Энергогенерирующая установка на топливных ячейках

Как сохранить энергию?

Промышленное аккумулирование электроэнергии – давняя мечта энергетиков всего мира. Особенно оно актуально для возобновляемых источников. В самом деле, хорошо, когда ветряк крутится, обеспечивая ближайшие дома светом и теплом. Но что делать в безветрие? Или как заставить работать солнечные батареи ночью?

«Альтернативная энергетика уже завоевала свое место в мире, – говорит глава «РОСНАНО» Анатолий Чубайс. – Ее доля в общем объеме генерации возросла с 1 % до 10 %, и дальше только будет продолжать расти. По мнению экспертов, к 2050 году до 40 % энергобаланса будет составлять альтернативная энергетика. Я считаю, что в ближайшие 5?15 лет хранение электроэнергии станет коммерчески состоявшейся технологией – и мы перейдем к другой электроэнергетике.

• согласование графиков производства и потребления энергии с целью питания потребителей в периоды, когда агрегат не работает или его мощности недостаточно;

• увеличение суммарной выработки энергии генерирующей установкой.

Для реализации этих задач сейчас применяют, как правило, так называемые емкостные аккумулирующие устройства, в которых запас энергии рассчитан на 2?3?суточное потребление. Они необходимы для использования в периоды достаточно длительных спадов генерации энергии.

• длительность хранения энергии;

• сложность энергетических преобразований;

• безопасность эксплуатации и т. п.

Требуемая емкость аккумулятора зависит от типа и характеристик агрегата, условий и схемы использования генерирующей установки, мощности нагрузки и схемы потребителя. Она определяется также исходя из технико-экономических показателей, т. к. аккумулирование не должно приводить к большому увеличению затрат на энергоснабжение объекта.

Маховики

В настоящее время больше всего используются сравнительно дешевые свинцово-кислотные аккумуляторы. Однако последнее время на гибридных автомобилях и электромобилях начали применяться мощные литий-ионные аккумуляторы. Помимо меньшего веса и большей удельной емкости, они позволяют практически полностью использовать свою номинальную емкость, считаются более надежными и имеющими больший срок службы.

К сожалению, удельная энергоемкость таких устройств невелика. Чтобы запасти энергию для нагрева 1 литра воды, надо поднять тонну груза как минимум на высоту 35 метров.

Электролизер

Другие типы накопителей

Отправить на Email

Также читайте в номере № 01-02 (309-310) январь 2017 года:

МРСК Северо-Запада (дочерняя компания ПАО «Россети») завершила строительство высоковольтной линии 110 кВ «Зеленоборск – Ижма» на участке от подстанции 110 / 10 кВ «Лемью» до подстанции 110 / 10 кВ «Ижма». .

Система мониторинга состояния оборудования позволяет получать точную информацию о материальных активах, вовремя проводить техническое обслуживание и ремонты, вести точное планирование и учет операционных расходов и капитальных вложений. Основной эффект внедрения системы – снижение затрат на обслуживание при одновременной минимизации рисков поломок оборудования. О тенденциях в этой сфере рассказывают эксперты отраслевых компаний. .

В Министерстве энергетики состоялось совещание по вопросам развития социального партнерства в электроэнергетике под председательством Министра Александра Новака. .

Важное событие в деловом энергетическом сообществе Урала. Группа компаний «МКС» — единственная в УрФО и третья в России – получила статус официального дилера и сервис-партнера MWM® – ведущей марки с более чем 140-летним опытом в сфере производства высокоэффективных и экологически чистых установок по производству энергии. Дилерское соглашение между первыми лицами Группы компаний «МКС» и Caterpillar Energy Solutions GmbH было подписано 25.

В первые дни 2017 года в Поморье установилась аномально морозная погода. Минус 40?45 градусов – таких температур жители Архангельска не припомнят. .

Служба диагностики филиала ПАО «МРСК Центра» — «Белгородэнерго» получило многофункциональную передвижную кабельную лабораторию российского производства, предназначенную для поиска мест повреждений кабельных линий.

Энергетики филиала «Удмуртэнерго» ПАО «МРСК Центра и Приволжья» с января по сентябрь 2017 года выполнили капитальный ремонт 2097,3 км воздушных линий электропередач по классу напряжения 6-10 кВ.

Сегодня, 23 октября АО «ДВЭУК» приступило к теплоснабжению кампуса Дальневосточного федерального университета, Приморского океанариума, объектов социальной и коммунальной инфраструктуры на о. Русский.

Всего на дополнительную замену теплоизоляционного слоя на 28 километрах теплотрасс Оренбурга «Т Плюс» за два года планирует направить более 130 млн рублей.

Филиал ПАО «МРСК Центра и Приволжья» — «Нижновэнерго» завершил ремонт подстанции (ПС) 110/6 кВ «Кировская» в Ленинском районе Нижнего Новгорода.

