Ця стаття - історичний нарис про розвиток технологій паливних елементів в Україні та короткий опис відповідної державної програми. Україна мала багаторічний позитивний досвід роботи з паливними елементами як завдяки зусиллям Оганеса Давтяна, починаючи з 50-их років 20-го століття, яким пізніше стали на заваді політичні події 70-их років, так і завдяки сприятливим умовам, що базуються на досягненнях сучасних високих технологій (наприклад, нанопорошки цирконій ангідриду та інших оксидних порошків, матеріали для взаємозв'язку, мікротурбіни, виробництво водню, газифікація власних покладів вугілля, циркон-піску та скандієвих руд, добре розвинуте виробництво газових турбін та іншого обладнання).
Технологія паливних елементів здійснила революцію в споживанні енергії. Люди повинні зрозуміти, що виробляючи тепло й електроенергію традиційними способами з вуглеводневого палива, вони можуть використати лише близько третини тієї енергії, що міститься в паливі, а решта просто втрачається. Це означає, що люди повинні задовольнитись лише однією третиною всіх органічних видів палива, що зараз використовуються. Паливні елементи, особливо твердооксидний та розплавлено-карбонатний типи, дають унікальну можливість використовувати цю втрачену частку енергії в дуже гнучкій формі – у формі електроенергії. Крім істотної економії енергії, паливні елементи дозволяють серйозно зменшити шкідливі викиди забрудників, типові для електростанцій і транспорту на двигунах внутрішнього згорання. Тут доречно привести один красномовний приклад. Коли компанію DaimlerChrysler запитали про їх бачення майбутнього, їх відповідь виявилася наступною: "Передбачаючи майбутні потреби, компанія DaimlerChrysler вже сьогодні запустила велику кількість транспортних засобів на паливних елементах, що успішно проходять практичну перевірку на довговічність", що супроводжувалося символічною ілюстрацією, де колібрі пив воду з вихлопної труби автомобіля [1].
Малюнок 1. O.K. Давтян зі своєю дружиною та колегою Є. Мисюк.
Колишній віце-президент США Альберт Гор, не називаючи конкретної дати, сказав, що прогрес в технології та дослідженнях паливних елементів навів його на думку, що бензиновий двигун може бути замінений двигуном на паливних елементах до 2017 року. Він передбачив, що саме технології паливних елементів дозволять скоротити споживання іноземної нафти Сполученими Штатами, зменшити забруднення чистого повітря, і, з рештою, зробити дороги безпечнішими [2]. Розвинуті країни активно впроваджують численні технології, засновані на використанні паливних елементів, і вже виводять їх на шлях поточного використання в численних сферах застосування. А як щодо України? Якщо говорити про нинішню ситуацію відверто, вираз "близько до нуля" буде дуже щедрою оцінкою. А в минулому? Яка історія цього питання в Україні? Робота Національної програми з використання паливних елементів, започаткована мною особисто, людиною, яка раніше працювала у сфері цирконової будівельної кераміки, вилилася в драматичну та хвилюючу істоію, яку варто покласти в основу гостросюжетної книги або фільму. Мої найглибші знання говорять, що початок українським паливним елементам поклав видатний, але відомий лише у вузьких колах, вірменський та український вчений – професор Оганес Давтян (1911-1990, мал. 1) у 1953 році в Одеському національному університеті ім. Мечникова на посаді голови кафедри фізичної хімії.
