В индустриальных странах, остро зависящих от импорта нефти и чрезвычайно озабоченных экологическими проблемами, быстро расширяется сектор альтернативных источников энергии. При этом, высший приоритет в развитии технологий предоставлен водородным топливным элементам, сферы применения которых практически безграничны: в качестве источников питания, их можно использовать в самых разных назначениях - от лэптопов и портативных магнитофонов до бытовых приборов и автомобилей. При «том, хотя многие полагают, что их широкомасштабное внедрение начнется именно с бытовой электроники, компании-производители работают во многих направлениях. Топливные элементы уже становятся распространенными источниками питания в промышленном оборудовании и транспортном секторе, где их внедрение имеет особое значение в связи с проблемами энергетической безопасности. Разумеется, усилия производителей таких устройств находят полную поддержку со стороны правительств индустриальных стран. В общем, похоже, что обещания сектора, некоторым из которых уже около 15 лет, начнут выполняться уже в текущем году.
***
Для дома, для семьи
Бытовая электроника весьма привлекательна для топливных элементов: потребители охотно используют аппаратуру с таким питанием. Соответственно, расширяется и производство этих источников, причем, развитие идет одновременно в разных странах. Например, в начале апреля калифорнийская компания Folsom объявила о решении начать выпуск топливных элементов (ТЭ) второго поколения для профессиональных видеокамер. В свою очередь, германская Smart Fuel Cell запускает серийное производство метаноловых топливных элементов для "развлекательной" аппаратуры и промышленного оборудования. В 2003 году эта компания успешно вышла на рынок с элементами А25, а теперь намерена расширить там свое присутствие за счет выпуска более мощной модели А50, прошедшей промышленные испытания в прошлом году. Кроме того, в декабре нью-йоркская группа MTI MicroFuel Cells объявила, что ее топливные элементы приобрела торговая компания Intermec Technologies для использования в считывателях радиоидентификационных меток (RFID), встроенных в упаковку продуктов и одежду работников розничных магазинов. По мнению маркетологов MTI, эта продажа - только "первая ласточка", в скором времени можно ожидать новых заказов от этой сферы применения.
Число подобных примеров быстро растет, причем, технологический прогресс обеспечивает зарождение все новых и новых систем. В апреле компания Nuvera Fuel Cells начала принимать заказы на водородный элемент PowerFlow (5 кВт), предназначенный для питания промышленного оборудования. Его можно использовать в устройствах для перемещения материалов, наземного оборудования, строительных механизмов, в горнорудной и лесной промышленности, а также в автомобилях. А вот еще один показательный пример, правда, с некоторым политическим оттенком. В марте японские компании Tokyo Gas, Matsushita Electric Industrial и Ebara установили первый в мире коммерческий генератор на ТЭ, предназначенный для использования в домашних условиях. Он и установлен в доме, принадлежащем премьер-министру Японии Джунитиро Коидзуми.
Тем не менее, все будет развиваться не столь быстро, как утверждают некоторые производители. Компании Toshiba, Medis Technologies и Smart Fuel Cell собираются организовать массовое производство топливных элементов, но, по словам их представителей, - не ранее конца текущего года. Причем, японские фирмы будут пионерами на данном поприще. Не отличается избытком оптимизма и Ballard Power Systems. Судя по ее мартовскому пресс-релизу, жизнеспособная технология ТЭ для автомобилей будет готова к внедрению только в 2010 году.
По словам Фараха Сайда, руководителя проекта, осуществляемого Frost & Sullivan, некоторые промышленные применения оказались первыми нишами для топливных элементов в большой мере потому, что эти сферы сами по себе инициируют экспериментальные технологии. Для компаний данных рыночных сегментов тестирование новинок сопряжено с меньшим риском, чем, например, для производителей лэптопов мобильных телефонов, функционирующих на остроконкурентных рынках. В условиях жесткой ценовой борьбы они попросту не могут внедрять системы с топливными элементами, пока еще слишком дорогими для такого рынка.
Кроме того, ускоренному продвижению ТЭ часто препятствует конфликт интересов, возникающий у компаний, которые выпускают потребительскую электронику - многие из них производят также батарейки и аккумуляторы и вынуждены считаться с условиями рынков литий-ионных и литий-полимерных элементов, на котором тоже царит острейшая конкуренция. Например, недавно Toshiba поставила других участников рынка в трудное положение: в ее мартовском пресс-релизе указано, что компания сумела осуществить прорыв в сфере нанотехно-логий, а ее новые устройства дают возможность резко сократить время подзарядки используемых аккумуляторов. Понятно, что в таких условиях продвижение ТЭ в сектор производства лэптопов потребует значительного времени.
***
Все ниже и ниже
Производители топливных элементов серьезно заняты снижением себестоимости своих устройств, хотя путей для достижения этой цели пока не слишком много. Энергия в них образуется в ходе электрохимической реакции топлива с воздухом и водой; эти компоненты в устройстве разделены тонкопленочной мембраной, препятствующей их неконтролируемому смешению. В большинстве технологий в качестве топлива используют метанол, а катализатором реакции чаще всего служит платина. Именно в этой сфере и проводятся самые интенсивные исследования. Разумеется, определенный прогресс уже не за горами.