© 2001-2017 «Энергетика и промышленность России». Ссылки при перепечатке обязательны. Свидетельство о регистрации Роскомнадзора СМИ Эл № ФС77-68029 от 13.12.2016

Топливные элементы. Вполне реальная альтернатива существующим ТЭС

Топливные элементы — это перспективный вид энергопроизводящего оборудования как для промышленности, так и для автономных установок коммунально-бытового сектора. Высокий КПД использования газа и превосходные экологические характеристики дают основания полагать, что после решения важнейшей задачи — снижения стоимости -этот вид энергетического оборудования будет востребован на рынке автономных систем тепло- и электроснабжения.

Специалисты в области энергетики отмечают, что в большинстве развитых стран быстро растет интерес к рассредоточенным источникам энергии сравнительно малой мощности. Главные преимущества этих автономных энергоустановок -умеренные капитальные затраты при строительстве, быстрый ввод в эксплуатацию, сравнительно простое обслуживание и хорошие экологические характеристики. При автономной системе электроснабжения не требуется вложений в линии электропередач и подстанции. Расположение автономных источников энергии непосредственно в местах потребления не только избавляет от потерь в сетях, но и повышает надежность электроснабжения.

Хорошо известны такие автономные источники энергии, как малые ГТУ (газотурбинные установки), двигатели внутреннего сгорания, ветроустановки и солнечные батареи на полупроводниках.

В отличие от двигателей внутреннего сгорания или турбин, работающих на угле / газе, топливные элементы не сжигают топливо. Они преобразовывают химическую энергию топлива в электричество при помощи химической реакции. Поэтому топливные элементы не производят большого количества парниковых газов, выделяющихся при сгорании топлива, таких как двуокись углерода (CO2), метан (CH4) и окись азота (NOx). Выбросы из топливных элементов представляют собой воду в форме пара и низкие уровни двуокиси углерода (или же выбросов CO2 нет вообще), если в качестве топлива для элементов используется водород. Кроме того, топливные элементы работают бесшумно, потому что они не включают шумные роторы высокого давления и при их эксплуатации отсутствуют шумы выхлопных газов и вибрация.

Топливный элемент преобразовывает химическую энергию топлива в электричество при помощи химической реакции с кислородом или другим окисляющим веществом. Топливные элементы состоят из анода (отрицательная сторона), катода (положительная сторона) и электролита, который обеспечивает перемещение зарядов между двумя сторонами топливного элемента (Рисунок: Принципиальная схема топливных элементов).

Электроны перемещаются от анода к катоду через внешний контур, создавая электричество постоянного тока. В связи с тем, что основным отличием разных типов топливных элементов является электролит, топливные элементы подразделяются по типу используемого электролита, т.е. высокотемпературные и низкотемпературные топливные элементы (ТЭПМ, ПМТЭ). Водород является наиболее распространенным топливом, но иногда также могут использоваться углеводороды, такие как природный газ и спирты (т.е. метанол). Топливные элементы отличаются от аккумуляторов тем, что для них требуется постоянный источник топлива и кислорода / воздуха для поддержания химической реакции, и они производят электроэнергию до тех пор, пока их подача осуществляется.

Топливные элементы имеют следующие преимущества по сравнению с обычными источниками энергии, такими как двигатели внутреннего сгорания или аккумуляторы:

Наиболее распространенным топливом для топливных элементов является водород, так как он не производит выбросов вредных загрязняющих веществ. Однако могут использоваться и другие виды топлива, и топливные элементы, работающие на природном газе, считаются эффективным альтернативным вариантом, когда природный газ доступен по конкурентоспособным ценам. В топливных элементах поток топлива и окислителей проходит через электроды, которые разделены электролитом. Это вызывает химическую реакцию, в результате которой производится электроэнергия; при этом не требуется сжигать топливо или добавлять тепловую энергию, что обычно имеет место при традиционных способах производства электроэнергии. При использовании в качестве топлива природного чистого водорода, а в качестве окислителя кислорода, в результате реакции, которая происходит в топливном элементе, вырабатываются вода, тепловая энергия и электроэнергия. При использовании других видов топлива топливные элементы выделяют очень низкий уровень выбросов загрязняющих веществ и производят высококачественную надежную электроэнергию.

Преимущества топливных элементов, работающих на природном газе, являются следующими:

До последнего времени менее популярными были топливные элементы (ТЭ), представляющие собой электрохимические генераторы, способные преобразовать химическую энергию в электрическую, минуя процессы горения, превращения тепловой энергии в механическую, а последней — в электроэнергию. Электрическая энергия образуется в топливных элементах благодаря химической реакции между восстановителем и окислителем, которые непрерывно поступают к электродам. Восстановителем чаще всего служит водород, окислителем — кислород или воздух. Совокупность батареи топливных элементов и устройств для подачи реагентов, отвода продуктов реакции и тепла (которое может утилизироваться) представляет собой электрохимический генератор.

В последнее десятилетие XX века, когда вопросы надежности электроснабжения и экологические проблемы приобрели особенно важное значение, многие фирмы в Европе, Японии и в США приступили к разработке и производству нескольких вариантов топливных элементов.

