Технологии топливных элементов: терминология, методы оценки эффективности, требования безопасности

ВИЗИТНАЯ КАРТОЧКА

Александр Юрьевич Раменский, к.т.н.

Президент Национальной ассоциации водородной энергетики (НАВЭ РФ)

Вице-президент Международной ассоциации водородной энергетики (IAHE)

Председатель технического комитета РОССТАНДАРТА «Водородные технологии» (ТК 029)

Формирование терминологии, методов оценки эффективности и требований безопасности в рамках национальной технической политики для топливных элементов (ТЭ) и тесно связанных с ними водородных технологий (ВТ) на современном этапе осуществляется на основе национальных стандартов, идентичных стандартам ИСО, МЭК и других институтов технического регулирования, соответствующих мировому уровню развития науки и техники в этом инновационном секторе глобального рынка. В связи c этим темпы формирования нормативно-правовой базы (НПБ) для ВТ и ТЭ существенно опережают состояние дел в области коммерциализации топливных элементов в Российской Федерации. Создана передовая НПБ, опираясь на которую, российская промышленность может начать выпускать на внутренний и международный рынок машины и оборудование, соответствующие лучшим мировым аналогам.

В Российской Федерации проблемами терминологии занимается Технический комитет ТК 055 «Терминология, элементы данных и документация в бизнес-процессах и электронной торговле» (организация, ведущая секретариат, – ФГУП «СТАНДАРТИНФОРМ», приказ Росстандарта от 19 апреля 2017 года № 824).

Тематика, связанная со стандартизацией топливных элементов и водородных технологий, в том числе в области терминологии, оценки соответствия и эффективности, а также требований безопасности, относится к компетенции Технического комитета ТК 029 «Водородные технологии» (организация, ведущая секретариат, – НП НАВЭ, приказ Росстандарта от 14 июля 2017 года № 1538).

Координация работ, направленная на разработку стандартов в смежных отраслях промышленности, энергетики, транспорта и связи, осуществляется в рамках сотрудничества соответствующих технических комитетов Росстандарта в рабочем порядке.

Принимая во внимание, что транспортные средства на топливных элементах (ТСТЭ) являются разновидностью электрического транспортного средства, часть вопросов, связанных с тематикой ТЭ и ВТ, рассматривается в технических комитетах Росстандарта, в сфере ответственности которых находятся вопросы стандартизации соответствующих отраслей.

Дополнительную информацию о состоянии дел в продвижении технологий топливных элементов и сопутствующих им водородных технологий в Российской Федерации и в мире можно получить, ознакомившись с другими работами автора.

Введение

Под коммерциализацией инновационного продукта, к которому, безусловно, относится все разнообразие технологий топливных элементов, принято понимать процесс превращения такого продукта в рыночный товар с целью извлечения прибыли. При этом следует иметь в виду, что для каждого товара, вида работ или услуг важно не только правильно установить их рыночную стоимость, но и однозначно определиться с терминологией, методами оценки качества продукции при обращении на товарном рынке, а также создать условия, исключающие риск возникновения путаницы в учете товаров и введения в заблуждение потребителя.

Важным фактором продвижения новых товаров является система оценки эффективности выпускаемой продукции, соответствия установленным критериям качества, а также требованиям безопасности.

В связи с этим создание системы стандартов, связанных с хождением на рынке инновационного продукта, определение требований к качеству продукции на всех стадиях ее разработки, изготовления, эксплуатации и утилизации является основополагающим принципом государственного регулирования, установленного федеральными законами «О техническом регулировании» от 27 декабря 2002 года № 184-ФЗ и «О стандартизации в Российской Федерации» от 29 июня 2015 года № 162-ФЗ.

В частности, Федеральный закон № 162-ФЗ определяет цели стандартизации следующим образом:

1) содействие социально-экономическому развитию Российской Федерации;

2) содействие интеграции Российской Фе­де­-рации в мировую экономику и международные системы стандартизации в качестве равноправного партнера;

3) улучшение качества жизни населения страны;

4) обеспечение обороны страны и безопасности государства;

5) техническое перевооружение промышленности;

6) повышение качества продукции, выполнения работ, оказания услуг и повышение конкурентоспособности продукции российского производства.

