Индекс материала
Автономные энергоустановки
Установки со щелочным электролитом
Установки с фосфорным электролитом
Установки с карбонатным электролитом
Установки на базе ТОТЭ
Характеристики блочно-модульных котельных
Состав модульной котельной
Все страницы

Автономные энергоустановки на основе твердооксидных
топливных элементов

На сегодняшний день самым мощным источником энергии являются  ископаемые углеводороды (дизельное топливо, природный газ), однако существующие технологии автономного электроснабжения позволяют извлечь из них лишь треть потенциальной энергии. В дизель-генераторных, газопоршневых и турбинных установках химическая энергия топлива преобразуется сначала в тепловую энергию горения, затем в механическую энергию вращения вала, и после в электрическую с помощью генератора. Суммарный КПД таких систем после всех 
преобразований составляет не более 35%. Существуют системы утилизации  тепловой энергии установок, позволяющее поднять использование энергии топлива до 90-95%, но их использование затруднительно в поселениях, где отсутствует централизованная система теплоснабжения. Двигатели внутреннего сгорания и турбины нуждаются в дорогостоящем периодическом обслуживании (смена масла, расходных материалов), наносят вред окружающей среде посредством выбросов выхлопных газов и неудовлетворительных шумовых показателей.

Перспективным направлением развития автономных источников энергии  являются топливные элементы (ТЭ) – источники, работающие по принципу прямого преобразования химической энергии топлива в электроэнергию.

Топливный элемент по принципу действия сходен с аккумуляторной батареей,  различие их в том, что в процессе выработки электроэнергии электроды ТЭ не изменяются, так как химические реагенты (топливо и окислитель) в состав элемента не входят, а подаются в момент его работы.

Примечательно, что топливом могут быть любые углеводороды (природный и попутный газ, дизельное топливо, метанол). Преимуществами топливных элементов в сравнении с традиционными автономными источниками энергии являются: 
 Эффективное использование топлива и высокий КПД (до 70%). 
 Меньшие выбросы в атмосферу. 
 Меньшие показатели шума и вибрации. 
 Высокая маневренность во всем диапазоне нагрузок. 
 Низкие затраты на эксплуатацию.

Устройство и принцип действия, основные термины

Электрохимический генератор (ЭХГ) – энергоустановка, состоящая из
батареи топливных элементов, систем отвода продуктов реакции и теплоты,
хранения и подачи топлива и окислителя.

Электрохимическая энергоустановка – установка, предназначенная для  выработки электроэнергии и теплоты, включающая в себя ЭХГ, устройства для преобразования напряжения и тока (инвертор), систему отвода и утилизации тепла от генератора. Теплота от генератора может использоваться в системах теплоснабжения либо в паровой турбине.

Электрохимические установки классифицируются по виду топливного  элемента: 
 Низкотемпературные топливные элементы со свободным (жидкий раствор КОН) и со связанным (пропитанная водным раствором КОН асбестовая мембрана) щелочным электролитом (ТЭЩЭ). 
 Среднетемпературные топливные элементы с фосфорнокислым электролитом (ТЭФК). 
 Высокотемпературные топливные элементы с расплавленным  карбонатным электролитом (ТЭРК) и твердооксидным керамическим электролитом (ТОТЭ). 

Основные типы топливных элементов.

 

 

 

 

Электрохимические установки на базе топливных элементов со
щелочным электролитом (ТЭЩЭ)

Установки работают при низкой температуре (60-120°С) и потребляют в  качестве топлива и окислителя водород и кислород высокой чистоты. В принципе, в качестве окислителя может быть использован очищенный от углекислого газа и примесей, отравляющих катализатор элемента, воздух. Электролитом является раствор щелочи калия (КОН). Токообразующая реакция в водородно-кислородном топливном элементе со щелочным электролитом: 2Н2 + О2 = 2Н2О. Таким образом, продуктами реакции являются электрический ток и вода высокой чистоты, которая может быть использована для бытовых или технических нужд.

Электрохимические установки Siemens на базе щелочных элементов  использовались в качестве источника энергии на подводных лодках. Мощность энергоустановки составляла 300кВт, ресурс работы около 10000часов. Температура реакции 95°С, давление 300кПа. Кислород хранился в сжатом состоянии в баллонах, для хранения водорода использовались металлогидридные аккумуляторы и баллоны. Аналогичные установки малой (6, 18, 24, 48кВт) мощности были изготовлены для автомобильной промышленности. Российская космическая корпорация «Энергия» разработала установку на базе ТЭЩЭ для космических пилотируемых объектов («Буран»). Отличие их от корабельных было в меньших габаритах и более низком сроке службы. К общим особенностям щелочных топливных элементов следует отнести обязательное использование чистого водорода и очищенного воздуха, применение дорогостоящих платиновых катализаторов, относительно невысокий ресурс, сложность использования теплоты, генерируемой элементом и высокими капитальными затратами (10000$ за 1кВт мощности). Это и стало причиной того, что большинство фирм к началу 1990х годов прекратили разработку ТЭЩЭ. 