Наиболее простыми являются щелочные топливные элементы, с которых началось освоение этого вида автономных источников энергии. Рабочая температура в этих ТЭ составляет 80-95°С, электролитом является 30%-ный раствор едкого калия. Работают щелочные ТЭ на чистом водороде.

В последнее время большое распространение получил топливный элемент РЕМ с мембранами протонного обмена (с полимерным электролитом). Рабочая температура в этом процессе — также 80-95°С, но в качестве электролита используется твердая ионообменная мембрана с перфторсулфокислотой.

По общему признанию, наиболее привлекательным в коммерческом плане является топливный элемент с фосфорной кислотой PAFC, у которого КПД по выработке только электроэнергии достигает 40%, а при использовании выделенного тепла -85%. Рабочая температура у этого ТЭ 175—200°С, электролит — жидкая фосфорная кислота, пропитывающая карбид кремния, связанный тефлоном.

Пакет элемента снабжен двумя графитовыми пористыми электродами и орто-фосфорной кислотой в качестве электролита. Электроды покрыты платиновым катализатором. В реформере природный газ при взаимодействии с паром переходит в водород и СО, который доокисляется до СО2 в конверторе. Далее молекулы водорода под влиянием катализатора диссоциируют на аноде на ионы Н. Электроны, освобожденные в этой реакции, направляются через нагрузку к катоду. На катоде они реагируют с ионами водорода, диффундирующими через электролит, и с ионами кислорода, которые образуются в результате каталитической реакции окисления кислорода воздуха на катоде, образуя в конечном итоге воду.

К перспективным видам топливных элементов относится также ТЭ с расплавленным карбонатом типа MCFC. Этот ТЭ при работе на метане имеет КПД по электроэнергии 50-57%. Рабочая температура 540—650°С, электролит — расплавленный карбонат калиевой и натриевой щелочей в оболочке — матрице из литий-алюминиевого оксида LiA102.

И, наконец, наиболее перспективный топливный элемент — SOFC. Это твердооксидный топливный элемент, использующий любое газообразное топливо и наиболее пригодный для сравнительно крупных установок. Его КПД по электроэнергии составляет 50-55%, а при использовании в установках комбинированного цикла -до 65%. Рабочая температура 980—1000°С, электролит — твердый цирконий, стабилизированный иттрием.

На рис. 2 показана батарея SOFC из 24-х элементов, разработанная специалистами из корпорации Siemens Westinghouse Power Corporation (SWP — Германия). Эта батарея является основой электрохимического генератора, работающего на природном газе. Первые демонстрационные испытания энергоустановки такого типа мощностью 400 Вт были проведены еще в 1986 г. В последующие годы совершенствовалась конструкция твердооксидных топливных элементов и увеличивалась их мощность.

Наиболее успешными были демонстрационные испытания установки мощностью 100 кВт, сданной в эксплуатацию в 1999 г. Энергоустановка подтвердила возможность получения электроэнергии с высоким КПД (46%), а также показала высокую стабильность характеристик. Тем самым была доказана возможность эксплуатации энергоустановки не менее 40 тыс. часов при допустимом падении ее мощности.

В 2001 г. была разработана новая энергоустановка на твердооксидных элементах, работающая при атмосферном давлении. Батарея (электрохимический генератор) мощностью энергоустановки 250 кВт с комбинированной выработкой электроэнергии и тепла включала в себя 2304 твердооксидных трубчатых элемента. Кроме того, в состав установки входили инвертор, регенератор, подогреватель топлива (природного газа), камера сгорания для подогрева воздуха, теплообменник для подогрева воды за счет тепла уходящих газов и другое вспомогательное оборудование. При этом габаритные размеры установки были вполне умеренными: 2,6×3,0x10,8 м.

Определенных успехов в разработке крупных топливных элементов добились японские специалисты. Исследовательские работы были начаты в Японии еще в 1972 г., но значительные успехи были достигнуты только в середине 90-х годов. Опытные модули топливных элементов имели мощность от 50 до 1000 кВт, причем 2/3 из них работали на природном газе.

В 1994 г. в Японии была сооружена установка с топливными элементами мощностью 1 МВт. При общем КПД (с выработкой пара и горячей воды), равном 71%, установка имела КПД по отпуску электроэнергии не менее 36%. С 1995 г., по сообщениям прессы, в Токио эксплуатируется энергоустановка на топливных элементах с фосфорной кислотой мощностью 11 МВт, а общая мощность выпущенных топливных элементов к 2000 г. достигла 40 МВт.

