Анализ отечественных и зарубежных разработок по­зволяет сделать некоторые прогнозные оценки о воз­можных областях использования ЭХГ.

1.1.1. Области применения

А. Нестационарная энергетика

1. Энергетика космических кораблей и аппаратов. Энергетика авиации. Опыт отечественных разработок и работ фирм США по программам «Аполлон», «Джеми - ни», «Скайлаб» и др. подтвердил оптимальную область применения ЭХГ для этих задач (мощность до десят­ков киловатт, время работы до нескольких тысяч ча­сов); ЭХГ имеют существенные преимущества, начиная с времени работы десятки часов. Для задач авиацион­ной техники и близкой к ним (например, энергетики

2

Дирижаблей) важную роль имеет высота полетов, опре­деляющая наличие кислорода воздуха. Особенно перспек­тивны варианты ЭХГ, в которых концентрация воздуха достаточна для их нормального функционирования.

2. Привод автомобиля. В многочисленных работах дискутируется минимальная и максимальная необходи­мые мощности, «качество» мощности и динамика, связь ЭХГ с электроприводом и т. д. Например, в докладе доктора Хамлина из фирмы «Дженерал электрик» (дис­куссия в Москве, ноябрь 1971 г.) приводятся результаты анализа (по материалам США), по которым минималь­но необходимая мощность для различных вариантов ав­томобиля оценивается примерно в 6 кВт, а максималь­ная в 300 кВт.

Привод для массовых транспортных средств (авто­бус, способный совершать городские и загородные рей­сы) согласно оценкам должен иметь мощность в преде­лах 40—740 кВт.

3. Энергетика морских кораблей и аппаратов погру­жения. Диапазон мощностей в этой области чрезвычай­но широк. Это могут быть корабли для дальних морских перевозок (мощность до 75 000 кВт) и внутренних линий (паромы, танкеры, баржи и т. д. мощностью 1,5— 150кВт). Аппараты погружения, в том числе батискафы и глубоководные мелкие лодки, работающие от электро­привода, получают все большее распространение и тре­буют мощности порядка десятков и сотен киловатт.

4. Электропривод вспомогательных машин — каров, погрузчиков, тракторов и др., минимальная мощность 2 кВт (кары), максимальная 50 кВт (тракторы).

5. Электрообеспечение транспортных средств. Обыч­но рассматривается электрообеспечение (исполнитель­ные двигатели, освещение, радио и т. д.) только для малой энергетики, поскольку корабли требуют для этих задач больших мощностей (много тысяч киловатт). Ха­рактерно, что, несмотря па имеющиеся возможности электрообеспечения путем соединения генераторов с дви­гателем внутреннего сгорания, проблема создания неза­висимого (в том числе аварийного) источника актуаль­на. Это объясняется условиями обеспечения безопасно­сти движения. Мощность такого источника составляет 0,5—2 кВт.

6. Переносные устройства (радио, телевидение, элек­троприборы). Диапазон их мощности оценивается в 1—

1000 Вт. Особый интерес представляет энергетика спеЦ - объектов, требующих бесшумности и бесследности.

Б. Стационарная энергетика

7. Аварийные системы. Имеется множество ответст­венных объектов, требующих аварийного (в течение не более десятков секунд) включения мощности. По­следняя может меняться от сотен ватт до сотен кило­ватт (крупные институты, больницы и т. д.).

8. Малая энергетика (буи, зонды, аппаратура аэро­дромов). Основное требование—малые габариты при высокой надежности. Мощность изменяется от единиц ватт (зонды) до сотен киловатт (подводные станции).

9. Энергетика стартовых комплексов и аналогичных систем, требующих высокой надежности.

Этим перечислением не исчерпывается, конечно, раз­нообразие объектов, требующих источников энергии. Однако приведенная систематизация представляется до­статочно полной.

Генераторы энергии, используемые в настоящее вре­мя:

Генератор энергии	Диапазон мощ-	Ожидаемая
кости, кВт	мощность, кВ
Двигатели внутреннего сгорания: а) цикл Отто:
нестационарные....................	0,700—800	—
стационарные........................	До 10 000	—
б) цикл Дизеля..............................	1—23 000 ‘	40 000
Двигатели Стирлинга..................... ■	0,15 '	3000
Паровые турбины.............................	(5-НІ200) • 10s	3000-1 о3
Паровые поршневые машины. . .	40—750	—
Аккумуляторы....................................	0,001—200	300
Первичные химические батареи. .	0,001—0,01	•—
Электрохимические генераторы. .	До 50	До 1000
Радиоизотопные источники....	0,1 — 1	10
Фотоэлектрические батареи....	5—20	50

Первичные химические батареи могут быть исполь­зованы лишь для областей применения 6 и 8. Из-за вы­соких необходимых поверхностей (10 м2/кВт) примене­ние солнечных батарей также ограничено этими же за­дачами. Изотопные источники из-за больших масс (100—150 кг/кВт с защитой), высокой стоимости и ма­лой возможности производства могут быть использова­ны лишь для задач с мощностью до десятков и сотен ватт (задача 8).

