Зброя завжди потребувала енергії і завжди використовувалась у боротьбі за енергію. Часи міняються, але енергія залишається і ресурсом, за який ведеться боротьба, і зброєю, з допомогою якої ведеться ця боротьба.
Проблема
Наслідком масивних ракетних атак рф на енергетичну інфраструктуру України на початку весни і, особливо, у жовтні-листопаді 2022 року виявилась вразливість централізованої організації енергозабезпечення громад 1. Цю вразливість наочно демонструють супутникові зображення NASA (Рис. 1).
Особливої критичності набула вразливість централізованих систем тепло- і електрогенерування і транспортування у міському середовищі, де відсутні альтернативні джерела генерації і доставки тепло- і електроенергії до окремих осель багатоквартирної і, особливо, високоповерхової забудови [2].
У такій ситуації жителі України і їхні друзі по всьому світові відреагували масовим імпортом електрогенераторів (ЕГ) на двигунах внутрішнього згоряння (ДВЗ) та електрозарядних станцій (ЕЗС). Згодом місцева влада ввела в дію фінансові заходи з метою компенсації частини вартості енергогенеруючих установок [3].
Такі заходи частково вирішили проблеми громадських закладів, переважно розташованих на нижніх поверхах. Але експлуатувати ЕГ на базі ДВЗ в помешканні не представлялося можливим внаслідок високих рівнів шкідливих викидів і шуму.
ЕЗС були придатні частково до вирішення проблеми електрозабезпечення і використовувались переважно для підтримки мобільного зв’язку, освітлення та інших малопотужних електронних пристроїв. Про обігрів осель з допомогою ЕЗС взагалі не йшлося через недостатню (низьку) щільність акумульованої енергії (Дж) на одиницю маси установки (кг) і значно вищу вартість цієї одиниці (Дж/кг) від ЕЗС.
Сонячні панелі також не були в стані також виправити дефіцит енергозабезпечення домогосподарства через недостатню потужність, відносно високу ціну і меншу кількість сонячного світла в осінньо-зимовий період. Про вітрову енергію в умовах великого міста годі й казати.
Повернення до старого перевіреного методу опалення осель біопаливом, або попросту кажучи — дровами, було можливо лише в умовах приватного будинку за наявності справного димаря. Для більшості ж жителів великого міста, які проживають в багатоквартирних висотних будинках, ця опція взагалі не прийнятна ані з технічної, ані з безпекової точок зору.
Деякі жителі частково намагались вирішувати проблему обігріву оселі користуючись відкритим полум’ям газових плит у разі наявності централізованого газопостачання. Але цей спосіб малоефективний та ще й небезпечний. До того ж у великих містах є багато житлових висотних будинків без централізованого газпостачання, де натомість використовуються кухонні електроплити.
Тобто ситуація об’єктивно була і залишається кепською. Ба більше, попри певне відновлення централізованої енергосистеми після зниження уражень об’єктів енергетичної інфраструктури станом на середину 2023 року завдяки значному посиленню системи ППО і ПРО України, жодної 100% гарантії захисту цих об’єктів, допоки триває російська агресія, ніхто надати не в змозі. Достатньо згадати в цьому контексті зупин Запорізької АЕС і підрив Каховської ГЕС разом із дамбою водосховища російським агресором.
Отже, узагальнюємо проблему, формулюючи водночас завдання для її вирішення: яким чином / методами / рішеннями посилити стійкість енергозабезпечення населення у вкрай несприятливих надзвичайних умовах, якими є війна?
Рішення
Коли стандартні методи не працюють, настає час звернутися до нестандартних інноваційних рішень. Напрям пошуку рішення — автономізація енергозабезпечення на різних рівнях, починаючи з особи, оселі, домогосподарства і так далі.
Розпочнімо з водневих електрогенераторів на базі паливних елементів (ПЕ) [4]. Розмаїття рішень вражає. Але є одне з ключових обмежень — це логістика чистого водню.
Водень можна зберігати в газоподібному, рідкому та твердому станах, і кожен метод має свою унікальну перевагу. Незважаючи на те, що поводження зі стисненим і зрідженим воднем є зрілими технологіями, для промислового застосування потрібні відповідні заходи для вирішення проблем високого тиску — приблизно до 100 МПа або низької температури — біля 20°К. Навіть в умовах мирної Європи — це поки що важко підйомна проблема. Про Україну в умовах воєнного стану — годі й казати.
Є інші рішення — водень у твердій фазі у складі хімічної сполуки, зокрема, гідриди металів або вуглеводні сполуки включно зі зрідженими газами.
Питання вибору залежатиме від зрілості і доступності технології. Мій конкретний вибір припав на технологію, що точно є поширеною на побутовому рівні. Це використання побутового газу, наприклад, пропану в балонах. Ця технологія зберігання і використання широко доступна від пластикових балончиків для заправки газових запальничок до побутових 10, 20, 50 і більше літрових побутових балонів, що використовуються в приватних домогосподарствах переважно для приготування їжі.
В результаті пошуку мені вдалося знайти виробника ЕГ на ПЕ, який здійснив важливий крок — адаптував ЕГ на ПЕ типу SOFC [4] під використання пропану. Тут назва виробника опущена, щоб стаття не виглядала як рекламне просування. Пропан на вході ЕГ перетворюється на водень і двуокис вуглецю внаслідок відомої в індустрії процедури парової конверсії або, так званого, риформінгу [5], що застосовується для промислового вироблення водню:
Які достоїнства має подібна установка ЕГ на ПЕ:
- її можна ставити у приміщенні (вдома) — вона компактна (власне ЕГ на 1.25 кВт має розмір 20х30х40 см і вагу біля 9 кг); не шумить — відсутні рухомі частини; викиди — СО2;
- попутно видає тепло — це ідеальне рішення взимку; фактично такий ЕГ є теплоелектростанцією (ТЕС);
- не потребує обслуговування — приміром від побутового 20 л балону з пропаном установка на 1.25 кВт працюватиме без зупину і догляду 3.5 доби.
