намечено на 2003 г. С лета 2000 г. в Берлине осуществляется экспериментальная эксплуатация локальной ТЭЦ на ТЭ с протонообменной мембраной. Главная задача этой программы заключается в отработке технологий комбинированного использования установки (для получения тепла и электричества) в реальных условиях с подключением к районной теплосети.

ТЭ электрической мощностью 250 кВт изготовлены компанией "Ballard Generation Systems", их тепловая мощность составляет 237 кВт, электрический КПД - 40%, а КПД с учетом тепловой энергии - 80%.

Источником водорода служит природный газ, водород также получается электролизом при помощи электроэнергии, вырабатываемой установленными здесь же солнечными батареями. По мнению немецких специалистов, с учетом небольшой мощности таких батарей их работа убедительно демонстрирует принципиальную возможность использования полностью возобновляемых источников энергии.

Вырабатываемая станцией тепловая энергия используется для отопления и горячего водоснабжения расположенного рядом жилого массива, а электроэнергия служит для обеспечения работы размещенной поблизости крупной теплоцентрали. Приблизительное время выхода станции на рабочий режим определяется производительностью риформера (устройства для получения водорода из природного газа) и составляет около 2 ч.

Стоимость этой станции составила примерно 7,5 млн. нем. м. (40% этой суммы было выделено ЕС в рамках программы "Thermie").

В Нюрнберге для комбинированного тепло- и энергоснабжения используется станция на фосфорнокислотных ТЭ американской компании "ONSI" (общая стоимость программы - около 2 млн. нем. м.). Топливом служит природный газ, а электрическая и тепловая мощность составляет соответственно около 200 и 215 кВт. Географическое месторасположение станции было выбрано с возможностью круглогодичного использования выделяющегося тепла, что исключает работу станции с частичной нагрузкой.

Станция входит в энергосистему района из 760 квартир и обеспечивает около 60% общих потребностей в электричестве (около 30% - в тепле). Для отопления жилых домов и горячего водоснабжения вода подается после снижения температуры со 120 до 600 С.

С середины 2000 г. в г. Каменц функционирует установка на фосфорнокислотных ТЭ фирмы "ONSI", электрическая и тепловая мощность которых составляет по 200 кВт. Общая стоимость установки - примерно 3,2 млн. нем. м. (1,5 млн. - средства ЕС в рамках программы "Thermie").

В пригороде Кельна эксплуатируется первая в Европе ТЭЦ, использующая в качестве топлива газ (содержание метана в газе составляет около 65%), выделяющийся при работе расположенных поблизости очистных сооружений. На ней применяются фосфорнокислотные ТЭ компании "ONSI" электрической и тепловой мощностью по 200 кВт, полный КПД ТЭЦ составляет 85%. За счет вырабатываемой электроэнергии удовлетворяется около 50% энергетических потребностей очистных сооружений. Наиболее интересным в данном проекте специалисты считают систему подготовки выделяющегося в отстойниках очистных сооружений газа, который обычно сжигается.

Примечательно, что из примерно 200 эксплуатируемых ТЭ компании "ONSI" данная ТЭЦ является практически единственной, не использующей при работе природный газ. За счет ее работы, согласно подсчетам, ежегодные выбросы в атмосферу диоксида углерода от очистных сооружений снизились примерно на 1000 т. Стоимость данного проекта составила около 2,5 млн.

нем. м.; эксплуатация ТЭЦ началась в 2000 г. и рассчитана на пять лет. В ряде городов ФРГ успешно испытываются установки малой мощности, предназначенные для тепло- и энергоснабжения отдельных домов. Как правило, электрическая мощность таких установок составляет 1 - 5 кВт, а тепловая - 3 - 8 кВт. Топливом служит природный газ, из которого на предварительных стадиях получают водород для питания ТЭ. В последних разработках, в частности центра по изучению солнечной энергии и водорода (г. Ульм) и Фраунгоферовского института солнечных энергосистем (г. Фрайбург), а также компаний "Vaillant" и "Plug Power", используются ТЭ с протонообменной мембраной. Система управления обеспечивает бесперебойную работу установки с высоким КПД в режиме частичных нагрузок. Электрический КПД таких установок достигает, как правило, 35 - 40%, а суммарный (с учетом тепловой энергии) - около 80%.

Предполагаемый срок службы составляет примерно 15 лет при проведении технического обслуживания каждые два года.

Перспективным направлением развития водородной энергетики является транспорт. Проводимые в этой области НИОКР включают разработку эффективных методов получения и хранения водорода, а также создание автоматизированного заправочного оборудования.

Экспериментальная заправочная водородная станция действует в аэропорту г. Мюнхен. Она обеспечивает полностью автоматизированную заправку сжатым водородом автобусов и сжиженным водородом - легковых автомобилей. Газообразный водород получается на месте посредством электролиза и хранится в форме металлогидридов, а сжиженный водород завозится. Стоимость проекта составила 34 млн. нем. м., 50% этой суммы было выделено земельным Министерством экономики, транспорта и технологий.

