Коли в 1960-х роках NASA почало інвестувати в технологію паливних елементів, весь інший світ усе ще задовольнявся викопним паливом. Простий імператив, який спонукав NASA вивчити нові способи отримання і зберігання енергії, полягав у нищівній вартості запуску маси в космос: близько 10 000 доларів за фунт.
"Інтерес NASA до паливних елементів не мав нічого спільного з альтернативною енергетикою — у нас не було жодної альтернативи", — каже Джон Скотт, головний технолог NASA з питань енергетики та зберігання енергії. "Ми повинні були змусити їх працювати, щоб виконати місію".
Найперші космічні кораблі NASA з екіпажем покладалися на акумулятори для бортового живлення. Однак для тривалого польоту на Місяць знадобилося б більше батарей, ніж можна було б запустити.
Космічний центр NASA імені Джонсона в Г'юстоні, який тоді називався Центром пілотованих космічних кораблів, взявся за вирішення цієї проблеми. Інженери розглядали паливні елементи як потенційне рішення, оскільки вони володіли вищою питомою енергією, ніж тодішні батареї, а отже, принаймні теоретично, могли забезпечити більше енергії на фунт протягом тривалого польоту. Однак, незважаючи на те, що концепція паливних елементів існує вже понад століття, вона так і не знайшла практичного застосування.
NASA виділило кошти компаніям General Electric, Allis-Chalmers Energy і підрозділу Pratt & Whitney на розробку прототипів паливних елементів, а General Electric уклала контракт на поставку паливних елементів для космічного корабля Gemini, який запустили в рамках підготовки до польоту на Місяць Apollo.
Для паливних елементів "Аполлона" NASA обрало групу Pratt & Whitney, яка стала UTC Power, постачальником паливних елементів для всіх космічних шатлів і місцем розробки паливних елементів NASA на наступні десятиліття. Завдяки тому, що космічне агентство фінансувало і визначало розвиток паливних елементів, UTC в кінцевому підсумку зайнялася комерційними паливними елементами. Після завершення програми Space Shuttle у 2011 році компанія кілька разів змінювала власників і тепер відома як HyAxiom Inc., будучи дочірньою компанією південнокорейської Doosan Group.
Зараз HyAxiom, яка, як і раніше, виробляє паливні елементи на тому самому заводі в Саут-Віндзорі, штат Коннектикут, що і NASA, переживає ренесанс, оскільки альтернативна енергія все частіше розглядається як шлях у майбутнє.
Різні паливні елементи, однакові основи
На відміну від батареї, яка лише накопичує енергію, паливний елемент виробляє електрику і тепло, коли водень і кисень з'єднуються в електроліті. Побічний продукт цієї реакції більш ніж нешкідливий — це вода. Саме ця екологічна перевага робить паливні елементи привабливими сьогодні.
У той час як паливний елемент Gemini був заснований на протонообмінній мембрані (ПЕМ), елементи, які UTC Power виробляла для Apollo і космічного човника, були лужними паливними елементами. Лужні елементи надзвичайно ефективні з погляду маси, але для комерційного застосування вони виявилися занадто клопіткими. Однак технологія, що лежить в їхній основі, багато в чому схожа для різних типів паливних елементів.
Під час програми шатлів космічне агентство фінансувало удосконалення, які, наприклад, подвоїли термін служби паливних елементів шатлів з 2 500 до 5 000 годин.
UTC Power випустила свій перший комерційний продукт, 200-кіловатний паливний елемент на фосфорній кислоті, у середині 1990-х років. За словами Срідхара Канурі, директора з технологій HyAxiom, компанія вибрала для комерційного використання елементи з електролітом на основі фосфорної кислоти частково через їхній тривалий термін служби, відносно поширені матеріали і стійкість до домішок. Вони також можуть працювати на природному або зрідженому нафтовому газі, при цьому реформер на передньому кінці осередку перетворює газ на водень для живлення водневого паливного елемента. Приблизно через 10 років компанія випустила 440-кіловатні версії з більшою ефективністю і вдвічі більшим терміном служби, каже Канурі. Ця лінійка продуктів HyAxiom випускається і сьогодні.
"У моделях, які вони побудували для цих продуктів, які ми використовуємо сьогодні, багато чого з електрохімії було закладено в космічній програмі", — каже Канурі. "Отримані знання були перенесені на інші продукти".