Разработка стандартов в области топливных элементов в частности и сопутствующих им водородных технологий осуществляется при поддержке Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт), в рамках деятельности Технического комитета по стандартизации ТК 029 «Водородные технологии» и его базовой организации Национальной ассоциации водородной энергетики (НП НАВЭ), более 10 лет. В настоящее время Росстандарт ввел 33 нацио­нальных стандарта в указанных инновационных областях.

Таким образом, появилась возможность сформировать нормативно-правовую базу, соответствующую глобальному рынку инновационных технологий топливных элементов и сопутствующих им водородных технологий, темпами, опережающими состояние дел в области коммерциализации топливных элементов в Российской Федерации. Насколько такая стратегическая инициатива, предложенная Национальной ассоциацией водородной энергетики и осуществляемая в рамках формирующейся программы российской макро­экономики, направленной на достижение технологического лидерства страны, скажется на коммерциализации этой инновационной отрасли, станет ясно уже в самое ближайшее время.

1. Особенности формирования системы стандартизации

Стандартизацией топливных элементов занимается Международная электротехническая комиссия, МЭК (International Electrotechnical, IEC), представляющая собой международную некоммерческую организацию по стандартизации в области электрических, электронных и смежных технологий. На практике эту работу осуществляет Технический комитет в области стандартизации «Технологии топливных элементов» («IEC/TC105 Fuel Cell Technologies»). В состав IEC/TC105 входят 32 страны, в том числе 17 стран-участниц (Participating Сountries), имеющих статус «P», и 15 стран-наблюдателей (Observer Countries), имеющих статус «O». Официальные языки МЭК – английский, французский и русский. Право издания международных стандартов на русском языке предоставлено Российской Федерации как правопреемнице СССР, но реализуется нацио­нальным органом по стандартизации крайне редко. Вместе с тем Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт) разработало и утвердило процедуры, связанные с изданием международных стандартов на русском языке для лиц, заинтересованных в ускоренных темпах продвижения на нацио­нальный рынок новейших международных стандартов. Приказ Росстандарта от 5 мая 2016 года № 546 «Об утверждении Порядка и условий применения международных стандартов, межгосударственных стандартов, а также стандартов иностранных государств» устанавливает процедуры перевода, регистрации и применения указанных стандартов в Российской Федерации.

Важным фактором, формирующим критерии оценки эффективности энергоустановок на топливных элементах, является система стандартов, определяющая методы испытаний для определения рабочих характеристик единичных топливных элементов, блоков ТЭ, модулей ТЭ и энергоустановок в целом, а также требования безопасности при их разработке, производстве и эксплуатации.

Имплементация международных стандартов в национальную и межгосударственную систему стандартизации содействует интеграции Российской Федерации в мировую экономику и международные системы стандартизации в качестве равноправного партнера. Однако иногда создает трудности отечественным предприятиям, которые не готовы технологически принять такой уровень технического регулирования. В отдельных случаях такие предприятия используют стандарты 30–40-летней давности. Причем такую вольность в России позволяют себе даже дочерние компании международных лидеров в области водородных технологий.

В табл. 1 представлен перечень национальных стандартов в области топливных элементов, а также указана степень их гармонизации с международными стандартами ИСО и МЭК, непосредственно связанными с вопросами формирования технической политики в области ТЭ. В целом перечень национальных стандартов, учитывающих требования безопасности, методы испытания, оценки эффективности и качества продукции, связанной с водородными технологиями, гораздо шире и охватывает области производства, хранения и транспортирования водорода, а также требования к конструкции машин и оборудования, работающих на водородном топливе.

2. Вопросы формирования терминологии

По выражению А. А. Реформатского, известного советского лингвиста, «…в терминах отражается социально организованная действительность, поэтому термины имеют социально обязательный характер» [1].