Оганес Давтян - батько українських паливних елементів; українські паливні елементи були вперше створені в Одесі. Оганес Карапетович Давтян народився 15 квітня 1911 року у Вірменії, в селі Ахурян. Одержав освіту в Єреванському та Московському університетах. В 1938 році в Московському нафтовому інституті одержав докторський ступінь у галузі хімії за роботу "Теорія про асоціацію молекул". Він продовжив свою діяльність в Московському енергетичному інституті, де Давтян отримав ступінь доктора технічних наук у 1944 році за роботу "Проблеми прямого перетворення хімічної енергії палива в електричну енергію". У 1947 році Давтян видав однойменну книгу, яка була першою у світі книгою про теорію та технологію паливних елементів [3]. Після декількох років гонінь починаючи з 1945 року з боку колишнього Радянського Союзу (після Москви Давтян працював у Казані, Єревані та Вільнюсі, де він страждав від політичних переслідувань за квантову хімію, яка вважалась «буржуазною» наукою, «продажною дівкою імперіалізму» в тогочасному Радянському Союзі), Оганес Давтян отримав принаймні посаду голови кафедри фізичної хімії в Одеському університеті 3 липня 1953 року, де він започаткував роботу над паливними елементами («елементи Давтяна»). Його діяльність була всебічно підтримана українським урядом на чолі з Петром Шелестом спеціальним актом N67 (20 січня 1962 року) через заснування спеціальної лабораторії для паливних елементів. На відміну від сьогоднішнього, урядове фінансування було величезним, воно дозволяло побудувати спеціальну лабораторію, конструкторське бюро, цех і т.д. Давтян займався твердооксидними, розплавлено-карбонатними, лужними паливними елементами. Лабораторія, очолена Давтяном, розробила наступне:
-
Дешеві каталізатори для водневих та кисневих електродів на основі оксидів La, Co, Ni, Ti та ін;
-
Конструкцію та технологію водневих і кисневих електродів;
-
Конструкцію батарей паливних елементів та технологію її виробництва;
-
Автоматичний контроль батареї паливних елементів;
Варто зазначити, що команда Давтяна зробила воднево-кисневий лужний паливний елемент потужністю 200 W в 1962 році (мал. 2). Температура робочого газу 170° C, тиск 20 атм. Вони також розробили паливні елементи, які могли працювати за температури 700° С з твердим іонноим провідником в якості електроліту. Давтян додав монацитовий пісок до суміші карбонату натрію, триоксиду вольфраму та натрієвого скла "в цілях підвищення провідності і механічної міцності". Броерс і Кателаар випробували електроліт Давтяна в 1960 р., і встановили, що цей електроліт має дві фази: рідку фазу, що складається з карбонатів, фосфатів, силікатів і вольфраматів, та тверду фазу на основі рідкоземельних металів [4]. Після цього батареї потужністю в 1 кВт, 5 кВт, які не вимагали дорогих благородних металів для своєї роботи, були розроблені і виготовлені для атомних електростанцій для роботи за максимальних навантаженнь. На їх основі послідовники Давтяна розробили гібридні двигуни для автомобілів (з паливних елементів та двигунів внутрішнього згоряння), співпрацюючи з Єреваном, Вірменія, та Черкасами, Україна. За роботу в галузі паливних елементів Оганес Давтян був номінований на Нобелівську премію Чеською академією наук. На жаль, ці зусилля не зрозуміли та не підтримали. Читайте більш детальну інформацію про діяльність Оганеса Давтяна в галузі паливних елементів тут [5].
Малюнок 2. Батарея воднево-кисневих лужних паливних елементів Давтяна потужністю 200 W.
Окрім українських паливних елементів, професор Оганес Давтян став одним із засновників квантової хімії в країнах колишнього Радянського Союзу і написав перший радянський підручник з квантової хімії, який він видав 1962 році. Після переїзду О. Давтяна з Одеси до Єревану в 1968 році у нього більше не було можливості продовжувати свою експериментальну роботу в галузі паливних елементів. Оскільки спектр його інтересів був дуже широким, Давтян зосередив свою увагу на теоретичній фізиці та, як наслідок, створив універсальну "Теорію фундаментального поля", яка остаточно покладе край моделі Всесвіту та існуючого Бога як Надсвідомості Всесвіту [6]. Дуже важливо, що О. Давтян розглядає принцип дії паливних елементів як основу людської інтелектуальної та рухової активності, маючи на увазі, що, наприклад, фосфор і кисень реагують в аденозин-три-фосфатній молекулі клітини тіла, а нейрони виробляють електрику та забезпечують механічний рух . Метастійкі аденозин-три-фосфатні молекули розпадаються на дві стабільні аденозин-дифосфатні молекули та фосфат-іони. "Ефективність такого перетворення найвища, як і в паливних елементах" [7]. А тепер коротко про сучасну українську історію розвитку паливних елементів. Грунтуючись на багаторічному позитивному досвіді у галузі виробництва нанопорошків діоксиду цирконію з різних стабілізаторів, наприклад, з оксиду ітрію, оксиду кальцію, оксиду скандію і т.д. та діоксидцирконієвої кераміки [8, 9], перша українська демонстраційна модель цирконієвого паливного елемента була зроблена та представлена 22 січня 2002 [10 - 12]. Вона розвивала електрорушійну силу в 0,85 V і 0,5 V при безпосередньому горінні пропану та етилового спирту відповідно.