Германская компания Brunnthal-Nord разработала способ использования вдвое меньшего объема платины, чем применяется в ТЭ, уже ставших традиционными. В свою очередь, резко уменьшила количество платины в прототипе своего нового элемента и фирма Medis Technologies (это одна из немногих компаний, отказавшихся от использования метанола в качестве топлива, в ее устройствах - смесь боргидрида натрия со щелочью или спиртом). По тому же пути уменьшения количества платины направилась и Smart Fuel Cell, рассчитывая на значительные успехи уже в ближайшем будущем. Однако самый радикальный подход использует британский исследовательский центр John Innes Center, экспериментируя с бактериями, способными заменить платиновый катализатор. Японская компания Fujitsu фокусирует усилия на создании нового типа мембран, и этот же путь избрали многие другие фирмы. Например, Neah Power Systems проводит исследования с мембранами на основе кремния, которые могут значительно удешевить ТЭ в условиях массового производства. Правда, в этой мембране платина все-таки используется, хотя и в значительно меньшем количестве, чем обычно.
Еще одна проблема связана с тем, что сейчас каждый из производителей создает собственную конструкцию ТЭ, которая и обеспечивает его конкурентоспособность, а отсутствие единого стандарта тормозит внедрение этих систем в массовое производство. Тем не менее, понятно, что со временем рынок примет те варианты конструкций, которые окажутся оптимальными в части эффективности и цены. Тогда и произойдет стандартизация, а в настоящее время именно различие направлений исследований только и способствует технологическому прогрессу. Все разработки, в каких бы направлениях они ни велись, преследуют единую цель: создание ТЭ меньшего размера, более легких и, примерно, вдесятеро более мощных, чем используемые сейчас аккумуляторы.
Если желанная цель будет достигнута (с учетом масштабов инвестиций в технологии в этом сомневаться не приходится), спрос на ТЗ быстро пойдет на подъем. Например, аналитики ABI Research утверждают, что рынок товаров массового производства примет такие устройства уже в 2008 году, а через четыре года их продажи дойдут до 100 млн. единиц. В свою очередь, специалисты Frost & Sullivan предсказывают, что в 2007-2008 годах этот рынок будет быстро расширяться, причем, к 2010-му его оборот дойдет до $126 млн. Таким образом, похоже, что отрасль, наконец, достигла реальных успехов. Во всяком случае, у Smart Fuel Cell уже появился прототип первого микроэлемента (С25), продажная цена которого исходно составит около $400, а позднее уменьшится, примерно, до $200.
Тем не менее, теперь, после 15 лет регулярных, но так и не выполяемых обещаний, производителям топливных микроэлементов придется преодолевать не только технологические проблемы, а и скептическое отношение общественности. Например, NEC и Casio Computer, которые собирались предложить свои системы рынку уже в текущем году, перенесли начало коммерческого производства на 2007-й. В свою очередь, и Medis отложила на текущий год выполнение планов, о начале реализации которых объявила в прошлом, таким же образом поступила и Toshiba. Разумеется, задержки с выпуском ТЭ были обусловлены не только технологическими проблемами. Серьезные препятствия связаны также с юридическими вопросами, кроме того, возникли проблемы и с коммерциализацией: для подобных устройств нет инфраструктуры поставок, отсутствуют и промышленные стандарты. Тем не менее, большая часть проблем постепенно решается. Например, хотя Министерство авиации США (Federal Aviation Administration - FAA) все еще препятствует использованию в самолетах большинства типов ТЭ, некоторые компании, включая Smart Fuel Cell и MTI MicroFuel Cells, начинают предлагать продукцию, уже сертифицированную по стандартам воздушного транспорта, правда, не для пассажирских салонов. При этом, ООН, FAA и другие специальные организации тоже стараются ускорить решение потока проблем.
Как бы там ни было, но аналитики не сомневаются, что в конечном итоге ТЭ заменят мини-батарейки и микроаккумуляторы, хотя в краткосрочном плане их будут использовать, главным образом, как зарядные устройства для аккумуляторов электронной аппаратуры. Похоже, что аналогичные системы будут востребованы, в первую очередь, именно на этом рынке: как инженеры, так и потребители не довольны ограничениями существующих источников питания электронных устройств, поэтому ТЭ для начала могут заполнить эту нишу. В отличие от аккумуляторов им не требуется подзарядка, а заполнить их топливом можно при помощи портативных внешних устройств.
По сообщениям пресс-центра Toshiba, топливные элементы компании, выпуск которых начнется в текущем году, предназначены для лэптопов. Кроме того, фирма собирается выпускать основанные на этом же принципе устройства для подзарядки мобильных телефонов. В свою очередь, в 2005 году и Medis рассчитывает запустить массовое производство ТЭ, предназначенных для подзарядки аккумуляторов. Ожидается, что их первыми покупателями станут пункты розничной продажи потребительской электроники: исходно компания выбросит на рынок несколько партий одноразовых устройств, которые можно подключать, например, к аккумулятору мобильного телефона для зарядки, обеспечивающей 20 ч разговорного времени. Стоимость такого метаноло-вого элемента - $19,99.