Все перечисленные выше установки относятся к классу промышленных. Их разработчики постоянно стремятся к повышению мощности агрегатов, чтобы улучшить стоимостные характеристики (удельные затраты на кВт установленной мощности и стоимость выработанной электроэнергии). Но есть несколько компаний, которые ставят другую задачу: разработать простейшие установки для бытового потребления, в том числе — индивидуальные источники электропитания. И в этой области имеются существенные достижения:

  • компания Plug Power LLC разработала установку на топливных элементах мощностью 7 кВт для энергоснабжения дома;
  • корпорация Н Power выпускает используемые на транспорте зарядные агрегаты для аккумуляторов мощностью 50-100 Вт;
  • компания Intern. Fuel Cells LLC выпускает установки для транспорта и персональные источники питания мощностью 50-300 Вт;
  • корпорация Analytic Power разработала по заказу армии США персональные источники питания мощностью по 150 Вт, а также установки на топливных элементах для домашнего энергоснабжения мощностью от 3 до 10 кВт.

В чем же заключаются достоинства топливных элементов, побуждающие многочисленные компании вкладывать огромные средства в их разработку?

Помимо высокой надежности электрохимические генераторы имеют высокий КПД, что выгодно отличает их от паротурбинных установок и даже от установок с ГТУ простого цикла. Важным достоинством топливных элементов является удобство их использования в качестве рассредоточенных источников энергии: модульная конструкция позволяет соединить последовательно любое количество отдельных элементов с образованием батареи — идеальное качество для наращивания мощности.

Многочисленные преимущества топливных элементов, к сожалению, не могут в настоящее время перевесить их единственный недостаток — высокую стоимость, В США, например, удельные капитальные затраты на сооружение энергоустановки даже с наиболее конкурентоспособными топливными элементами составляют примерно 3500 долл./кВт. И хотя правительство предоставляет субсидию в размере 1ООО долл./кВт, чтобы стимулировать спрос на эту технологию, стоимость сооружения таких объектов остается достаточно высокой. Особенно при сопоставлении с капитальными затратами на строительство мини-ТЭЦ с ГТУ или с двигателями внутреннего сгорания мегаваттно-го диапазона мощности, которые составляют примерно 500 долл./кВт.

В последние годы наметился определенный прогресс в деле снижения затрат на установки с ТЭ. Сооружение энергоустановок с ТЭ на базе фосфорной кислоты мощностью 0,2-1,0 МВт, о которых упоминалось выше, обошлось в 1700 долл./кВт. Стоимость производства энергии на таких установках в Германии при использовании их в течение 6000 ч в год по расчетам составляет 7,5-10 центов/кВт-ч. Установка РС25 мощностью 200 кВт, которую эксплуатирует энергокомпания Hessische EAG (Дарм-штадт), также имеет неплохие экономические показатели: стоимость электроэнергии, включая амортизационные отчисления, затраты на топливо и на обслуживание установки в сумме составили 15 центов/кВт-ч. Этот же показатель для ТЭС на буром угле составлял в энергокомпании 5,6 цента/кВт-ч, на каменном угле — 4,7 цента/кВт-ч, для парогазовых установок — 4,7 цента/кВт-ч и для дизельных электростанций — 10,3 цента/кВт-ч.

При сооружении более крупной установки на топливных элементах (N=1564 кВт), работающей с 1997 г. в Кельне, потребовались удельные капитальные затраты в количестве 1500-1750 долл./кВт, но стоимость собственно топливных элементов составила только 400 долл. /кВт

Все вышеизложенное показывает, что топливные элементы — это перспективный вид энергопроизводящего оборудования как для промышленности, так и для автономных установок коммунально-бытового сектора. Высокий КПД использования газа и превосходные экологические характеристики дают основания полагать, что после решения важнейшей задачи — снижения стоимости -этот вид энергетического оборудования будет востребован на рынке автономных систем тепло- и электроснабжения.

Написать комментарий

Опрос

Законодательное обеспечение повышения энергоэффективности

Все опросы >

Использование современных инструментов для организации энергосбережения

Все опросы >

Энергетические установки на базе топливных элементов. Перспективы применения

Алексей Михайлов, д.т.н., профессор, Виктор Сайданов, д.т.н., доцент, Военный инженерно-технический университет, Игорь Ландграф, инженер, ФГУП «ЦНИИ СЭТ» г. Санкт-Петербург

В настоящее время мировая потребность в энергоустановках для децентрализованного энергоснабжения по разным оценкам составляет около 50-100 тыс. единиц в год.

Традиционные газопоршневые, дизельные и газотурбинные установки имеют множество недостатков, главными из которых являются довольно низкий КПД и экологический вред.

В качестве наиболее перспективных энергетических установок для малой энергетики могут быть рассмотрены получающие всё большее распространение в мире установки на основе топливных элементов. О них сегодня рассказывают наши петербургские авторы.

Основными преимуществами установок на основе топливных элементов по сравнению с традиционными по экономическим и потребительским качествам являются:

значительно меньшие выбросы вредных веществ в окружающую среду;

значительно меньшие показатели уровня шума и вибрации;

эффективное использование топлива и высокий КПД;

низкие затраты на эксплуатацию (не требуются замена масла, присутствие оператора);

плавные вольт-амперные характеристики, высокая маневренность и эффективность во всем диапазоне нагрузок.