Малюнок 3. Структура тонкої плівки трансформатора першого українського цирконієвого паливного елемента. На лівій частині знімку показано LSM катод завтовшки 10 μм та його поверхню, далі - щільний твердий електроліт YSZ товщиною 60-70 μм з кількома ізольованими порами; на правій частині показано високопористий діоксид цирконію - нікелевий анод.Скануючий електронний мікроскоп Superprobe 733, JEOL.
Тепер за сприяння українського парламенту діє Національна програма "Паливні елементи" строком на 10 років [13]. У цій програмі паливні елементи на основі діоксиду цирконію розглядаються як дуже перспективні для України, враховуючи значні переваги її геологічного положення. Вони найбільш ефективні та надійні, не потребують благородних металів і можуть використовувати практично всі види органічного палива. Паливні елементи з мембраною полімерного протонного обміну також будуть розроблені для кількох цілей.
Мета програми «Паливні елементи» - консолідація зусиль українського суспільства для прискорення розвитку технологій паливних елементів. Її створення викликане необхідністю суттєвого поліпшення ефективності органічного палива, в першу чергу, природного газу і нафти, перехід до використання переважно синтетичного газу з вугілля при виробництві електроенергії; ізоляція забрудників - CO2, NOх, SOх т.д., які виробляються на електростанціях та у двигунах внутрішнього згоряння (ДВЗ).Паливні елементи стимулюють розвиток суміжних галузей економіки, наприклад, точної технічної кераміки, транспорту і т.д. Програма "Паливні елементи" саморозвивається. Вона складається з 8 окремих незалежних розділів. Рухаючись у правильному напрямку, можна дістатися кінцевої мети. Перший - "будівельний блок" - наукова та технологічна програма, яка визначить подальший розвиток програми «Паливні елементи» в цілому.
Аналіз стану розвитку технологій паливних елементів в Україні та світі показує, що різниця між Україною та іншими розвинутими країнами існує, але з точки зору наукових і технічних досягнень ця різниця незначна. Найбільш різка відмінність в їх практичному застосуванні. Але її можна швидко позбутися, якщо наукові та промислові сили об'єднаються та будуть фінансово підтримані. Національна програма "Паливні елементи" спрямована на усунення розриву між різними науковими досягненнями, об'єднання їх для розробки паливних елементів та їх використання. Розділи Національної програми "Паливні елементи" такі (мал. 4):
Малюнок 4. Структура української Національної програми "Паливні елементи".
Технології паливних елементів.Ця академічна наукова та технологічна программа - перший розділ Національної програми, згідно з яким будуть розроблені зразки паливних елементів, системи підготовки палива, за п 'ять років буде здійснена їх перевірка та оптимізація. Протягом цього часу інші блоки Національної програми будуть ретельно розроблені, а відносини між ними будуть скоординовані. Будуть здійснені маркетингові дослідження, встановлені взаємини з іншими розвинутими країнами. Проводитимуться наукові наради і докладені зусилля, спрямовані на створення схвальної громадської думки.
Виробництво паливних елементів. Планується розробка і виробництво декількох типів паливних елементів для виробництва електричної та теплової енергії, які підійдуть для роботи з централізованою та децентралізованою електромережею різної потужності. Особлива увага приділяється цирконієвим керамічним паливним елементам як перспективним у галузі постачання електроенергії та тепла житловим будинкам; як замінникам двигунів внутрішнього згоряння у сфері транспорту; а також для роботи в гібридній системі з вітровими і сонячними генераторами та газовими турбінами; для виробництва кисню для медичних потреб і т.д.