В соответствии с ГОСТ Р 51303–2013 «Торговля. Термины и определения», товар: объект гражданских прав (работа, услуга), предназначенный для продажи, обмена или иного введения в оборот.

В условиях формирующегося рынка вероятность возникновения финансовых рисков, обусловленных отсутствием единообразия терминов, а также методов испытания, требований к качеству и безопасности товара исключить невозможно. Вместе с тем задача государственной системы технического регулирования и стандартизации заключается в том, чтобы устранить возникновение этого негативного явления на самых ранних этапах товарного обращения.

Технологии топливных элементов (ТЭ) в настоящее время в нашей стране выходят из стадии НИОКР на просторы коммерциализации с существенным отставанием по сравнению с общепризнанными мировыми лидерами. Это обстоятельство определяет специфику формирования как самого рынка таких технологий, так и системы технического регулирования, а также стандартизации. Это обусловливает необходимость гармонизации национальной системы стандартизации и существующей международной системой кодов и стандартов.

Надо иметь в виду, что большая часть таких международных стандартов была разработана под кооперацию существующих уже производств, и в ней уже учтены особенности глобального промышленного применения топливных элементов в энергетике, транспорте и связи.

Рассматривая вопросы терминологии в области ТЭ, следует обратить внимание но то, что первая редакция международного стандарта IEC TS62282–1 «Fuel cell technologies – Part 1: Terminology» («Технологии топливных элементов. Часть 1. Терминология») была издана более десяти лет тому назад, а с 2013 года действует уже его третья редакция. Из этого следует, что мировое водородное сообщество в значительной степени отработало все формулировки и определения.

В национальной системе стандартизации вопросы терминологии в области ТЭ отражены в ГОСТ Р 56188.1–2014/IEC/TS62282–1:2010 «Технологии топливных элементов. Часть 1. Терминология», идентичном IEC/TS62282–1:2010, который был разработан НП НАВЭ и внесен Техническим комитетом по стандартизации ТК 029 «Водородные технологии». Надо сказать, что в настоящее время несколькими техническими комитетами проводится работа по созданию системы стандартизации для топливных элементов в отдельных областях, например в области, связанной с созданием беспилотных летательных аппаратов на топливных элементах. Важно, чтобы формирующаяся отраслевая НПБ, в том числе в области терминологии, в этом случае строго соответствовала основополагающим национальным и международным стандартам и не создавала неопределенность в их совместном применении.

Переполнение рынка всякого рода «корпоративными определениями», «сленговыми терминами» часто является сдерживающим фактором самого процесса коммерциализации. Вместе с тем менеджеры отечественных предприятий, инновационных фондов и даже чиновники государственных структур, понимая важность единообразия терминов, определений, названий товарной продукции, а также технологий, связанных с ее разработкой, изготовлением и эксплуатацией, все-таки допускают несогласованность терминов в различных актах нормативно-правовой документации. Продвигая инновационную продукцию на отечественный рынок, важно с самого начала обеспечить соответствие товаров, работ и услуг международным и национальным стандартам, которые определяют единую терминологию, формируют требования безопасности, устанавливают методы измерения, оценки качества продукции, определяют форму и содержание документации по эксплуатации, монтажу и их техническому обслуживанию.

При наличии опережающих темпов формирования НПБ топливных элементов реальный рынок адаптируется к сложившимся условиям медленно. Низкими темпами идет «переваривание» уже принятых Росстандартом национальных стандартов, и несмотря на то что они в большей своей части идентичны международным стандартам ИСО и МЭК, среди участников рынка наблюдается стремление к «корпоративной индивидуальности».

Наиболее ярким примером несогласованности в области формирования единой технической политики, связанной с терминологией, можно считать использование термина «электромобиль». В частности, в соответствии с ГОСТ Р 54811–2011 «Электромобили. Методы испытаний на активную и пассивную безопасность» (разработчик НАМИ), «электромобиль» (ЭМ) определен как «колесное транспортное (автотранспортное) средство категорий М1 и N1 по ГОСТ Р 52051, приводимое в движение одним или несколькими электрическими двигателями, получающими энергию от аккумуляторных батарей, емкостных накопителей и (или) топливных элементов, предназначенное для эксплуатации на автомобильных дорогах общего пользования и на дорогах, специально предназначенных для ЭМ». (Троллейвозы, включая троллейбусы, в настоящем стандарте к электромобилям не относятся.)