Рассмотрим теперь применимость других ЭУ.

а) Энергетика космических кораблей и ann&pafori. Могут использоваться фотоэлектрические батареи, хи­мические батареи, ТЭ, а также ЭУ на базе двигателей Стирлинга и турбоагрегатов. Фотоэлектрические батареи в сочетании с химическими нашли уже широкое приме­нение, однако их диапазон мощностей пока еще огра­ничен несколькими десятками киловатт.

б) Привод индивидуального автомобиля. Могут рас­сматриваться первичные батареи, паровые поршневые машины, турбины (газовые), двигатели Стирлинга, ди­зели, двигатели Отто и ТЭ. Из большого числа модифи­каций ЭХГ непригодны высокотемпературные ЭХГ с твердым или расплавленным электролитом, а также с электродами Бэкона: они требуют большого времени подготовки (разогрева). По этой же причине не годят­ся вторичные высокотемпературные батареи типа Na—S или Li—Cl, для которых также опасны эксплуатацион­ные условия в аварийных ситуациях.

в) Привод массовых транспортных средств. Выбор тот же, что и по п. «б». Однако для постоянно находя­щихся в эксплуатации установок время подогрева высо­котемпературных ТЭ и аккумуляторов несущественно. Для мощного шинного транспорта, у которого опасность аварии меньшая, могут найти применение также акку­муляторы с жидкими щелочными металлами.

г) Энергетика кораблей. Для мощных кораблей дальних перевозок ЭХГ (во всяком случае до 1985 г.) вряд ли могут быть использованы, большинство кораб­лей имеет мощность в пределах 15 000—50 000 кВт.

Для кораблей внутренних линий используются в основном дизельные двигатели. В диапазоне до 750 кВт ЭХГ могут конкурировать с ними. Аккумуляторы непри­годны из-за большой массы: для кораблей ЭУ мощно­стью 750 кВт масса свинцовых аккумуляторов составит 750 т. В качестве альтернативы могут рассматриваться, таким образом, двигатели Стирлинга, Отто, дизели и ЭХГ.

Для спортивных и прогулочных кораблей возможно использование тех же устройств, что и для кораблей внутренних линий, за исключением высокотемператур­ных ЭХГ из-за большого времени разогрева. Для малых мощностей (до 2,5 кВт) и малых времен работы уже сейчас используются аккумуляторы, так что между ни­ми и ЭХГ возможна конкуренция.

д) Электропривод вспомогательных машин. Здесь давно уже дизели и двигатели Отто вытеснили паровые машины. Турбины из-за высокой стоимости и больших расходов топлива при малых нагрузках неприменимы. Напротив, перспективны вторичные батареи, например свинцовые аккумуляторы. Таким образом, остаются: вто­ричные батареи, двигатели Стирлинга, Отто, дизели, а также ЭХГ. Из-за практически постоянных в течение дня условий эксплуатации возможно применение высо­котемпературных ЭХГ.

е) Электрообеспечение транспортных средств. Пер­спективны аккумуляторы и ЭХГ, однако до настоящего времени применяются традиционные источники энергии, (в первую очередь аккумуляторы).

ж) Переносные устройства. Исключаются из-за требуемых малых мощностей паровые поршневые маши­ны, дизели и турбины. Широко применимы первичные батареи и аккумуляторы для наименьших мощностей (например, радио), двигатели Отто (в основном двух­тактные) и вторичные батареи для максимальных мощ­ностей (бытовая техника). В дальнейшем следует рас­сматривать для этих задач солнечные батареи, ЭХГ и двигатели Стирлинга.

з) Аварийные системы и стартовые комплексы. Усло­вие быстрой заводимости не может быть осуществлено в паровых машинах и турбинах. Двигатели Стирлинга, Отто и дизели, а также аккумуляторы (они должны ре­гулярно подзаряжаться) пригодны для этой задачи. Среди ЭХГ наиболее приспособлены системы с разбав­ленным в электролите топливом. Мощность ЭХГ растет во времени после включения, так как повышается тем­пература и растет скорость реакции на электродах. Ра­бочая температура в благоприятных условиях достига­ется в течение нескольких минут, поэтому для аварий­ных систем с ЭХГ должно предусматриваться достиже­ние требуемой мощности уже при начальной темпера­туре.