Физика процесса и определения

Процессы прямого преобразования химической энергии в электрическую и наоборот осуществляются в электрохимических элементах (ячейках).

Простейшая электрохимическая ячейка состоит из двух электродов, разделенных проводником второго рода (ионным проводником или электролитом). Электрод – проводник первого рода, находящийся в контакте с ионным проводником. На границе между этими проводниками возникает скачок потенциала, называемый электродным потенциалом. На электродах протекают реакции окисления восстановителя (на анодах) и восстановления окислителя (на катодах).

Совокупность окислителя, восстановителя и ионного проводника называется электрохимической системой ячейки или элемента.

Топливный элемент (ТЭ) – одна из разновидностей электрохимических элементов, существенным преимуществом которой является то, что в отличие от гальванических (первичных) элементов и аккумуляторов электроды в ТЭ в процессе выработки электрической энергии не изменяются, так как химические реагенты (топливо и окислитель) в их состав не входят, а подаются в ТЭ в момент его работы. Таким образом, схема обеспечения реагентами ТЭ подобна схемам топливоснабжения тепловых машин, однако в них достигается более высокий КПД за счет прямого преобразования химической энергии топлива в электрическую энергию.

ТЭ вырабатывают постоянный электрический ток. Напряжение ТЭ обычно не превышает 1 В, а токи, отбираемые от одного элемента, относительно невелики [1]. Для увеличения напряжения, тока и электрической мощности отдельные ТЭ соединяют между собой в батареи ТЭ.

Для постоянного получения электроэнергии необходимо непрерывно подводить в батарею ТЭ топливо и окислитель, отводить из батареи продукты реакции и теплоту. Поэтому реальная выработка электрической энергии и теплоты осуществляется в электрохимических генераторах и энергоустановках.

Электрохимический генератор (ЭХГ) – это энергоустановка, состоящая из батареи топливных элементов, систем хранения и подачи топлива и окислителя, отвода продуктов реакции и теплоты. На рис.1 представлена упрощенная структурная схема ЭХГ.

Электрохимическая энергоустановка (ЭЭУ) – это установка, предназначенная для выработки электрической энергии и теплоты, включающая в себя ЭХГ, устройства для преобразования напряжения и тока (например, инвертор) и систему утилизации теплоты, генерируемой в ТЭ, например, для теплофикации (низкопотенциальная теплота) или получения электрической энергии (высокопотенциальная теплота) в паровой или газовой турбине (в концевом цикле). На рис. 2 представлена упрощенная структурная схема ЭЭУ.

Как показывает анализ, основные работы в области разработок ЭЭУ с ТЭ сосредоточены в трех регионах планеты: в Северной Америке (США, Канада), Западной Европе (Германия, Италия, Великобритания и др.), Юго-Восточной Азии (Япония, Южная Корея, Китай). Япония практически целиком сосредоточила свои усилия на разработке ЭЭУ с ТЭ для бытового применения, так называемых Homе Fuel Cells. В Европе и особенно в США практически одинаковое внимание уделяют разработкам ЭЭУ для резервного электроснабжения и ЭЭУ для совместной выработки электроэнергии и теплоты.

Сейчас в мире эксплуатируются сотни опытных ЭЭУ с ТЭ единичной мощностью от 0,01 кВт до 1 МВт. Стоимость установленной мощности ЭЭУ с ТЭ составляет 3000–10000 долларов США за 1 кВт. На сегодняшний день ни одна компания не предложила потребителям свою продукцию в промышленном масштабе, однако следует ожидать ее массового появления на рынке начиная с 2010 года. Работы по созданию промышленных ЭЭУ с ТЭ в развитых странах получают всё более широкую государственную поддержку. При этом за рубежом крупные негосударственные компании также вкладывают значительные инвестиции в разработку ЭЭУ.

В России из негосударственных компаний работы по водородной энергетике и ЭЭУ финансирует только Национальная инновационная компания «Новые энергетические проекты» (НИК «НЭП»). Успешное решение сложных задач в области водородной энергетики невозможно без реальной поддержки и участия государства. В этом плане наметилась положительная тенденция. В рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007–2012 годы» и ФЦП «Национальная технологическая база» на 2007–2011 годы на решение этих задач выделяются сотни миллионов рублей.

Классификация ЭЭУ может быть произведена по различным признакам: по назначению, виду ТЭ, виду топлива и окислителя и т.п. Поскольку основой ЭЭУ является батарея топливных элементов, то в литературе [1, 3] принято классифицировать их по видам и типам ТЭ.