В Российской Федерации также введен ГОСТ Р 56188.1–2014/IEC/TS62282–1:2010 «Технологии топливных элементов. Часть 1. Терминология», идентичный соответствующему международному стандарту МЭК IEC/TS62282–1:2013 (разработан НАВЭ), из которого следует, что ТСТЭ представляет собой «электрическое транспортное средство, в котором энергетическая система на топливных элементах подает питание на электродвигатель для приведения транспортного средства в движение».

В то же время постановлением Пра­вительства РФ от 12 июля 2017 года № 832 «О внесении изменений в постановление Совета Министров – Правительства Российской Федерации от 23 октября 1993 года № 1090» дано определение электромобиля в целях использования для Правил дорожного движения (ПДД) Российской Федерации, в следующей редакции: «Электромобиль – транспортное средство, приводимое в движение исключительно электрическим двигателем и заряжаемое с помощью внешнего источника электроэнергии». Внимательный читатель обратит внимание на то, что определение, приведенное в постановлении Правительства РФ № 832, существенно отличается от определения, данного в ГОСТ Р 54811–2011. В частности, для целей применения в ПДД понятие ЭМ ограничивается только использованием электрических транспортных средств, «заряжаемых с помощью внешнего источника энергии». Вероятней всего, речь идет об аккумуляторных электрических дорожных транспортных средствах по ГОСТ Р 54811–2011. Таким образом, если исходить из ПДД, определение ЭМ не распространяется на ТС с системой топливных элементов, работающих на водородном топливе. Непосвященный читатель скажет: ну и что, как такая «мелочь» может отразиться на стратегической инициативе НАВЭ, осуществляемой в рамках формирующейся программы российской макроэкономики, направленной на достижение технологического лидерства страны?

Давайте разберемся. Надо иметь в виду, что Технический регламент Таможенного союза ТР ТС 018/2011 «О безопасности колесных транспортных средств» не содержит даже упоминания о ТСТЭ, в нем регулируются юридические нормы только в отношении ЭМ, формулировка ПДД исключает ТСТЭ и классификации ЭМ.

Конечно, формулировка ТСТЭ, приведенная в ГОСТ Р 54811–2011 и ГОСТ Р 56188.1–2014/IEC/TS62282–1:2010, тоже имеет вес в споре экспертов, представляющих интересы дорожных служб страны, МВД и экспертов автопрома и водородного сообщества, но что произойдет, если такая формулировка будет внесена в Федеральный закон от 15 ноября 1995 года № 196-ФЗ «О безопасности дорожного движения» при принятии очередных изменений, сказать трудно. Встает закономерный вопрос: зачем создавать такие технологические барьеры – чтобы их потом героически преодолевать?

Есть и более «мелкие» темы. Например, постановлением Правительства Москвы от 17 мая 2013 года № 289-ПП «Об организации платных городских парковок в городе Москве» (п. 2.1.4) установлены льготы, предоставляющие владельцам электромобилей возможность бесплатной парковки на любых парковочных местах, за исключением мест для парковки автотранспортных средств инвалидов, обозначенных соответствующими дорожными знаками и (или) разметкой, где размещение иных транспортных средств запрещено. Как будут реагировать инспекторы ГБДД или представители других служб на парковку ТСТЭ на местах, предназначенных для ЭМ, нетрудно догадаться…

3. Технические требования к водородному топливу для топливных элементов

Следует иметь в виду, что в Российской Федерации водород широко применяется в различных областях, в том числе в химической, пищевой, стекольной промышленности и др. В этих отраслях распространение получили следующие национальные стандарты:

– ГОСТ 3022–80 «Водород технический, Технические условия», разработанный Минудобрений СССР (марки – А, Б);

– ГОСТ Р 51673–2002 «Водород газообразный чистый. Технические условия», разработанный ФГУП НИИХИММАШ, ЗАО НТА «Наука», АО «ГИАП» (сорт – высший, первый, второй);

– ГОСТ Р 56248–2014 «Водород жидкий. Технические условия», разработанный ФКП «НИЦ РКП» и введенный ТК 60 «Химия» (марки – А, Б).

Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт) ввело в действие серию национальных стандартов, идентичных международным стандартам ИСО, определяющих требования к водороду как топливу для энергоустановок различного применения, в том числе:

– ГОСТ Р ИСО 14687–1–2012 «Топливо водородное. Технические условия на продукт. Часть 1. Все случаи применения, кроме использования в топливных элементах с протонообменной мембраной, применяемых в дорожных транспортных средствах», идентичный ISO 14687–1:1999 «Hydrogenfuel – Product specification – Part 1: All application sexcept proton exchange membrane (PEM)»;

– ГОСТ Р 55466–2013/ISO/TS14687–2–2008 «Топливо водородное. Технические условия на продукт. Часть 2. Применение водорода для топливных элементов с протонообменной мембраной дорожных транспортных средств», идентичный ISO 14687–2:2008 «Hydrogenfuel – Product specification – Part 2: Proton exchange membrane (PEM) fuel cell applications for road vehicles»;

– ГОСТ ISO 14687–3–2016 «Топливо водородное. Технические условия на продукт. Часть 3. Применение для топливных элементов с протонообменной мембраной стационарных энергоустановок», идентичный ISO 14687–3:2014 «Hydrogen fuel – Product specification – Part 3: Proton exchange membrane (PEM) fuel cell applications for stationary appliances».

В соответствии с указанными стандартами водород в качестве топлива для различных видов энергоустановок классифицируется следующим образом:

– тип I, сорт A – топливо для двигателей внут­реннего сгорания, использующихся в транспортных средствах и жилищно-коммунальном хозяйстве;

– тип I, сорт B – топливо для промышленного применения при производстве электроэнергии или в качестве источника тепла;

– тип I, сорт C – топливо, используемое в наземных вспомогательных комплексах для воздушного и космического транспорта;

– тип I, сорт D – газообразное водородное топливо для транспортных средств на топливных элементах (ТСТЭ) с протонообменной мембраной (Proton exchange membrane, PEM);

– тип I, сорт E (категории 1, 2, 3) – газообразное водородное топливо для стационарных энергоустановок на топливных элементах в зависимости от требований, установленных изготовителем;

– тип II, сорт С – топливо для бортовых двигательных установок воздушного и космического транспорта, электроэнергетики, наземного транспорта;

– тип II (сорт D) – жидкое водородное топливо для ТСТЭ с протонообменной мембраной;

– тип III – топливо для бортовых двигательных установок воздушного и космического транспорта. (Для жидкого водорода типа II топлива с параметрами, эквивалентными сортам А и В, в классификации отсутствуют.)

Национальный стандарт ГОСТ Р ИСО 14687–1–2012 устанавливает требования к качеству водородного топлива типа I (сорт А, B и C), типа II (сорт С) и типа III.

Национальный стандарт ГОСТ Р 55466–2013/ISO/TS14687–2–2008 устанавливает требования к качеству водородного топлива типа I (сорт D) и типа II (сорт D), применяемого для транспортных средств с энергоустановками на основе топливных элементов с протонообменными мембранами.

Национальный стандарт ГОСТ ISO 14687–3–2016 устанавливает требования к качеству водородного топлива типа I (сорт Е, категории 1, 2 и 3), применяемого для стационарных энергоустановок на основе топливных элементов с протонообменной мембраной.

В указанных стандартах нормируется содержание в топливе загрязняющих веществ, таких как вода, углеводородные соединения, кислород, азот, аргон, неон, гелий, диоксид серы, оксид и диоксид углерода, пары ртути и твердые частицы. Критерии оценки качества водородного топлива в соответствии с указанными стандартами, включающие значения предельных характеристик, представлены в табл. 3.

