Применение когенерационных установок с топливными элементами

В начале ХХ1в. в европейских промышленно развитых странах, США и Японии разрабатываются новые энергетические технологии, в которых для повышения эффективности процессов конверсии органического топлива используется новый принцип энергосбережения – преодоление не следствий, а причин низкой эффективности органического топлива. Термохимическая подготовка и предварительная конверсия топлива и очищения выходящего органического топлива до его конверсии в энергетической установке позволяет повысить эффективность использования топлива и снизить затраты, связанные с очищением продуктов полного окисления после энергетической установки. Существуют жёсткие требования к топливу, используемому в этих установках. Качество термохимической обработки топлива и очищение газа влияет на КПД топливных элементов (ТЭ), их ресурс, качество эксплуатации и обслуживания, безопасность работы, снижение парникового эффекта. Это один из барьеров при создании энергетических установок на ТЭ.

Такой принцип энергосбережения в США носит название VISION-21 (Мечта-21). Он справедлив не только для энергетических установок на ТЭ, но и для других установок, работающих на органических видах топлива. До 2015 г. в промышленность и коммунально-бытовой сектор США должны быть внедрены новые энергетические установки с использованием ТЭ. Принцип VISION-21 – электрический КПД около 70% при установленной мощности менее 30 МВт.

В ТЭ реализуется принцип прямого превращения химической энергии газообразного топлива в электрическую. В отсутствии ограничений цикла Карно в них достигается высокий электрический КПД, который на современных установках с ТЭ достигает 60% при теоретически достижимом уровне 85%.

По типу электродов, применяющихся в ТЭ, они подразделяются на щелочные, твёрдополимерные (с ионообменной мембраной), регенерационные, фосфорнокислотные с расплавленным карбонатным электролитом, с твёрдооксидным электролитом. Щелочные и твёрдополимерные относятся к низкотемпературным, фосфорнокислотные – к среднетемпературным, с расплавленным карбонатным электролитом и твёрдооксидным (на основе двуокиси циркония) – к высокотемпературным с рабочей температурой соответственно до 120, 180-250 и 650-750 и 800-1000 ⁰С (2).

Топливные элементы могут использовать в качестве топлива продукты: ректификации природного газа, метанола и бензина; газификации мазута, биомассы, бытовых отходов и угля; полукоксования и доменного производства металлургических предприятий; пирогенного разложения твёрдого топлива химических производств; частичного окисления нефти и продуктов паровой конверсии нефтезаводских газов нефтеперерабатывающих комбинатов; электролитического разложения воды.

Высокие требования к чистоте топлива определяют существенную стоимость систем подготовки топлива для энергетических установок с использованием ТЭ. За рубежом стоимость систем подготовки топлива составляет 50-80% стоимости всей энергетической установки с ТЭ. Области коммерческого использования энерготехнологий с ТЭ: промышленность (от 0,2 до 20-50 МВт); централизованное энергоснабжение в комбинированном цикле (от 50 до 600 МВт); транспорт (от 20 до 200 кВт); автономное энергообеспечение (от 3 до 250 кВт).

Когенерационные энергетические установки с ТЭ для нужд коммунально-бытового сектора и предприятий малого и среднего бизнеса за рубежом различаются по установленной мощности и типам ТЭ:

1) 1-10 кВт для получения электрической энергии (1-4 кВт) и горячего водоснабжения (до 6 кВт); как правило, они предназначены для производства электрической энергии, а не обогрева помещений; избыточную энергию после ТЭ используют для обеспечения горячего водоснабжения;

2) 10-100 кВт для получения электрической энергии (4-40 кВт) и горячего водоснабжения, отопления жилых домов (6-60 кВт);

3) 100-600 кВт для получения электрической энергии (40-300 кВт), горячего водоснабжения, отопления помещений (60-300 кВт) на предприятиях малого бизнеса, военных базах, водоканалах, аэропортах, банковских учреждениях, спортивных сооружениях, больницах, отелях, метрополитене, государственных учреждениях и т.д.

4) 600-22000 кВт для получения электрической энергии (300-11000 кВт), горячего водоснабжения и отопления жилых микрорайонов (300-11000 кВт), использования в коммунальных котельных, предприятиях среднего бизнеса, почтамтах, научно исследовательских учреждениях, морских и речных портах, вокзальных комплексах и т.д.

Когенерационная установка на полимерных ТЭ электрической мощностью 1 кВт и тепловой мощностью 2,5 кВт, имеющей размеры бытовой стиральной машины и подключаемой к стандартным сетям электрической энергии и горячего водоснабжения жилого двухэтажного коттеджа. Энергетическая установка имеет электрический КПД 42% при общем термическом КПД 85%.

Фирма Sulzer Hexis (Швейцария) разрабатывает когенерационные установки с твёрдооксидными топливными элементами (ТОТЭ) малой мощности для получения электрической энергии и горячей воды для отопления и бытового потребления в частном доме. Этой фирмой создана когенерационная энергоустановка электрической мощностью 1 кВт.