Существует ряд признаков, по которым классифицируются ТЭ:

по рабочим температурам (низкотемпературные – до 100 OС, среднетемпературные – до 250 OС, высокотемпературные – до 1000 OС), по типу ионного проводника-электролита (щелочной, кислотный, твердополимерная мембрана, расплавленные карбонаты, твердооксидная керамика), по виду топлива (водород, метанол) и т.п. Несмотря на то, что к настоящему времени разработано большое число различных типов топливных элементов, интерес с точки зрения практического применения представляют лишь несколько типов, а именно:

низкотемпературные топливные элементы со свободным (жидкий раствор КОН) и со связанным (пропитанная водным раствором КОН асбестовая мембрана) щелочным электролитом и топливные элементы с твердополимерной ионообменной (протонопроводящей) мембраной;

среднетемпературные топливные элементы с фосфорно-кислым электролитом (ТЭФК);

высокотемпературные топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом (ТЭРК) и с твердооксидным керамическим электролитом (ТЭТО).

Основные характеристики всех перечисленных типов топливных элементов приведены в табл. 1 [3, 4], которая дает наглядное представление об энергетической эффективности ЭЭУ. Рассмотрим основные типы ЭЭУ с топливными элементами.

Электрохимические энергоустановки на базе топливных элементов со щелочным электролитом

Топливные элементы со щелочным электролитом работают при относительно низкой температуре (60–120 OС) и потребляют в качестве топлива и окислителя соответственно водород и кислород высокой чистоты. В качестве окислителя в принципе возможно использование воздуха, очищенного от диоксида углерода и примесей, отравляющих катализатор топливного элемента.

В качестве электролита используется либо непосредственно жидкий раствор КОН, либо матрица, пропитанная раствором электролита (матричный электролит). Токообразующая реакция в водородно-кислородном топливном элементе со щелочным электролитом: 2Н2 + О2 = = 2Н2О. Т.о. единственным продуктом, образующимся при работе ЭХГ, является вода высокой чистоты, которая может быть использована для удовлетворения технологических и бытовых нужд. В 1950–1980-х годах в Англии, Германии, США, Франции и СССР проводились активные исследования и опытно-конструкторские работы по созданию ЭХГ с топливными элементами со свободным и связанным щелочным электролитом (ТЭЩЭ). В качестве электролита применялся раствор КОН, обладающий высокой электрической проводимостью.

Первая батарея ТЭЩЭ мощностью 5 кВт была сконструирована Ф. Беконом в Англии в 1952 году. Она работала при температуре 200 OС и давлении водорода и кислорода 2–4,5 МПа. Из-за высокого давления масса конструкционных материалов была очень велика, а ресурс батареи не превышал нескольких сотен часов [1].

В 1970–1980-х годах английская фирма Varta разработала и испытала несколько ЭЭУ мощностью от 0,1 до 5 кВт, имеющих ресурс около 4000 часов.

Впервые успешная попытка использования ЭЭУ с ЭХГ в качестве источника энергии для подводного аппарата была предпринята в США фирмой United Technologies Corp. (UTC), которая по заказу ВМС США создала в 1974 году ЭЭУ на базе ТЭЩЭ для подводной лодки «Дип квест», спроектированного фирмой «Локхид» [5]. В составе ЭЭУ были использованы водородно-кислородные топливные элементы со щелочным электролитом. Водород и кислород хранились в газообразном состоянии под давлением в стальных сферических емкостях.

Первый позитивный опыт американских фирм послужил толчком к активизации разработок ЭЭУ с ЭХГ в европейских странах, в первую очередь в ФРГ, которые в наибольшей степени заинтересованы в развитии подводных лодок с неатомной энергетикой.

Фирма Siemens в 1980-е годы на базе матричных водородно-кислородных ТЭ разработала транспортные ЭЭУ мощностью 6, 17,5 и 48 кВт, а также ЭЭУ для подводного аппарата мощностью более 300 кВт. ТЭ фирмы Siemens работали при температуре 95 оС, давлении водорода и кислорода 300 кПа и имели ресурс в пределах 10000 часов.

Параллельно с разработкой ЭХГ в Германии в 80-х годах были успешно решены технические вопросы по разработке систем хранения водорода и кислорода на борту подводной лодки. Эти исследовательские и опытно-конструкторские работы были выполнены консорциумом, созданным фирмами Howaldtswerke-deutche Werft AG (HDW), Ferrostaal AG (FS) и Inggenieurcontor Lubek (IKL). Проведенные вариантные проработки систем хранения водорода и кислорода показали, что наиболее приемлемыми вариантами являются: хранение кислорода в криогенном состоянии в специальных емкостях, а водорода – в адсорбированном виде в интерметаллидных (металлогидридных) соединениях [5]. Создание систем хранения водорода и кислорода таких типов представляло собой совершенно новую техническую задачу, так как опыт применения на подводных аппаратах такой техники отсутствовал.

На основании успешных результатов наземных испытаний Федеральное бюро ФРГ по военной технологии (BWB) вынесло решение об установке ЭЭУ с ЭХГ на подводных лодках проекта 205 (U-1). К корпусу была добавлена секция, содержащая энергоустановку с ЭХГ.

В 1988 г. модернизированная лодка сошла со стапелей и успешно прошла ходовые испытания [5].

В 90-х годах немецкие фирмы прекратили разработки корабельных ЭЭУ с ТЭЩЭ и сконцентрировались на создании ЭЭУ на базе ТЭ с твердополимерным электролитом (ТПТЭ).