***
Ваш друг - автомобиль
Производители автомобилей тоже проявляют активный интерес к топливным элементам. Например, в марте General Motors торжественно вручила технологам американской армии ключи от грузовика Chevrolet Silverado, оснащенного ТЭ. Это первая модель такого типа, но, по словам специалистов компании, модифицированный Silverado можно сопоставить по мощности с газовым автомобилем с восьмицилиндровым двигателем объемом 5,3 л. Новый армейский грузовик оснащен двумя топливными элементами по 94 кВт каждый, обеспечивающими крутящий момент вплоть до 317 фунтов.
Энергия в этих устройствах образуется в ходе электрохимической реакции превращения водорода в воду, сопровождаемой выделением электричества.
Водородом заряжены три бака автомобиля под давлением 10 тыс. фунтов на кв. дюйм (производит компания Quantum Technologies). Этого количества топлива достаточно на 125 миль пробега. По словам технологов General Motors, следующие модели будут отличаться большей экономичностью. Такое грузовое транспортное средство представляет собой экспериментальную модель, не предназначенную для поставок за рубеж. После тестирования армейскими технологами Chevrolet Silverado будет на протяжении 14 месяцев развозить почту на базе в Вирджинии. При успешных испытаниях эта модель может пополнить автомобильный парк Министерства обороны США (на сегодняшний день - крупнейший в мире). В принципе, General Motors уже довольно давно сотрудничает с Пентагоном, поставляя почти половину "нетактических" военных "транспортников" из ежегодно закупаемых для армии автосредств.
Понятно, что интерес военных будет способствовать коммерциализации автомобилей с ТЭ, поэтому на армию ориентируются и многие другие их производители. В частности, именно Вооруженные Силы сейчас проводят тестирование продукции компаний UTC Fuel Cells, Avista Labs, Protonex Technology и Millennium Cell. В свою очередь, Hydrogenics в декабре передала свои устройства Пентагону для тестирования в качестве буксировщиков самолетов.
По словам вице-президента General Motors Элизабет Лауэ-ри, партнерство, заключенное для тестирования Chevrolet Silverado, даст возможность военным ознакомиться с коммерческими технологиями ТЭ следующего поколения. Компания рассчитывает, что интерес Пентагона будет способствовать прогрессу, а это приведет к сокращению затрат и создаст потенциал для будущих совместных разработок. Кроме того, появление армейских грузовиков с ТЭ выведет на новую спираль развитие водородной инфраструктуры. Правда, аналитики сомневаются в реальности таких планов: высокая стоимость технологии будет еще долгие годы препятствовать их широкомасштабному внедрению, так что несмотря на поддержку многих штатов водородная инфраструктура - тоже дело весьма отдаленного будущего.
Еще одна из многих проблем заключается в том, что, хотя водород весит втрое меньше бензина, обеспечивая по энергии тот же показатель, при этом, он занимает вчетверо больший объем. Это означает, что необходимо либо устанавливать на автомобили баки большей емкости, либо разрабатывать принципиально иные способы хранения газа. Компания предпочитает сохранять в своих моделях конфигурацию обычного автомобиля с газовым питанием, хотя, скорее всего, реально будет задействована комбинация из обоих вариантов.
Теоретически водород можно было бы хранить в металлогидридах, содержащих больше водорода на единицу объема, чем чистый газ. Для успеха на рынке достаточно, чтобы эти материалы могли содержать 5-6% водорода. При этом, у современных гидридов этот показатель на уровне 5-9%. Тем не менее, для этого требуется температура в диапазоне 525-1650°F. Однако в случае дестабилизации некоторые из этих материалов могут содержать до 5% водорода при температурах и давлениях, которые можно реализовать в условиях автомобиля. Например, дестабилизированный гидрид магния может содержать 5% водорода всего при 80°F. С другой стороны, технологи считают нерациональным использовать более 5% энергии ТЭ только на заданной температуре. Кроме того, следует предусмотреть систему быстрого охлаждения топливного бака во время заправки, что необходимо для образования водородом связи с другими элементами. Процесс заправки должен быть быстрым и простым, иначе потенциальные потребители не примут новой модели.
Существуют и иные проблемы, тем не менее, у каждой из них свои пути решения, и компания надеется в обозримом будущем начать серийное производство новых автомобилей. На январской выставке в Детройте General Motors представила свою современную концептуальную модель Sequel на топливных элементах. У новинки три бака общей емкостью, вдвое превышающей емкость обычного газового баллона, который обычно устанавливается на автомбвиле. На этом запасе топлива пробег составляет 300 миль. Компания рассчитывает начать ходовые испытания Sequel в конце текущего года, а организацию продаж их приурочивает к 2010 году.
(По материалам hfpeurope.org, redherring.com, archive.wn.com, europa.eu.int, azom.com).
