Когда в 1960-х годах NASA начало инвестировать в технологию топливных элементов, весь остальной мир все еще довольствовался ископаемым топливом. Простой императив, побудивший NASA изучить новые способы получения и хранения энергии, заключался в сокрушительной стоимости запуска массы в космос: порядка 10 000 долларов за фунт.
"Интерес NASA к топливным элементам не имел ничего общего с альтернативной энергетикой — у нас не было никакой альтернативы", — говорит Джон Скотт, главный технолог NASA по вопросам энергетики и хранения энергии. "Мы должны были заставить их работать, чтобы выполнить миссию".
Самые первые космические корабли NASA с экипажем полагались на аккумуляторы для бортового питания. Однако для длительного полета на Луну потребовалось бы больше батарей, чем можно было бы запустить.
Космический центр NASA имени Джонсона в Хьюстоне, который тогда назывался Центром пилотируемых космических кораблей, взялся за решение этой проблемы. Инженеры рассматривали топливные элементы как потенциальное решение, поскольку они обладали более высокой удельной энергией, чем тогдашние батареи, а значит, по крайней мере теоретически, могли обеспечить больше энергии на фунт в течение длительного полета. Однако, несмотря на то, что концепция топливных элементов существует уже более века, она так и не нашла практического применения.
NASA выделило средства компаниям General Electric, Allis-Chalmers Energy и подразделению Pratt & Whitney на разработку прототипов топливных элементов, а General Electric заключила контракт на поставку топливных элементов для космического корабля Gemini, который был запущен в рамках подготовки к полету на Луну Apollo.
Для топливных элементов "Аполлона" NASA выбрало группу Pratt & Whitney, которая стала UTC Power, поставщиком топливных элементов для всех космических шаттлов и местом разработки топливных элементов NASA на последующие десятилетия. Благодаря тому, что космическое агентство финансировало и определяло развитие топливных элементов, UTC в конечном итоге занялась коммерческими топливными элементами. После завершения программы Space Shuttle в 2011 году компания несколько раз меняла владельцев и теперь известна как HyAxiom Inc., являясь дочерней компанией южнокорейской Doosan Group.
Сейчас HyAxiom, которая по-прежнему производит топливные элементы на том же заводе в Саут-Виндзоре, штат Коннектикут, что и NASA, переживает ренессанс, поскольку альтернативная энергия все чаще рассматривается как путь в будущее.
Разные топливные элементы, одинаковые основы
В отличие от батареи, которая только накапливает энергию, топливный элемент вырабатывает электричество и тепло, когда водород и кислород соединяются в электролите. Побочный продукт этой реакции более чем безвреден — это вода. Именно это экологическое преимущество делает топливные элементы привлекательными сегодня.
В то время как топливный элемент Gemini был основан на протонообменной мембране (ПЭМ), элементы, которые UTC Power производила для Apollo и космического челнока, были щелочными топливными элементами. Щелочные элементы чрезвычайно эффективны с точки зрения массы, но для коммерческого применения они оказались слишком хлопотными. Однако технология, лежащая в их основе, во многом схожа для разных типов топливных элементов.
Во время программы шаттлов космическое агентство финансировало усовершенствования, которые, например, удвоили срок службы топливных элементов шаттлов с 2 500 до 5 000 часов.
UTC Power выпустила свой первый коммерческий продукт, 200-киловаттный топливный элемент на фосфорной кислоте, в середине 1990-х годов. По словам Сридхара Канури, директора по технологиям HyAxiom, компания выбрала для коммерческого использования элементы с электролитом на основе фосфорной кислоты отчасти из-за их длительного срока службы, относительно распространенных материалов и устойчивости к примесям. Они также могут работать на природном или сжиженном нефтяном газе, при этом реформер на переднем конце ячейки преобразует газ в водород для питания водородного топливного элемента. Примерно через 10 лет компания выпустила 440-киловаттные версии с большей эффективностью и вдвое большим сроком службы, говорит Канури. Эта линейка продуктов HyAxiom выпускается и сегодня.
"В моделях, которые они построили для этих продуктов, которые мы используем сегодня, многое из электрохимии было заложено в космической программе", — говорит Канури. "Полученные знания были перенесены на другие продукты".