Сравнивая характеристики технического водорода марок А и Б по ГОСТ 3022–80 и сортов чистого водорода по ГОСТ Р 51673–2000 с требованиями стандартов для водородного топлива типа I, типа II и типа III, следует отметить, что в двух первых стандартах нормируется содержание только таких примесей, как кислород, азот, аргон, и паров воды.

В международных и гармонизированных с ними национальных стандартах для водородного топлива установлены требования по концентрации углеводородных соединений и других примесей, таких как He, Ar, CO2, CO, Н2S, COS, CS2, CH2SH, HCHO, HCOOH, которые могут оказывать существенное влия­ние на работоспособность генераторов на основе топливных элементов. Например, ароматические углеводороды могут существенно ухудшить работу катализаторов. Несмотря на то что метан (CH4) по отношению к топливным элементам считается инертным газом, его наличие также может повлиять на эффективность работы системы в целом.

Аналогичное воздействие на топливные элементы оказывает наличие в топливе гелия (He) и аргона (Ar). Диоксид углерода (СО2) может негативно отразиться на работоспособности бортовых систем хранения водорода на основе гидридов металлов. Соединения, содержащие серу, такие как сероводород (Н2S), карбонилсульфид (COS), дисульфид углерода (CS2), метил-меркаптан (CH2SH), являются сильными загрязнителями, вызывающими необратимое ухудшение параметров топливных элементов. Формальдегид (HCHO) и муравьиная кислота (HCOOH), так же как окись углерода, являются обратимыми загрязнителями катализаторов топливных элементов.

Вместе с тем в результате медленной кинетики восстановления катализаторов наличие HCHO и HCOOH в топливе оказывает на работу топливного элемента более жесткое воздействие, чем оксид углерода. Аммиак (NH3) из-за загрязнения протонообменной мембраны и взаимодействия с протонами в мембране вызывает необратимое ухудшение рабочих характеристик топливного элемента. Наличие галогенированных соединений обусловливается рядом технологических особенностей производства водорода, связанных с применением щелочного хлора и хладагентов, которые могут участвовать в производственном цикле водородного топлива. Их наличие может вызывать необратимое ухудшение рабочих характеристик компонентов систем топливных элементов. Максимальный размер частиц и их концентрация нормируются с целью повышения надежности и долговечности уплотнительных соединений в резервуарах, работоспособности фильтров, клапанов и др. Например, соли калия и натрия могут вызывать необратимое ухудшение характеристик протонообменной мембраны.

Следует учитывать, что технический водород марок А и Б по ГОСТ 3022–80 по ряду параметров может иметь худшие качественные характеристики по сравнению с водородным топливом, применяемым для топливных элементов с протонообменной мембраной. В связи с этим в целях предотвращения отрицательного влияния состава технического водорода по ГОСТ 3022–80 на показатели энергоустановок на основе топливных элементов с протонообменной мембраной, представляется целесо­образным, в случае его использования, согласовывать характеристики указанных марок с изготовителем топливных элементов, а также с производителем технического водорода.

Сравнивая параметры жидкого водорода по ГОСТ Р 56248–2014 «Водород жидкий. Технические условия» с характеристиками водородного топлива типа II (сорт D) и типа III (ГОСТ Р ИСО 14687–1–2012, ГОСТ Р 55466–2013, ISO 14687–3:2014) следует отметить, что концентрация примесей в жидком водороде по ГОСТ Р 56248–2014 в системах хранения потребителя нормируется для кислорода в размере – 1 × 10–6, для азота 1 × 10–4, что ниже содержания примесей для водородного топлива типа II (сорт D), типа III и соответствует требованиям, предъявляемым к газообразному чистому водороду по ГОСТ Р 51673–2000.

Продолжение следует

Александр Раменский, президент Национальной ассоциации водородной энергетики (РФ), канд. техн. наук