В Гамбурге проводятся оценки повседневной эксплуатации транспортных средств, работающих на водороде. С этой целью несколько развозных фургонов были переведены на это топливо.

Масштабные исследования осуществляются ведущими автомобильными компаниями. Так, "DaimlerChrysler" в 1992 - 2000 гг. выделила на эти НИОКР более 500 млн. долл. (включая совокупные расходы обеих компаний "Daim-lerBenz" и "Chrysler" до объединения). Совместно с компаниями "Ballard Power Systems" и "Ford Motor" концерном разработаны экспериментальные автомобили "Necar" 3, 4 и 5-й серий, готовится выпуск серии "4A".

"DaimlerChrysler" активно осуществляет разработку автобусов с энергетической установкой на ТЭ. До 2003 г. концерн предполагает выпустить в Европе 30 автобусов следующего поколения (по отношению к эксплуатируемым в настоящее время автобусам "NEBUS"). В Канаде сейчас эксплуатируются 6 автобусов "DaimlerChrysler" с энергетической установкой на ТЭ. Кроме того, еще 20 машин предполагается направить для участия в испытаниях в программе шт. Калифорния по использованию ТЭ.

Компания "Opel" (совместно с фирмами "General Motors" и "Toyota") изучает различные аспекты использования водорода на транспорте. Сейчас для питания ТЭ в автомобилях "Opel" используется сжиженный водород, хранящийся в криогенном резервуаре. В качестве стратегических целей этих НИОКР рассматривается как совершенствование оборудования для получения водорода на борту посредством риформинга бензина, так и поиск новых методов его хранения на борту автомобиля.

Компания "BMW" осуществляет мелкосерийный выпуск автомобилей с двутопливными двигателями внутреннего сгорания, способными работать на водороде и бензине. Кроме того, некоторые из этих машин оснащаются вспомогательными ТЭ мощностью 5 кВт для выработки электроэнергии во время стоянки.

В 2000 - 2001 гг. осуществлялась экспериментальная эксплуатация городского автобуса компании "MAN", оснащенного ТЭ (компании "Siemens-KWU") с протонообменной мембраной. В качестве топлива использовался водород, хранившийся на крыше в сжатом виде в баллонах общим объемом 1530 л. Стоимость проекта составила около 13 млн. нем.

м.; половина этой суммы выделена властями земли Бавария. Разработку городского автобуса с энергетической установкой на ТЭ осуществляет и компания "Neoplan".

Согласно прогнозам, в условиях отсутствия развитой инфраструктуры обеспечения водородом, а также эффективных методов его получения и хранения в текущем десятилетии основное внимание при изучении водородной энергетики в ФРГ будет по-прежнему уделяться отработке технологий использования водорода в расчете на более отдаленную перспективу. Большинство экспертов полагают, что применение природного газа в качестве источника водорода для ТЭ станет одним из промежуточных этапов перехода к более широкому внедрению водородной энергетики.

По мнению германских экспертов, первоначально на рынке стационарных установок для теплоэнергоснабжения появятся энергосистемы, использующие ТЭ типа "PEMFC" (с протонообменной мембраной) и "MCFC" (с расплавленным карбонатом). Электрическая мощность установок первого типа составит до 10 и тепловая - до 14 кВт, а второго типа - соответственно 250 и 200 кВт; к продажам этих установок предполагается приступить в 2004 - 2005 гг. Появление на рынке энергосистем с использованием технологии "SOFC" (твердооксидные ТЭ) ожидается в 2005 - 2006 гг.; электрическая и тепловая мощность этих систем первоначально составит 250 и 150 кВт, а в более отдаленной перспективе - до 1 тыс. кВт.

Использование природного газа вследствие отсутствия постоянных источников водорода является вынужденным решением, причем такая ситуация сохранится в текущем десятилетии. Пока высокая стоимость таких установок препятствует их широкому внедрению. В то же время, по мнению фирм-поставщиков, при массовом выпуске удельные затраты на получение энергии могут снизиться до приемлемого уровня в 1 - 1,3 тыс. евро за кВт.

Использование водорода на транспорте в большей степени, чем в стационарных установках, зависит от поиска новых методов его хранения или получения непосредственно на борту транспортного средства.

Полагают, что с учетом имеющейся инфраструктуры заправочных станций возможными направлениями развития этой технологии в текущем десятилетии являются, во-первых, поиск новых способов хранения водорода и, во-вторых, совершенствование методов его получения из автомобильного бензина или метанола в качестве промежуточного решения. (По материалам Торгово-экономического бюро Посольства РФ в ФРГ).

Автор: АБ.