На рис 2 показан рынок бытовых когенерационных энергетических установок на ТЭ. Расширение рынка до 2010г. объясняется тем, что в мире уже строятся 10 заводов для конвейерной сборки таких установок. При объёме их производства 5 тыс.шт. стоимость одной составит 9200 дол.

Рис. 2 Рынок бытовых когенерационных энергетических установок на ТЭ в разные годы: 1 – 2000; 2 – 2005; 3 – 2010.

С середины 90-х годов работают заводы малосерийного производства когенерационных энергетических установок с ТЭ с твёрдополимерным, фосфорнокислотным, расплавленным карбонатным и твёрдооксидным электролитами электрической мощностью 200-300 кВт, которые по своим геометрическим габаритам совместимы с автомобильыми платформами трейлеров.

Топливом может служить чистый водород, пропан, метанол, биогаз. Вредные выбросы NO_x менее 5 млн^-1. На этих установках установлен сероочиститель, поэтому вредные выбросы SO_x практически отсутствуют (менее 1 млн^-1). В мире работают почти 200 таких энергетических установок.

На рис. 3 показана принципиальная схема когенерационной энергетической установки с твёрдополимерным электролитом фирмы Ballard Power Systems (BPS,Канада) электрической мощностью 250 кВт. Электрический КПД установки 40% при общем термическом КПД 75%. На её сооружение в выставочном комплексе

Tрептов-Парк (Берлин, Германия) было затрачено 7,5 млн.нем.марок.

Рис.3. Принципиальная схема когенерационной энергетической установки с твёрдополимерным электролитом: 1 – подача воздуха; 2 – турбокомпрессор; 3 – теплопункт тепловой сети (230 кВт_теп); 4 – воздухоохладитель; 5 – батарея ТЭ; 6 – инвертор; 7 – подача дополнительной воды; 8 – возвращение воды от продуктов реагирования; 9 - возвращение анодного или катодного газа; 10 – подача топливного газа (Н₂+СО₂); 11 – система подготовки топлива; 12 – конвертор СО; 13 – реактор водяного сдвига; 14 – реформер; 15 – подача воздуха для пуска; 16 – выброс; 17 – подача природного газа; 18 – подача водорода из электролизёра.

Установка работает с июля 2000 г., интегрирована в тепловую схему котельной Трептов (рис. 4) и представлена в виде действующего выставочного образца под стеклом.

Рис. 4. Схема интегрирования когенерационной установки с твёрдополимерным электролитом в тепловую схему котельной Трептов: 1 – паровой котёл (12,7 МВт_теп); 2 – водогрейный котёл (18,7 МВт_теп); 3 – отопительная нагрузка 25 МВт_теи; ТЭ (230 кВт_теп).

Электрический КПД установки 47 % при общем термическом КПД свыше 90 %.

С 1996 г. в Научно-техническом центре угольных энерготехнологий по принципу VISION-21 действует стенд для исследований ТЭ. Первые работы на стенде были проведены при атмосферном давлении. При эксплуатации стенда свыше 500 час в режимах запуска и остановки его узлы и системы работали надёжно. Было проведено свыше 60 запусков на природном газе, бензине, высокозольном украинском угле (антраците, каменном, буром) и углях зарубежных месторождений (битуминозные угли США и Австралии).

В этом центре будет создана новая система термохимической переработки топлива (природного газа и высокозольного украинского угля) для энергетической установки с ТЭ электрической мощностью до 10 кВт. Надстройка этой системы блоком ТЭ и инвертором позволит получить конкурентоспособное энергетическое оборудование, отвечающее современным нормам энергосбережения и мероприятиям по охране окружающей среды.

Выводы

В энергетике и коммунально-бытовом секторе мира находит применение новый принцип энергосбережения VISION-21, направленный на преодоление не следствий, а причин низкой эффективности использования органического топлива. Принцип VISION-21 в полной мере используется в гибридных когенерационных энергетических установках с ТЭ (электрический КПД более 70 % при установленной мощности до 30 МВт).

.

Качество термохимической обработки топлива и очистки газа воздействует на КПД гибридных когенерационных энергетических установок с ТЭ, ресурс, качество эксплуатации и обслуживания, безопасность работы, снижение парникового эффекта и здоровье человека и так далее.

Цена когенерационных энергоустановок с ТЭ уменьшается со строительством новых автоматизированных конвейерных заводов серийного производства ТЭ. К 2010 г. рынок этих установок установленной мощностью до 100 кВт оценивается в 8,5 млрд евро. В связи с тем, что при работе этих установок получен наивысший термический КПД когенерации (свыше 95 %), за рубежом началось интенсивное развитие энергетических установок с ТЭ электрической мощностью 200-300 кВт. С ростом электрической мощности когенерационных установок с ТЭ наблюдается повышение их КПД и снижение их себестоимости.

Дата добавления: 2014-01-15