После приобретения компании Doosan в 2014 году, отчасти потому, что эта сделка открыла для нее растущий корейский рынок, производство HyAxiom теперь составляет около 120 единиц в год.
Повышение эффективности, снижение затрат
В Соединенных Штатах эти топливные элементы теперь можно встретить в магазинах Whole Foods, Stop & Shop и ShopRite. Они также питают завод по розливу кока-колы, расположенный неподалеку от предприятий HyAxiom. Университет Коннектикута и Рочестерский технологический институт используют топливные элементы компании, а также студии CBS в Калифорнии и новый Всемирный торговый центр в Нью-Йорке. Компания San Diego Gas and Electric использует ячейки в своей электросети. "Так что эти топливные элементы разбросаны по всему восточному и западному побережью", — говорит Канури.
Корейский рынок, между тем, в основном связан с коммунальными службами. "Они устанавливают десятки мегаватт этих топливных элементов на одном объекте", — говорит Канури. "В такой конфигурации мы размещаем от 10 до 125 электростанций на топливных элементах в одном месте".
Правительство Южной Кореи предлагает стимулы для использования топливных элементов, но у этой технологии есть и свои стимулы, говорит он. В то время как генерация электроэнергии на природном газе в обычной электрической сети работает с КПД около 35%, топливные элементы HyAxiom работают с КПД 43%, поэтому они уже имеют преимущество, в зависимости от того, насколько близко они расположены к конечным потребителям. Но настоящая хитрость заключается в том, чтобы использовать тепло, которое они производят в качестве побочного продукта. Корейские коммунальные службы часто включают в себя сети централизованного теплоснабжения, которые могут отбирать тепло от топливных элементов, доводя их эффективность до 70%. А при грамотном проектировании можно добиться еще большей эффективности. Например, по словам Канури, казино Mohegan Sun в Коннектикуте удалось добиться почти 90-процентной эффективности от своих топливных элементов HyAxiom, плотно интегрировав их в систему отопления, используя тепло для подогрева воды и даже тротуаров.
По словам Канури, поскольку правительства по всему миру начинают вкладывать значительные средства в технологии топливных элементов, а компании конкурируют между собой, чтобы удовлетворить растущий спрос, цена на топливные элементы должна упасть. "Если мы сможем внедрить новейшую технологию в массовое производство, я думаю, что именно в этом случае стоимость резко снизится", — сказал он. "Сегодня мы производим топливные элементы на сотни мегаватт. Если мы сможем перейти к гигаваттным топливным элементам, тогда вы сможете обойти электросети по стоимости".
Правительство США планирует использовать топливные элементы для хранения энергии из возобновляемых источников. Электричество от солнечных батарей или ветряных турбин будет электролизировать воду в чистый водород и кислород, а накопленный водород будет питать топливные элементы в отсутствие солнца или ветра.
Компания HyAxiom модифицировала свою технологию для работы на этом чистом водороде и уже установила 50 мегаватт таких топливных элементов на нефтехимическом комплексе, чтобы генерировать энергию из водорода, который в противном случае был бы выброшен в атмосферу.
Предшественник HyAxiom, UTC Power, также помогал различным компаниям разрабатывать ПЭМ-топливные элементы для автомобилей. UTC приобрела патенты на ПЭМ-топливные элементы несколько десятилетий назад у General Electric, которая занималась изготовлением ПЭМ-элементов для Gemini. UTC работала над технологией топливных элементов с компаниями Ford, Toyota, Hyundai, Nissan и BMW. "Они проводили с нами программы развития, в рамках которых мы передавали им знания и делали прототипы", — говорит Канури. Сейчас по крайней мере три из этих компаний имеют автомобили на топливных элементах в ограниченном производстве.
Скотт говорит, что сегодня нет ни одного коммерческого топливного элемента, который не был бы обязан ранним исследованиям NASA в области этой технологии. "Все эти компании ведут свою интеллектуальную собственность, корпоративное наследие, даже поколения персонала к тем трем компаниям, которые NASA финансировало в начале 60-х годов", — сказал он.