Що важливо, технологія вже доведена до серійного виробництва. Тобто це вже готове рішення.
Обмежуючі фактори та додаткові вимоги
Зрозуміло, кожна медаль має дві сторони. Отже, які про які недоліки, обмеження і вимоги може йти мова:
- Установка ЕГ на ПЕ потребує тривалого запуску — 10–20 хвилин і додаткової стартової енергії через потребу довести паливний елемент і реакторний відсік для риформінгу до робочої температури 500–600°C.
- Установка в існуючому вигляді не призначена для утилізації тепла, тому потребує додаткового теплообмінного модуля.
- Процедура риформінга не на 100% ефективна і, як наслідок, у викидах присутній CO. Тому використання всередині приміщення вимагатиме певних заходів з відведення викидів назовні.
- Висока ціна — зараз обладнання випускається виробником малою серією для спеціальних жорстких умов експлуатації. Щоб завести це обладнання, скажімо, на український ринок потрібно його кардинально здешевити, зокрема, шляхом організації виробництва великої серії, оптимізації конструкції, здешевлення комплектуючих тощо.
- Для багатьох застосувань має сенс використовувати ЕГ на ПЕ у сполученні з ЕЗС.
Область застосування
Розглянутий тут варіант ТЕС призначений для забезпечення стійкості та автономності енергозабезпечення (тепла і електрики) на різних масштабах, починаючи з особи, оселі, домогосподарства і так далі для вкрай суворих умов експлуатації. Обладнання просте в установленні і обслуговуванні, в якості палива використовує широко доступний пропан або побутовий газ, що мають розвинену логістику доставки або трубопроводами або балонами різної місткості.
Безумовно подібне обладнання також представляє практичний інтерес для спеціальних застосувань (військові, дослідницькі експедиції, інше), де вимогою є високонадійне компактне автономне тепло- і електрозабезпечення.
БПЛА
Окремим напрямком, що заслуговує уваги, є застосування ЕГ на ПЕ як енергетичної установки для БПЛА. Для цього треба врахувати два параметри, що є критичними для застосувань у БПЛА, а саме: щільність запасу енергії та щільність потужності на одиницю маси або об’єму силової установки.
Для прикладу розглянемо 10 л балон для зрідженого пропану власною вагою, скажімо, 5 кг. Отже 5 кг запас пропану на борту важитиме 10 кг разом з балоном. До цього ще треба додати майже 9 кг ваги власне ЕГ на ПЕ. Всього вага заправленої силової установки складе 19 кг. Тоді:
- Для установки загальною потужністю 1250 Вт і з ефективністю електрогенерації (LHV — Low Heating Value, без врахування енергії конденсації води) у 20%, електрична потужність силової установки складе 250 Вт.
- Тоді питома потужність силової установки складе 250 Вт / 19 кг = 13 Вт/кг.
- А питомий запас енергії силової установки = 702 Вт*год/кг
Порівняння співвідношення питомої потужності та питомого запасу енергії для різних типів силових установок (Рис. 2), а саме: ЕГ на ПЕ, акумуляторних батарей та суперконденсаторів 6 показує, що ПЕ явно перевершують інші джерела з точки зору питомої енергії. Тому їх слід розглядати як рішення для БПЛА з великою тривалістю польоту (години та десятки годин) для даної ваги.
Енергетична стійкість і зелена трансформація
Окрім вирішення нагальних проблем сьогодення, не менш важливими є довготривалі ефекти запровадження ПЕ в якості джерела енергії. Зокрема, в контексті стратегічної мети Європи в сфері енергетики — а це перехід до безвуглецевої економіки або “зелена трансформація” — застосування ТЕС на ПЕ має прямі переваги. ТЕС, що використовує пропан або природний газ, може так само споживати біогаз, тим самим зменшуючи вуглецевий слід від своєї роботи. Окрім того, варто враховувати те, що ПЕ безпосередньо використовує водень для генерування електрики. Це означає, що впровадження технології ТЕС на ПЕ скорочує відстань для технологічного переходу на “екологічно чистий” водень. Таким чином, використання природного газу в ТЕС на ПЕ на сьогоднішньому етапі можна розглядати як тимчасовий компроміс для забезпечення одночасно і енергетичної стійкості, і зеленої трансформації.
Посилання
1. Удари по об’єктах критичної інфраструктури України під час російсько-української війни — Вікіпедія
2. Euroresilience, energy and war in Ukraine. Olegh Bondarenko. NECU contribution at General Assembly of Consortium for the SPARCS project. June 14, 2023, Reykjavik.
3. Мешканцям київських багатоповерхівок повертатимуть частину вартості генератора: як отримати — Вечірній Київ
4. Біфуркація водневої енергетики. Сучасні генератори електричної енергії… | by Olegh Bondarenko | Stinopys | Medium
5. Steam reforming — Wikipedia
6. A critical review on unmanned aerial vehicles power supply and energy management: Solutions, strategies, and prospects. M. Nadir Boukoberine, Z. Zhou, M. Benbouzid. Applied Energy, 2019, 255, pp.113823 -. 10.1016/j.apenergy.2019.113823.
Автор – Олег Бондаренко