Электрохимические установки на базе элементов с твердополимерным  электролитом (ТПТЭ) 

Ионным проводником в таких установках является мембрана с  проводимостью по ионам водорода (протонам). Впервые такие установки были разработаны американской фирмой General Electric Co. для космического корабля Geminy. ЭЭУ включала в себя ЭХГ, систему криогенного хранения топлива и окислителя, а также аккумуляторную батарею. В ЭХГ входили три батареи ТПТЭ мощностью 1,8кВт и напряжением 25-30В. Масса батареи была 31кг, ресурс – 2000ч.

 

В таких установках протонно-проводящая полимерная мембрана разделяет  два электрода – анод и катод. Каждый электрод обычно представляет собой угольную пластину (матрицу) с нанесенным катализатором – платиной, или сплавом платиноидов и др. композиции. На катализаторе анода молекулярный водород диссоциирует, теряя электроны. Протоны через мембрану проводятся к катоду, но электроны отдаются во внешнюю цепь, так как мембрана не пропускает электроны. На катализаторе катода молекула кислорода соединяется с электроном, 
подводящимся из внешний коммуникаций и пришедшим протоном, и образует воду, которая является единственным продуктом реакции (в виде пара и/или жидкости). Общий КПД установки не превышает 30-40%. 

Электрохимические установки на базе топливных элементов с  фосфорнокислым электролитом (ТЭФК) 

Данные установки являются на сегодняшний день наиболее отработанными  и готовыми к коммерческому использованию. Опытно-промышленные образцы имеют такие компании, как UTC, Westinghouse, Toshiba, Mitsubishi Electric Corp. и др. На рис.4.1 представлена фотография внешнего вида контейнерной системы UTC PCTM, установленной в г.Видное Московской обл. для электро-теплоснабжения производственного здания ОАО «Оргэнергогаз». В Японии в 1983г. фирма UTC построила демонстрационную установку мощностью 4,8МВт. Характеристики установок приведены в таблице.

Внешний вид установки UTC PCTM.

Низкий КПД в сравнении с другими типами ЭЭУ и высокие стоимостные показатели (3000$ за 1кВт мощности) препятствуют более широкому внедрению установок на базе фосфорно-кислых топливных элементов и ожидается, что эти установки будут вытеснены с рынка более продвинутыми в техническом плане установками на базе топливных элементов с расплавленным карбонатным электролитом и твердооксидными топливными элементами.

Электрохимические энергоустановки на базе топливных элементов с
расплавленным карбонатным электролитом (ТЭРКЭ)

Данные установки в настоящий момент не получили большого  распространения, несмотря на высокий КПД, использование неплатиновых катализаторов, недорогих и доступных материалов электрода и электролита.

Причиной тому является низкий ресурс элемента из-за коррозии электродов  воздействии на них расплавов, окислителей, испарений и протекания электролита. Электролитом в ТЭРКЭ является расплав карбонатов лития и калия в порах матрицы из LiAlO2. КПД установки достигает 60%, а при утилизации теплоты коэффициент использования топлива (КИТ) может достичь 90%. Опытно-
промышленные образцы таких установок действуют на испытательных объектах компаний: M-C Power, Hitachi Ltd., Mitsubishi Electric Corp. В России электрохимические установки с ТЭРКЭ не разрабатывались. В таблице представлены основные характеристики комбинированной электростанции, установленной силами Mitsubishi Electric Corp. и Hitachi Ltd. в Японии. В составе 
электроустановки совместно работают ТЭРКЭ и турбогенератор.

Характеристики комбинированной электроустановки на базе ТЭРКЭ.

Электрохимические установки на базе твердооксидных топливных
элементов (ТОТЭ)

В настоящее время в промышленно развитых странах проходят опытную  эксплуатацию экономичные (коэффициент использования топлива более 80%), малошумные и экологически чистые ЭЭУ с ЭХГ на основе твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ). По прогнозам, переход к массовому производству установок начнется через три года.

