В Германии разработана система на топливных элементах, способная обогреть и снабдить энергией один дом

Во всем мире сейчас наблюдается тенденция постепенного перехода на альтернативные источники энергии, и одной частью этой тенденции является разработка автономных энергетических систем, способных обеспечить полную независимость жилья от энергетических сетей общего назначения. Главным кандидатом на эту роль считаются топливные элементы, которые имеют очень высокую эффективность и не выбрасывают ничего вредного в окружающую среду. Немецкие исследователи из Института Керамических технологий и систем Фраунгофера (Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems, IKTS), работая совместно со специалистами компании Vaillant, разработали автономную энергетическую систему на основе топливных элементов, работающих на природном газе, которая вырабатывает достаточное количество тепла и электрической энергии для того, чтобы снабдить ими целый дом.

Топливные элементы известны людям с 1838 года и, начиная с того времени люди их всегда рассматривали в качестве источника энергии будущего. Первое практическое применение топливных элементов было осуществлено в 1960-х годах, когда они были использованы в качестве источников энергии некоторых космических аппаратов. В 1990-х годах начались первые попытки использования топливных элементов в автомобильной промышленности, а в 2009 году в Японии были выпущены первые бытовые системы Ene-Farm, предназначенные для снабжения жилищ теплом и электричеством.

Но, топливные элементы до сих пор так и не получили широкого распространения. Наличие драгоценных, таких как платина, и редкоземельных металлов в составе их катализатора делает топливные элементы весьма дорогими. Катализаторы топливных элементов легко выводятся из строя примесями, что послужило причиной их низкой надежности и малого ресурса работы. Подход, выбранный немецкими учеными, позволяет обойти все вышеуказанные проблемы и создать топливный элемент, работающий на неочищенном природном газе, который можно установить в любом жилище, как обычную газовую колонку.

Система, разработанная в институте Фраунгофера, основана на твердо-окисном топливном элементе (solid oxide fuel cell, SOFC), использующем керамический электролит для производства электричества в момент реакции кислорода с водородом. Элементы SOFC работают при более высокой температуре, нежели водородные элементы, используемые в электрических автомобилях, их температура может достигать до 850 градусов по шкале Цельсия. При такой температуре наличие в газе примесей не играет никакой роли, они, эти примеси, разлагаются на более легкие вещества и сгорают, как и сам природный газ. Кроме этого, такая температура позволяет достаточно просто получить тепловую энергию, необходимую для производства горячей воды и обогрева жилища.

С одной стороны, наличие высокой температуры требует использования теплоизоляции и других специальных мер. Но с другой стороны, общая конструкция энергетической системы получается проще, чем конструкция системы, построенной на базе низкотемпературных топливных элементов. Кроме этого, в состав катализатора SOFC-элементов не входит платины или других благородных металлов, что позволяет еще больше снизить стоимость системы в целом.

Каждый из SOFC-элементов имеет размер, подобный размеру тонкой коробки от компакт-диска. Один элемент может выработать не очень большое количество энергии, поэтому для достижения необходимого уровня мощности системы эти топливные элементы объединяются в стеки. Каждый из топливных элементов может выступать в одной из трех ролей, в качестве расщепителя, который расщепляет поступающий природный газ в богатую водородом смесь, в качестве сжигателя, на котором происходит реакция кислорода и водорода, и в качестве дожигателя, позволяющего дожечь остатки не до конца сгоревшего топлива, выпускаемые наружу в виде выхлопных газов.

Собранная система имеет размеры, сопоставимые с размером бытовой газовой колонки. Она может быт установлена на том же месте, где в доме до этого и стояла старая газовая колонка, которая служила лишь для получения тепла. В отличие от этого, топливные элементы вырабатывают постоянно порядка одного киловатта электрической энергии, чего вполне достаточно для обеспечения потребностей семьи из четырех человек. В настоящее время изготовлена первая партия из 150 систем, которые уже установлены в соответствующем количестве домов в Европе. Испытания этих систем проводятся в рамках европейской программы Callux, целью которой является определение влияния подобных технологий на окружающую среду.

В настоящее время специалисты института Фраунгофера и компании Valiant работают в направлении снижения стоимости топливных элементов и одновременного увеличения их срока службы.