и) Малая энергетика. Из всех видов источников ис­ключаются только паровые машины из-за больших габа­ритов. Все другие виды уже сегодня находят примене­ние. Особенно перспективны для длительных режимов работы ЭХГ с твердым электролитом (из-за малых га­баритов).

к) Стационарные установки. До 1000 кВт низко - и среднетемпературные ЭХГ (в перспективе с 1985 г), могут конкурировать с паровыми машинами, турбинами, двигателями Стирлинга, Отто, Дизеля и аккумулятора­ми. Последние наиболее перспективны при их использо­вании в качестве энергоемкостей для покрытия пиковых нагрузок.

1.4.2. Суммарная оценка ЭУ

Оценка производится через суммарный критерий T=2giTi, (1-1)

I

где gi — «вес оценки»; Д— отдельные критерии оцен­ки. Методика оценки «веса» может быть различной, но наилучшие результаты получены при оценке относитель­ных (по отношению к лучшему виду ЭУ по этой груп­пе, принятому за единицу) характеристик.

Число критериев Т может быть различным, но уже сейчас их можно назвать по крайней мере семь: удель­ная мощность (кВт/кг), удельная энергия (кВт-ч/кг); суммарный КПД; объемная мощность (кВт/л); условия подготовки (величина, обратная времени, определяющая частоту остановок); ресурс; условия эксплуатации.

Эксплуатационная безопасность, утилизация отходов могут быть оценены критерием

и = 2и.!, (1.2)

где критерий «і связан с уходящими газами, м2— с шу­мом, «3— с безопасностью эксплуатации, и4 — с утили­зацией отходов.

Поскольку влияние каждого из критериев «* неоди­наково, например уходящие газы могут быть смертель­ными, в оценку вводится экспоненциальная зависимость «р. При оценке м, учитывается содержание СО, свинца, углеводородов. При оценке шумов и2 за единицу принято значение 70 дБ (шум в центре большого города). При этом дизель 73 кВт (100 л. с.) имеет «2=0,1-*-0,55; ди­зель 1830 кВт (2500 л. с.) w2 = 0,7-s-l,0; двигатель Стирлинга и2=0,55^-0,75; радиоизотопы, аккумуляторы, ЭХГ «2=1. Значение «3 лежит в пределах 0,6—1,0. Да­же для ЭХГ с использованием в качестве топлива бен­зина или водорода и3 достаточно велико (примерно 32

0, 8—1,0). Утилизация отходов — чрезвычайно важный фактор оценки. Так, для дизелей мощностью 73 кВт (100 л. с.) расход обтирочных материалов составляет 6,8—9,5 кг/(кВт-ч) [5—7 г/л(л. с-ч)], для паровых тур­бин 500 кВт — 0,03 кг/(кВт-ч). Необходимо учесть слив использованного масла (около 10 л в год на машину, что только в 1966 г. составило в ФРГ 100 000 т).

В ЭХГ со щелочным электролитом и при работе на воз­духе необходимо учесть слив карбонизованных остатков (оценка до 600 л в год на машину). В этом смысле ЭХГ с кислым электролитом более благоприятны. Зна­чение «4 для ЭХГ оценивается в 0,6—1,0.

Общий анализ показывает, что по критерию и опти­мальный ряд источников следующий; ЭХГ, двигатели Стирлинга, дизели.

Вопрос о стоимости ЭУ не менее важен, чем его тех­нические характеристики, кроме специальных областей техники, где стоимость не играет существенной роли. Так, для ТЭ космического назначения она колеблется в пределах (30—100) ■ 103 долл./кВт [1.10]. На Земле имеется еще ряд областей техники, где электрическая энергия необходима в малом количестве и вопросы стои­мости несущественны, однако ресурс и надежность для таких устройств первостепенны (освещение буев, пита­ние специальной телевизионной аппаратуры, переносные приемники и т. д.). Для передатчика самолета, напри­мер, ЭУ, состоящая из Nr—Cd-аккумулятора и ТЭ, должна стоить 200 марок ФРГ за 1 кВт.

За последние годы становится все актуальнее, в том числе и для энергетики, проблема эффективного исполь­зования сырья и материалов, снижения их доли в стои­мости конечного продукта. Одно из перспективных на­правлений автономной энергетики связано с разработ­кой и созданием ЭХГ.