Достоинства рассматриваемых элементов:
использование неплатиновых катализаторов и меньшая чувствительность к  каталитическим ядам. В качестве твердого электролита используется диоксид циркония ZrO2 в смеси с триоксидом иридия Y2O3.

Самыми успешными признаны совместные разработки компаний Westinghouse (США) и Siemens (Германия) – они производятся тиражом в 150 000 элементов в год. На ТОТЭ этих производителей созданы типовые электрохимические энергоустановки для совместной выработки тепловой и электрической энергии мощностью 20, 25, 50, 100 и 250кВт, работающие на природном газе с ресурсом более 20 000ч, электрическим КПД более 45% и общим 
КИТ более 80%.

В России также уделялось внимание разработкам таких энергоустановок. С  2007г. проект ТОТЭ находится в ряду высокоприоритетных в сфере энергетики. В  2005г. в Российском Федеральном Ядерном Центре (РФЯЦ ВНИИТФ, г. Снежинск) был изготовлен модуль батарей ТОТЭ мощностью 2кВт.

В основе модуля лежит трубчатый ТОТЭ с несущим электролитом,  состоящим из диоксида циркония, стабилизированного оксидом натрия. Диаметр трубок 10мм, толщина стенки 0,5мм. Материалом анода является кермет, состоящий из никеля и диоксида циркония, в качестве катодного материала – манганит лантана-стронция.

Батарея состоит из 8 ТОТЭ, электрически и по газам соединенных

параллельно. Модуль батарей скомпонован из 4 блоков по 18 батарей в каждом, общее количество элементов ТОТЭ – 576 штук. Рабочая температура модуля равна 950°С, расход водорода 2нм3/ч, воздуха 17нм3/ч. В режиме максимальной мощности коэффициент использования топлива достигает 86%. Также ведутся работы по созданию установок ТОТЭ на биогазе. 

Схема электрохимическое установки на базе твердооксидных топливных элементов.

Технические характеристики блочно-модульных
котельных

В приложении представлено описание и технические характеристики  блочно-модульных котельных производства ЗАО «ПФК «Рыбинсккомплект», г. Рыбинск Ярославская область. На рисунке представлена типовая компоновка угольной блочно-модульной котельной. Технические характеристики котельного оборудования приведены в таблице. Теплофизические и конструктивные характеристики котлов в зависимости от рабочей мощности приведены в таблице. 

Типовая компоновка угольной блочно-модульной котельной.

Модульная котельная представляет собой надежную и эффективную систему, отвечающую всем требованиям центрального отопления и горячего водоснабжения.

Модульные котельные работают на всех видах топлива, а также могут  использовать электроэнергию. Проектирование и изготовление модульных котельных осуществляется в соответствии с данными опросного листа и технического задания.

В качестве основного оборудования применяются котлы, как отечественных  производителей, так и ведущих мировых производителей, а также горелки российского и импортного производства.

Здание модульной котельной - блок-контейнерное, либо из сендвич-панелей.
Степень огнестойкости здания - III. В здании предусматривается система пожарной сигнализации с выводом сигнала о пожаре в центральный диспетчерский пульт, а так же система пожаротушения.

Модульные котельные полностью автоматизированы и не требуют  постоянного присутствия обслуживающего персонала.

Состав модульной котельной мощностью 500 кВт:
 котел твердотопливный КВр-0,25А-2 шт; 
 группа сетевых насосов; 
 группа насосов ГБС; 
 подогреватель водо-водяной; 
 вентилятор дутьевой; 
 труба дымовая Н=21м; 
 бункер для угля V=3,5м2
 
Таблица Технические характеристики котельного оборудования. 

 

 

Неоспоримым преимуществом перед аналогами является уникальная конструкция топки твердотопливного котла КВр, выполненная из шамотного кирпича, что повышает огнестойкость котла.

Данная конструкция используется как отдельная поверхность нагрева, что позволяет моментально оптимизировать процесс горения топлива, снизить коррозию поверхностей нагрева котла, увеличивает КПД, коэффициент теплопередачи, исключает температурные перекосы в экранах котла, минимальные гидравлические сопротивления по воде и газовому тракту. 
Минимальный срок службы котлов не менее 10 лет.

Стандартный комплект поставки модульных котельных: контейнер, блок  котлов, блок сетевых насосов, магнитная подготовка воды «Термит», комплект изделий, арматуры, приборов, оборудования в габаритах котельной. По дополнительному заказу поставляются: комплект приборов по учету тепловой энергии, ГВС, дымовая труба, автоматический узел подпитки системы отопления.