В СССР (а затем в России) разработкой ЭЭУ с ТЭЩЭ для подводных лодок занималось ленинградско-петербургское ОАО «Специальное конструкторское бюро котлостроения» (СКБК), назначенное правительством в 1978 году головным предприятием страны по ЭЭУ с ЭХГ для морских объектов. До 1986 года было разработано несколько типов энергоустановок с доведением их до макетных и опытных образцов основного оборудования.

В дальнейшем работы по одной из энергоустановок – ЭЭУ «Кристалл-20» с низкотемпературными ТЭ с жидким щелочным электролитом и газобаллонными системами хранения водорода и кислорода под давлением до 40 МПа мощностью 130 кВт были продолжены и завершены в полном объеме в 1991 году, ЭЭУ отработала в стендовых условиях и была сдана Госкомиссии [2, 6]. Продолжением работ ОАО «СКБК» по ЭЭУ явилась разработка энергоустановки с низкотемпературными ТЭ со щелочным матричным электролитом, интерметаллидной системой хранения водорода и криогенной системой хранения кислорода мощностью 300 кВт – ЭЭУ «Кристалл-27» (рис. 3) [2].

Объем выполненных работ по состоянию на конец 2000 года составил около 70%, включая незавершенный технический проект ЭЭУ и значительный объем опытных работ по основным системам и оборудованию ЭЭУ.

В 2002 году на экспериментальной базе ОАО «СКБК» была создана действующая стендовая модель ЭЭУ на базе ТЭ со щелочным матричным электролитом, интерметаллидной системой хранения водорода и криогенной системой хранения кислорода мощностью 25 кВт и проведены демонстрационные испытания, результаты которых позволили рекомендовать разработанную ЭЭУ к использованию в качестве энергоустановки для малой подводной лодки.

ЭЭУ на базе ТЭЩЭ также были разработаны для энергоснабжения пилотируемых космических объектов. В США такие ЭЭУ были созданы фирмой UTC [1], а в России – Уральским электрохимическим комбинатом (УЭХК) совместно с Российской космической корпорацией «Энергия» им. С.П. Королева [1, 7]. Эти ЭЭУ отличаются от корабельных меньшей мощностью, энергоемкостью и ресурсом ТЭ.

Анализ литературных источников свидетельствует о том, что к началу 1990-х годов большинство фирм и исследователей, работавших в области создания ЭЭУ с ЭХГ на базе ТЭЩЭ, эти работы прекратили. Это объясняется следующими причинами: необходимостью использования чистого водорода и кислорода, применения в больших количествах платиновых катализаторов, относительно невысоким ресурсом, сложностью использования низкопотенциальной теплоты, генерируемой в ТЭ, и в конечном счете высокими капитальными затратами (ориентировочная стоимость 1 кВт установленной мощности ЭЭУ составляет более 10000 долларов США).

В последнее время, например в [1], сообщается о возобновлении работ по использованию созданных для космических целей ЭХГ для электромобилей на базе автомобилей «Нива» и «Бычок» (совместные работы УЭХК, РКК «Энергия», ОАО «АвтоВАЗ» и ОАО «ЗИЛ»).

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ НА БАЗЕ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С ТВЕРДОПОЛИМЕРНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ

В топливных элементах с твердополимерным электролитом (ТПТЭ) ионным проводником является ионообменная мембрана с проводимостью по ионам водорода (протонам).

Впервые ЭХГ с ТПТЭ были разработаны американской фирмой General Electric Co. для космического корабля Geminy. ЭЭУ включала в себя ЭХГ, систему криогенного хранения топлива и окислителя и аккумуляторную батарею. В ЭХГ входили три батареи ТПТЭ мощностью 1,8 кВт и напряжением 25–30 В. Масса батареи была 31 кг, ресурс – 2000 ч.

Позднее наибольших успехов в разработке ЭЭУ с ТПТЭ достигли фирмы UTC совместно с Los-Alamos National Laboratory (США), Вallard Power Sources (Канада), Siemens (Германия) [1].

Так, фирмой Siemens в 1990-х годах была успешно завершена разработка ЭЭУ для подводной лодки U-1 на базе ЭХГ с ТПТЭ. Учитывая положительные результаты натурных испытаний подводной лодки U-1 с такой энергоустановкой, в ФРГ фирмы HDW и Thyssen выполнили проектирование и строительство новых лодок проекта 212. В настоящее время в составе ВМС Германии находятся две подводные лодки проекта 212 с комбинированной энергоустановкой, включающей энергоустановку с ЭХГ, а еще две готовятся к спуску на воду [6].

В 2003 г. направление водородной энергетики ОАО «СКБК» вошло в состав ФГУП «Центральный научно-исследовательский институт судовой электротехники и технологии» (ФГУП «ЦНИИ СЭТ»).