Как уже отмечалось, преимуществом ЭХГ является возможность использования в нем реагентов (топливо и окислитель) не из дефицитных материалов — метал­лов или их соединений, как в химических источниках то­ка, а из газов или жидкостей (водород, кислород, ме­танол, аммиак и т. д.). Металл здесь используется лишь в качестве конструктивных элементов и токосъемников, что и предопределяет низкую металлоемкость конструк­ций. Так, водородно-воздушные ЭХГ имеют удельную металлоемкость, в 100 раз меньшую по сравнению с 3—93 33

гальваническими элементами, в десятки раз меньшую, чем у свинцовых и щелочных аккумуляторов. При этом расход металла может быть снижен до 1 г на 1 кВт-ч вырабатываемой энергии. Это существенно сказывается как на стоимости выпускаемых изделий, так. что в ря­де случаев еще более существенно, и на экономии де­фицитных материалов.

Подробнее вопрос о номенклатуре материалов, при­меняемых в ЭХГ, рассмотрен в гл. 9.

Стоимость затрат на производство ЭУ складывается из трех компонентов:

а) Капитальные вложения. В литературе имеется очень мало сведений об этих затратах для ЭХГ, по­скольку нет их серийного выпуска. При этом в основу берется стоимость катализатора с учетом возможности его регенерации (тем самым в расчет включается лишь доля затрат на катализатор). Расчеты показали, что среднее значение затрат составляет около 480 000 марок ФРГ на 1 кВт, а к 1980 г. ожидалось снижение затрат до 12 000 марок ФРГ на 1 кВт [1.11]. Аналогичные зна­чения имеются и в американских источниках (10-103— 20-103 долл./кВт).

В целом электрохимические источники (ЭХГ и акку­муляторы) стоят пока в 10—100 раз больше, чем двига­тели внутреннего сгорания.

б) Основные эксплуатационные затраты. Они со­стоят из: заработной платы персонала; стоимости запас­ных частей; стоимости неизрасходованной непосредст­венно на производство энергии. Их очень трудно оце­нить, в литературе по ним мало сведений. Имеется ука­зание, что для аккумуляторов эксплуатационные расхо­ды вдвое меньше, чем эксплуатационные расходы для дизелей. Из-за отсутствия движущихся частей (за иск­лючением в некоторых схемах электролитных насосов) можно предположить, что для ЭХГ эти расходы значи­тельно ниже, чем для двигателей внутреннего сгорания.

в) Пропорциональные затраты. Основную часть этих

затрат составляют стоимости топлива и окислителя (табл. 1.1). Для дизеля мощностью 100 кВт затраты на 1 кВт-ч составляют в среднем 5—8 коп., а для аккуму­ляторов (свинцовые батареи как самые недорогие) стои­мость энергии составляет 15—20 коп/(кВт-ч). Несмот­ря на высокую стоимость, эти батареи для транспортных средств оказались весьма экономичными. Поэтому при - 34 •

Исходный реагент	Удельный расход ре­агентов, кг/(кВт-ч)	Удельная стои­мость реагентов
при U = =1,23 В	при U — = 0,9 В	при U = 0,9 В, коп/(кВт*ч)
а) Топливо
Водород (газ, баллоны ГОСТ 949-73, 15 МПа)	0,0303	0,0453	10,1
Водород (газ, баллоны СССР ар­мированные, масса 3 кг на 1 м3 газа)	0,0303	0,0453	10,1 Г У
Водород (газ, опытные баллоны США, масса 1,4 кг на 1 м3 газа)	0,0303	0,0453	10,1
Метанол (бак, масса 0,2 кг на 1 кг топлива)	0,134	0,413	12,4і ( 5,5а
Бензин (бак, масса 0,2 кг на 1 кг тотива)	0,059	0,230	1,4
Аммиак (бак, масса 1 кг на 1 кг топлива)	0,143	0,386	3,9
б) Окислитель
Кислород (газ, баллоны ГОСТ 949-73)	0,242	0,362	2,0
Кислород (газ, баллоны армиро­ванные, масса 3 кг на 1 м3газа)	0,242	0,362	2,0
Кислород (газ, опытные баллоны США, масса 1,4 кг на 1 м3газа)	0,242	0,362	2,0
Кислород жидкий (бак, масса 0,7 кг на 1 кг окислителя)	0,242	0,362	1,2

1 Чистый. а Технический.

