Дешёвая энергия из топливных элементов

Россия сегодня вновь активно занимается освоением Арктики. При решении этой задачи особо остро стоит вопрос с энергоснабжением арктических экспедиций, поселений и воинских частей. Дизель-генераторы требуют постоянного подвоза топлива, а кроме того, они загрязняют окружающую среду. А ведь восстановление арктических экосистем из-за недостатка света и тепла происходит очень медленно.

Возможности возобновляемых источников электричества в Арктике весьма ограничены, и большой проблемой является их обслуживание. Традиционные гальванические элементы можно даже и не обсуждать, поскольку их ресурс очень мал, а утилизация отработанных элементов – это тоже проблема.

Альтернативой могут стать твёрдооксидные топливные элементы (ТОТЭ). В нашей стране их разработкой занимается группа учёных из Института физики твёрдого тела РАН. Чем же они так хороши?

Сначала нужно узнать, что это такое. В обычном электрогенераторе, работающем на дизеле или ином топливе, топливо сгорает в двигателе и даёт тепловую энергию, которая превращается в механическую, а уже механическая в генераторе превращается в электрическую. Даже наиболее эффективные генераторы имеют коэффициент полезного действия не больше 45%.

В топливных элементах, так же как и в двигателе внутреннего сгорания, происходит окисление топлива кислородом воздуха, но идёт оно иначе. Каждая ячейка топливного элемента состоит из анода, к которому подводится топливо, и катода, к которому подводится, соответственно, воздух. Топливом может служить любое горючее вещество.

На аноде молекулы топлива окисляются, т.е. отдают электроны аноду, а сами превращаются в положительные ионы. При замкнутой цепи электроны перемещаются на катод, где их забирает кислород воздуха. И таким образом, внутри топливного элемента между электродами возникает ток ионов, а во внешней цепи – ток электронов, который нам и нужен.

Есть, правда, одна загвоздка во всём этом процессе. Начинается он только при температуре 850 градусов Цельсия, но зато потом может идти годами, поддерживаясь теплотой реакции. Следовательно, необходимо снабдить батареи топливных элементов жаропрочным корпусом.

Разрабатываемые в Институте физики твёрдого тела ТОТЭ могут производить до двух киловатт электричества. Макетный образец мощностью всего в 50 Вт уже собран и протестирован.

Партнёрами института в этом проекте являются Крыловский государственный научный центр и фонд «Энергия без границ». Участие кораблестроительного Крыловского центра – это не просто так. Очевидно, что топливные элементы могут быть привлекательны в качестве автономных источников питания для беспилотных подводных аппаратов. На базе этого центра планируется начать и опытное производство двухкиловатных топливных элементов.

Стоимость одного киловатт-часа электроэнергии, вырабатываемой на ТОТЭ составляет всего 25 рублей. Для сравнения в Якутии электричество стоит в четыре раза дороже. Даже на нынешнем уровне разработок твердооксидные топливные элементы оказываются сверхрентабельными и с удовольствием будут встречены рынком. Учитывая интерес правительства к таким разработкам, можно предположить, что массовое производство ТОТЭ – дело скорого будущего.

Автор: Евгений Радугин