Керамічна промисловість. Успішний розвиток цирконієвої кераміки приведе до розвитку всієї технології паливних елементів, який протікав останні 100 років з часу відкриття "маси Нернста", яка була сполукою оксиду цирконію. Типова міць української "керамічної сталі" становить близько 1 ГПа, що дозволяє стоншити його до мікронної товщини [8]. Багато людей знайомі з українськими керамічними скальпелями, які покращують якість операцій та прискорюють процес загоєння ран. Тут Україна має можливість забезпечення населення хірургічними інструментами нового покоління, оминаючи стадію виробництва металевих скальпелів, чого в Україні ніколи не було. Особливе місце в цьому списку товарів займає теплозахисне покриття, без якого підвищення продуктивності сучасних газових турбін, які, як правило, вкриті тонким шаром захисного покриття з цирконієвої кераміки, було б неможливим.
Енергетичні системи паливних елементів для централізованого та децентралізованого енергопостачання. Потрібно розробити та виготовити декілька видів енергосистем для житлових будинків та централізованого живлення різної потужності. Серед них системи, які можуть використовуватись разом з сонячними та вітряними генераторами порівняно невеликої потужності, щоб обійти головний недолік цих екологічно чистих генераторів, а саме їх нестійкість, яка не дозволяє виробляти енергію на запит. Високотемпературний оборотний SOFC електролізатор може ефективно використовуватись замість двигунів внутрішнього згорання та електричних акумуляторів, роблячи генератори, що працюють на відновлюваних джерелах енергії, дійсно екологічно чистими та надійними. Ці оборотні системи сприятимуть поширенню використання відновлюваних джерел енергії.
Газифікація вугілля і відходів. Газифікація вугілля – одна з основних технологій, яка дозволяє виробити газ для подальшого виробництва електроенергії паливними елементами або іншими приладами. Потрібно також провести дослідження для пошуку оптимальних шляхів отримання газу з низькокалорійного вугілля із значним вмістом сірки, а також з паливних сумішей, наприклад, з біомаси або збагачених відходів. В Україні вчені Наукового центру вугілля і енергетичних технологій у співпраці з конструкторським бюро "Південне" вже розробили технологію газифікації українського вугілля. Попередні випробування вказали на можливість створення електростанцій на паливних елементах з блоками потужністю по 10 МВт, які матимуть ефективність перетворення вугілля в електричну енергію близько 65%, в той час як на сучасних теплових електростанціях це 34-46%.
Гібрид газових турбін та паливних елементів. Сьогодні українська науково-дослідницька діяльність зосереджена на паливних елементах і газових турбінах окремо. Поєднання цих двох пристроїв дасть істотну економічну вигоду за рахунок збільшення ефективності витраченого палива від 50 до 80% при зниженні викидів оксидів азоту і СО у 2ppm поряд із скороченням грошових інвестицій на 25% на одну систему паливних елементів. Поєднання українського виробництва газових турбін на заводі "Зоря" у Миколаєві з теплозахисним електронно-променевим керамічним покриттям та цирконієвих паливних елементів дозволить вдвічі підвищити ефективність перетворення енергії палива в електричну енергію, а також на 30% скоротити викиди CO2 у порівнянні з кращими газовими турбінами при одночасному зменшенні вартості виробництва електроенергії.
Використання сірководню. Цирконієві керамічні паливні елементи - ідеальний засіб використання сірководню в якості палива для виробництва тепла й електроенергії. Цирконієві керамічні паливні елементи надійні при контакті з сірковмісними речовинами, вони можуть виробляти електрику аналогічно до чистого водню або органічних видів палива. Українські вчені з Національного політехнічного університету (м. Київ) розробили екологічно чисту технологію одержання сірководню з Чорного моря. Ця робота сприятиме і виробництву енергії та речовини, і очищенню екологічно небезпечного Чорного моря.
Транспорт з двигунами на паливних елементах. Широке використання транспортних засобів на паливних елементах зменшить споживання нафтопродуктів та зведе до мінімуму викиди забрудників у густонаселених районах. Є цілком позитивний міжнародний досвід. Паливні елементи потенційно можуть замінити двигуни внутрішнього згорання для всіх транспортних засобів, оскільки вони мають вищу ефективність, значно менше забрудненнюють навколишнє середовище, а також можуть працювати на різних видах палива: на водні, етанолі, метанолі або природному газі. В Україні, як уже було зазначено вище, вчені вже створили діючий зразок електромобілів, які можуть використовуватись в якості бази для випробування двигунів на паливних елементах та створення промисловості транспортних засобів нового покоління.