пято, что ТЭ тогда конкурентоспособны, когда цена топ­лива лежит ниже определенного значення, например со­измеримого со стоимостью 1 кВт-ч от свинцовых акку­муляторов. Все ЭХГ, использующие кислород не из воз­духа, в этом смысле не подлежат рассмотрению, так как при U = 0,9 В стоимость только кислорода составляет около 2 коп/(кВт-ч). Аналогично отпадают системы, где применяется водород, полученный не методом рефор­минга, так как стоимость чистого водорода достаточно велика (табл. 1.1). По этой же причине не рассматрива­ются гидразинные ЭХГ. Этот анализ базируется, конеч­но, на ценах сегодняшнего дня и при их изменении мо­жет быть значительно пересмотрен. При сравнении стои­мости ЭХГ и других ЭУ необходимо учесть, что при рас - 3* 35

йетах большинства видов источников (двигателей внут­реннего сгорания в первую очередь) за основу прини­мается максимальная мощность, в то время как для ЭХГ можно учитывать номинальную мощность, посколь­ку переход от нее к максимальной мощности допустим и не приводит к нарушениям в работе источников.

Суммарная стоимость 1 кВт-ч

К

zf тНц>

где F — основные эксплуатационные расходы; К— ка­питальные вложения на 1 кВт максимальной мощности; т — ресурс (годы); р — начисления; z — число часов ра­боты в год; f — коэффициент нагрузки (отношение мощ­ности, при которой работает источник, к максимальной, О^Д^І); k — стоимость единицы топлива; Я — удель­ная теплота сгорания топлива; ті — КПД как функция коэффициента нагрузки. Зависимость КПД ЭХГ от на­грузки существенно отличается от аналогичной зависи­мости других источников. Для ЭХГ — это монотонно падающая кривая (см. рис. 1.4), причем, чем ближе к максимальной мощности, тем КПД ниже; для других источников он достигает максимума при максимальной мощности или вблизи нее, т. е. для двигателей внутрен­него сгорания

di/df^0; (1.4)

для ЭХГ

(1.5)

Проанализируем производную стоимости S по коэф­фициенту нагрузки

При drldf^>0 стоимость снижается с увеличением нагрузки источника, при dr/df^0 второй член этого уравнения положительный, т. е. имеется экстремум. Если d2S/df2 — положительная величина, 5 имеет мини­мум. Таким образом, для ЭХГ имеется мощность, при которой стоимость 1 кВт-ч минимальна. Это еще раз подчеркивает оптимальную область ЭХГ: там, где необ­ходима работа на номинальной мощности и периодиче­ски на максимальной.

Двигатель внутреннего Сгорания, предназначенный для этих задач, должен создаваться на максимальную или близкую к ней мощность, при которой и достигается оптимум стоимости. При нормальной эксплуатации’ он не работает в области оптимальных затрат.

Рассмотрим теперь несколько примеров оценки ЭУ по суммарному критерию Т [формула (1.1)].

а) Наземный транспорт. Наилучшие значения Т, ожидаемые к 1985 г., имеет ЭХГ (0,76). Двигатели От­то—наиболее распространенные в настоящее время источники — имеют Т=0,68. При этом принято, что низкое значение Т для двигателей Отто получается из - за большого времени подготовки (7’подг*0,1) и отсутст­вия необходимости использовать высокие удельные мощности вследствие ограниченной скорости движения в пределах города.

Аккумуляторы имеют малое значение Т для авто­машин дальнего радиуса поездок (скорость 130 км/ч, масса более 1,5 т, требуемая удельная мощность 0,2 кВт/кг) и могут быть использованы для городского автомобиля (скорость 60 км/ч, ограниченная условиями движения в городе, масса менее 900 кг, удельная мощ­ность 0,1 кВт/кг).

Для городского автобуса (масса 16 т, скорость 60 км/ч, пробег 130—150 км, удельная мощность 0,28 кВт/кг, удельная энергия 0,38 кВт-ч/кг) низшее значение Т имеет дизель (шум, загрязнение, большое время подготовки), наивысшее — ЭХГ, двигатель Стир­линга и паровые машины.

б) Корабли. По-прежнему наилучшие значения Т ожидаются у дизелей (более 100 кВт) и двигателя От­то (более 50 кВт), а ЭХГ могут найти применение для морских объектов, требующих бесшумной эксплуатации и ресурс в сотни и тысячи часов.

в) Малая энергетика. Основные требования — малое время безостановочной эксплуатации («вес» 50%), ма­лые собственные масса («вес» 30%) и объем («вес» 15%), высокий КПД («вес» 5%) источника.

В качестве единицы непрерывной работы может быть принято примерно 2 года. Анализ показывает, что зна­чение критерия Т максимально у ЭХГ.

г) Стационарные установки малой мощности. Глав­ные компоненты «веса» — время подготовки и ресурс (70%)- Остальные 30% падают на объемную мощность,

КПД и условия обслуживания. Для ряда задач ЭХГ оказываются более перспективными, чем двигатели внутреннего сгорания. Однако необходимо увеличить ре­сурс их работы по крайней мере до нескольких лет.