В настоящее время ФГУП «ЦНИИ СЭТ» является единственной в России организацией, обладающей совместно со сложившейся кооперацией соисполнителей реальным опытом создания и сдачи государственной комиссии ЭЭУ с ЭХГ. Так, в 2004–2005 годах были разработаны аванпроекты ЭЭУ для резервного электроснабжения потребителей мощностью 5 кВт и ЭЭУ для комбинированного электро- и теплоснабжения электрической мощностью 5 кВт и тепловой мощностью 7 кВт [2, 8]. На рис. 4 в качестве примера представлены некоторые проектные решения ФГУП «ЦНИИ СЭТ».

В 2005–2006 годах по заказу Федерального агентства по науке и инновациям, в рамках Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002–2006 годы» (направление «Энергетика и энергосбережение»), ФГУП «ЦНИИ СЭТ» совместно с ФГУ РНЦ «Курчатовский институт» был разработан и создан опытный образец блочно-модульной ЭЭУ с ТПТЭ мощностью 10 кВт, которая в настоящее время проходит испытания на стендах ФГУП «ЦНИИ СЭТ». Ее рабочая температура составляет 30–80 ОС; давление 0,12 МПа, ресурс – 10000 ч. Основой ЭЭУ являются разработанные по новой технологии ФГУП «ЦНИИ СЭТ» при участии ФГУ РНЦ «Курчатовский институт» водородновоздушные топливные элементы с твердополимерным электролитом.

На рис. 5 представлено конструктивное исполнение батареи топливных элементов. Следует отметить, что в настоящее время ФГУ РНЦ «Курчатовский институт» обладает значительным научным заделом по технологиям создания ТПТЭ, а между ФГУП «ЦНИИ СЭТ» и ФГУ РНЦ «Курчатовский институт» существует соглашение о совместных исследованиях в области водородной энергетики, в том числе и по вопросам создания ЭЭУ.

В следующем номере журнала авторы рассмотрят устройство и практическую реализацию проектов ЭЭУ на базе топливных элементов с фосфорно-кислым электролитом, ЭЭУ на базе топливных элементов с расплавленным карбонатным электролитом и ЭЭУ на базе топливных элементов с твердооксидным электролитом.

Коровин Н.В. Топливные элементы и электрохимические энергоустановки. – М.: Издательство МЭИ, 2005. – 280 с.

Аваков В.Б. Об опыте работ ФГУП «ЦНИИ СЭТ» в области водородной энергетики // Материалы международного форума «Водородные технологии для производства энергии»/ Москва, 6–10 февраля 2006 г.

Аваков В.Б., Зинин В.И., Ландграф И.К. Автономные энергоустановки на основе высокотемпературных электрохимических генераторов для промышленных и коммунальных объектов // Теплоэнергоэффективные технологии. – 1997. – № 4. – С. 25–29.

Аваков В. Б., Зинин В. И., Ландграф И.К. Пути разработки и перспективы создания экономичной экологически чистой энергетики на топливных элементах // Российский химический журнал, т. XXXVIII. – 1994. – № 3. – С. 55–60.

Gunter Sattler. Air Independent Propulsion Systems for Submarines // Naval Forces, 1989, March, p. 71–74.

Аваков В.Б., Зинин В.И. Подводным лодкам XXI века – совершенные энергоустановки // Военный парад. – 1998. – № 5. – С. 26–28.

Худяков С.А. Энергоустановки на основе топливных элементов для пилотируемых космических кораблей // Известия РАН. Энергетика. – 2003. – № 5. – С. 48–60.

Ландграф И.К. Система получения и аккумулирования водорода и генерирования энергии на основе топливных элементов с твердополимерным электролитом как составная часть автономных источников энергоснабжения, использующих возобновляемую энергию ветра // Материалы III международного семинара «Топливные элементы и энергоустановки на их основе»/г. Екатеринбург, 31.01 – 03.02. 2006 г.

ДОБАВИТЬ КОММЕНТАРИЙ [можно без регистрации]

перед публикацией все комментарии рассматриваются модератором сайта — спам опубликован не будет

Как сохранить энергию
Промышленное аккумулирование электроэнергии – давняя мечта энергетиков всего мира. Особенно оно актуально для возобновляемых источников. В самом деле – хорошо, когда ветряк крутится, обеспечивая ближайшие дома светом и теплом. Но что делать в безветрие? Или как заставить работать солнечные батареи ночью?
http://www.eprussia.ru/epr/309-310/6228809.htm
Топливные элементы
Топливные элементы. Вполне реальная альтернатива существующим ТЭС Топливные элементы — это перспективный вид энергопроизводящего оборудования как для промышленности, так и для автономных
http://portal-energo.ru/articles/details/id/802
Энергетические установки на базе топливных элементов
В качестве наиболее перспективных энергетических установок для малой энергетики могут быть рассмотрены получающие всё большее распространение в мире установки на основе топливных элементов.
http://mirznanii.com/a/189021/energeticheskie-ustanovki-na-baze-toplivnykh-elementov-perspektivy-primeneniya

COMMENTS