Після придбання компанії Doosan у 2014 році, почасти тому, що ця угода відкрила для неї зростаючий корейський ринок, виробництво HyAxiom тепер становить близько 120 одиниць на рік.
Підвищення ефективності, зниження витрат
У Сполучених Штатах ці паливні елементи тепер можна зустріти в магазинах Whole Foods, Stop & Shop і ShopRite. Вони також живлять завод із розливу кока-коли, розташований неподалік від підприємств HyAxiom. Університет Коннектикуту і Рочестерський технологічний інститут використовують паливні елементи компанії, а також студії CBS у Каліфорнії і новий Всесвітній торговий центр у Нью-Йорку. Компанія San Diego Gas and Electric використовує комірки у своїй електромережі. "Тож ці паливні елементи розкидані по всьому східному і західному узбережжю", — каже Канурі.
Корейський ринок, тим часом, в основному пов'язаний з комунальними службами. "Вони встановлюють десятки мегават цих паливних елементів на одному об'єкті", — каже Канурі. "У такій конфігурації ми розміщуємо від 10 до 125 електростанцій на паливних елементах в одному місці".
Уряд Південної Кореї пропонує стимули для використання паливних елементів, але ця технологія має і свої стимули, каже він. Тоді як генерація електроенергії на природному газі у звичайній електричній мережі працює з ККД близько 35%, паливні елементи HyAxiom працюють з ККД 43%, тому вони вже мають перевагу, залежно від того, наскільки близько вони розташовані до кінцевих споживачів. Але справжня хитрість полягає в тому, щоб використовувати тепло, яке вони виробляють як побічний продукт. Корейські комунальні служби часто включають в себе мережі централізованого теплопостачання, які можуть відбирати тепло від паливних елементів, доводячи їх ефективність до 70%. А за грамотного проектування можна домогтися ще більшої ефективності. Наприклад, за словами Канурі, казино Mohegan Sun у Коннектикуті вдалося домогтися майже 90-відсоткової ефективності від своїх паливних елементів HyAxiom, щільно інтегрувавши їх у систему опалення, використовуючи тепло для підігріву води і навіть тротуарів.
За словами Канурі, оскільки уряди по всьому світу починають вкладати значні кошти в технології паливних елементів, а компанії конкурують між собою, щоб задовольнити зростаючий попит, ціна на паливні елементи має впасти. "Якщо ми зможемо впровадити новітню технологію в масове виробництво, я думаю, що саме в цьому випадку вартість різко знизиться", — сказав він. "Сьогодні ми виробляємо паливні елементи на сотні мегават. Якщо ми зможемо перейти до гігаватних паливних елементів, тоді ви зможете обійти електромережі за вартістю".
Уряд США планує використовувати паливні елементи для зберігання енергії з поновлюваних джерел. Електрика від сонячних батарей або вітряних турбін електролізуватиме воду в чистий водень і кисень, а накопичений водень живитиме паливні елементи за відсутності сонця або вітру.
Компанія HyAxiom модифікувала свою технологію для роботи на цьому чистому водні та вже встановила 50 мегават таких паливних елементів на нафтохімічному комплексі, щоб генерувати енергію з водню, який інакше був би викинутий в атмосферу.
Попередник HyAxiom, UTC Power, також допомагав різним компаніям розробляти ПЕМ-паливні елементи для автомобілів. UTC придбала патенти на ПЕМ-паливні елементи кілька десятиліть тому у General Electric, яка займалася виготовленням ПЕМ-елементів для Gemini. UTC працювала над технологією паливних елементів з компаніями Ford, Toyota, Hyundai, Nissan і BMW. "Вони проводили з нами програми розвитку, в рамках яких ми передавали їм знання і робили прототипи", — каже Канурі. Зараз принаймні три з цих компаній мають автомобілі на паливних елементах в обмеженому виробництві.
Скотт каже, що сьогодні немає жодного комерційного паливного елемента, який не завдячував би раннім дослідженням NASA в галузі цієї технології. "Усі ці компанії ведуть свою інтелектуальну власність, корпоративну спадщину, навіть покоління персоналу до тих трьох компаній, які NASA фінансувало на початку 60-х років", — сказав він.