Нарешті, Національна програма "Паливні елементи" спрямована на розвиток в Україні економічної та екологічно безпечної альтернативи атомній енергетиці саме на основі паливних елементів, промисловості технічної кераміки та транспортних засобів, включаючи автомобілі нового покоління, що дозволить скоротити споживання газу вцілому на 30-50% і знизити його вартість на 20-30% при виробництві електроенергії, значно збільшити споживання вугілля замість природного газу, значно зменшити забруднення атмосфери, включаючи скорочення викидів CO2 на 50% і створити сотні тисяч нових робочих місць.
Реалізація програми дасть наступні вигоди:
• Надійне забезпечення високоякісної електроенергії;
• Скорочення витрат на транспорт, використання електроенергії та тепла для промислових процесів та кондиціонування повітря в місці виробництва;
• Неможливість втрат за максимального навантаження та напруги;
• Виробництво електроенергії в районах з дуже чутливим навколишнім середовищем;
• Гнучкість у виборі виду палива та енергетики;
• Здешевлення електроенергії;
• Виробництво подвійної кількості електроенергії з того ж об'єму палива;
• Скорочення грошових витрат і ризиків завдяки гнучкості у виборі палива та місця розташування станції, швидке будівництво і запуск автономної системи паливних елементів;
• Скорочення небажаних витрат та збільшення потужності станцій;
• Скорочення інвестицій в лінії електропередач і розподільчі системи;
• Зменшення залежності від постачань газу і нафти через скорочення їх використання і переходу на вугілля, етанол та біогаз;
• Скорочення викидів шкідливих речовин, які викликають кислотні дощі та глобальне потепління;
• Підвищення конкурентоспроможності українських товарів на світовому ринку;
• Україна може стати експортером паливних елементів для швидко зростаючих ринків, які до цього часу не мають ліній передач, з потребою в 500 ГВт нового виробництва енергії до 2010 року.
[1] Schrempp J. DaimlerChrysler: Was the merger a mistake? Business Week, 2003, September 29, p. 44-51.
[2] Alternative Fuel Vehicles. ISATA Magazine, issue 10, June 2000, p.16.
[3] Karamyan G.G. Oganes Davtjan, Lpatu, Yerevan, 2001, 100 p., in Russian.
[4] Molten Carbonate Fuel Cells, http://americanhistory.si.edu/csr/fuel cells/
[5] Baklan V.Yu. This book
[6] Davtjan O.K. Theory of Fundamental Field, Aiyastan, Yerevan, 1995, 313 p., in Russian.
[7] Davtjan O.K. The problem of direct transformation of energy of fuel into electricity. Academy of Science of USSR, Moscow, 1947, in Russian.
[8] Ivaschenko O.V., Vasilev A.D., Peitchev V.G. et al. Fracture mechanisms, and strength of zirconia stabilized partially with yttria. Physical and chemical mechanics of materials, 1992, v.28, N6, p.46-50, in Russian.
[9] Vasylyev O.D., Akymov G.Ya, Koval O.Yu. Zirconia ceramics and their prospects in Ukraine. Refractories and technical ceramics, 2000, N10, p.2-5, in Russian.
[10] Vasylyev O.D., Schokin A.R. Ceramic Fuel Cells: Achievements and Perspectives in Ukraine. Electroinform, 2003, N1, p. 24-27, in Ukrainian.
[11] Vasylyev O.D., Schokin A.R. Ceramic Fuel Cells. In: Energy Saving in Regions. State Committee on Energy Saving, Analytical Issue, Alternative Energetics, Kyiv, 2003, p. 57-61, in Ukrainian.
[12] Vasylyev O.D., Burdin V.V. Fuel Cells. Electroinform, 2004, N1, p. 10-12, in Ukrainian.
[13] Vasylyev O.D. Fuel Cells: The Target Program. Electroinform, 2004, N1, p. 46-47, in Ukrainian.
Автор: О. Д. Васильєв
Інститут проблем матеріалознавства ім. Францевича НАН України, Zirconia Ukraine Ltd., вул. Кржижанівського 3, Київ-142, 03680, Україна.
Переклад: Колодич Анна
Comments:
Disqus