CC BY
78Статья поступила в редакцию 31.10.12. Ред. рег. № 1432
The article has entered in publishing office 31.10.12. Ed. reg. No. 1432
УДК 621.351
АККУМУЛИРОВАНИЕ ЭНЕРГИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ И ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В УСТАНОВКАХ НА ОСНОВЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ
А. С. Григорьев, С.А. Григорьев, Д.В. Павлов
Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт» 123182 Москва, пл. Акад. Курчатова, д. 1 Тел.: (499)196-96-08, факс: (499)196-88-91, e-mail: grig@dserver.dhtp.kiae.ru
Заключение совета рецензентов: 02.11.12 Заключение совета экспертов: 05.11.12 Принято к публикации: 07.11.12
Предлагается способ хранения энергии, выработанной альтернативными источниками энергии автономной гибридной системы. В состав энергоустановки включается электролизер воды с твердым полимерным электролитом, в котором осуществляется преобразование электрической энергии в химическую энергию водорода. Для накопления и хранения водорода могут быть использованы газовые баллоны, металлогидридные системы и т.п. В период, когда альтернативные источники в силу их непостоянства природного характера бездействуют, топливные элементы с твердым полимерным электролитом вырабатывают из запасенного водорода электроэнергию и тепло.
Ключевые слова: электролизер воды, топливный элемент, возобновляемые источники энергии, энергоустановка.
ENERGY STORAGE USING ELECTROLYSERS AND FUEL CELLS IN INSTALLATIONS BASED ON RENEWABLE ENERGY SOURCES
A.S. Grigoriev, S.A. Grigoriev, D.V. Pavlov
National Research Center "Kurchatov Institute" 1 Acad. Kurchatov sq., Moscow, 123182, Russia Tel.: (499)196-96-08, fax: (499)196-88-91, e-mail: grig@dserver.dhtp.kiae.ru
Referred: 02.11.12 Expertise: 05.11.12 Accepted: 07.11.12
A method is proposed to store energy produced by alternative power sources of the autonomous hybrid system. The power plant includes a water electrolyser with a solid polymer electrolyte transforming electric power into the hydrogen chemical energy. Gas tanks, metal-hydride systems can be used to accumulate and store the hydrogen. When alternative power sources are in a stand-by mode due to instability of their operation depending on weather conditions, fuel cells with solid polymer electrolyte produce electric power and heat from the accumulated hydrogen.
Keywords: water electrolyser, fuel cell, renewable energy sources, power plant.
Введение
В последние годы интерес к широкомасштабному освоению возобновляемых источников энергии (ВИЭ) неуклонно растет [1]. Дополнительный импульс к внедрению таких энергоустановок дала авария на Фукусимской АЭС в 2011 г., после которой, особенно в Германии и Японии, тенденция к «сворачиванию» атомных станций и их замене на энергетические системы с использованием ВИЭ еще более усилилась.
Поскольку производство электроэнергии с помощью систем на ВИЭ носит неравномерный характер в силу непостоянства энергетических потоков от ВИЭ во времени, всегда остро стоит вопрос об аккумулировании энергии. Наиболее распространенным и традиционным является использование электрохимических аккумуляторов электроэнергии. Однако, несмотря на технический прогресс в этой области, они по-прежнему имеют определенные ограничения, такие как недостаточная емкость, небольшой срок службы и весьма незначительное количество циклов
заряда-разряда, обусловленные необратимыми изменениями их электрохимических свойств, особенно в условиях нерегламентированного графика нагрузки и глубоких разрядов [2]. В результате их замена требуется ранее, нежели чем это необходимо для других узлов установки с ВИЭ.
Привлекательным является альтернативный этому способ хранения энергии от ВИЭ в виде водорода - высокоэффективного энергоносителя [3]. В этом случае предлагается включение в состав энергоустановки электролизера воды [4], в котором будет осуществляться преобразование электрической энергии, полученной от ВИЭ, в химическую энергию водорода. Для последующего накопления и хранения водорода могут быть использованы газовые баллоны, металлогидридные системы и т.п. [5-6]. В период, когда ВИЭ в силу их непостоянства природного характера недоступны, из запасенного водорода посредством топливных элементов снова можно получить электроэнергию и тепло.
Электролизеры воды с ТПЭ
Электролиз воды в системе с твердым полимерным электролитом (ТПЭ) является безопасным и эффективным методом производства водорода из воды [7]. Немаловажным является то, что чистота производимых электролизных газов соответствует чистоте газов, необходимых в дальнейшем для топливных элементов с ТПЭ [8].
Разработка ТПЭ-электролизеров исторически связана с появлением перфторированной ионообменной мембраны марки Nafion® фирмы DuPont [9]. Первые электролизеры с ТПЭ были созданы в 1966 году компанией General Electric [10, 11] и предназначались для космических кораблей, подводных аппаратов и т. п.
Одним из примеров отечественной разработки является электролизная батарея с ТПЭ НИЦ «Курчатовский институт» производительностью до 2 Нм3/ч (нормальных м3 в час) водорода, она представлена на рис. 1, а схема электролизной ячейки - на рис. 2.
Рис. 1. Электролизная батарея с ТПЭ производительностью до 2 Нм /ч водорода, разработанная в НИЦ «Курчатовский институт» Fig. 1. The SPE electrolysis stack with productivity of up to 2 Nm3/h of hydrogen developed in NRC "Kurchatov Institute"
Рис. 2. Принципиальная схема электролизной ячейки на основе ТПЭ Fig. 2. Schematic diagram of a SPE electrolysis cell
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (115) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
На аноде (положительном электроде) электролизера воды с ТПЭ происходит выделение кислорода: H2O ^ 1/2O2 + 2ё + 2H+. Ионы водорода переносятся через ионообменную мембрану (ТПЭ) и на катоде (отрицательном электроде) происходит выделение водорода 2H+ + 2ё ^ H2.
Суммарная реакция: H2O ^ H2 + 1/2O2.
Обычно современные ТПЭ-электролизеры работают при плотностях тока около 0,5 А/см2 и напряжении на ячейке 1,75 В. Подобный режим используется в электролизных ячейках НИЦ «Курчатовский институт». Для достижения требуемого уровня производительности электролизные ячейки набираются в фильтр-прессную конструкцию (рис. 1), образующую электролизную батарею (последовательное электрическое соединение и параллельное газовое соединение ячеек).
В настоящее время наиболее известными разработчиками и производителями промышленных электролизеров воды с ТПЭ за рубежом являются Hamilton Sundstrand (США) [12], Hydrogenics Corporation (Канада) [13], Teledyne Technologies Incorporated (США) [14], Proton OnSite (США) [15], NEL Hydrogen (Норвегия) [16], CETH S.A. (Франция) [17] и некоторые другие компании. Немецкая фирма H-TEC Wasserstoff-Energie-Systeme GmbH [18] изготавливает небольшие демонстрационные образцы электролизеров воды с ТПЭ для образовательных целей. Исследования и разработка электролизеров с ТПЭ проводятся во многих странах, в частности, в Греции, Италии, Германии, Франции, США [19-26]. Возможность существенного прогресса в этой области была продемонстрирована в рамках Японской программы WE-NET. Так, был создан электролизный модуль, состоящий из пяти электрохимических элементов площадью 2500 см2 каждый и позволяющий при плотности тока 1 А/см2 и температуре 80 °C реа-лизовывать напряжение на элементе 1,563 В, что соответствует эффективности преобразования электрической энергии в химическую, равной около 95% [27, 28]. Аналогичные значения КПД1 реализованы и в российских модулях, созданных в НИЦ «Курчатовский институт» [4, 29].
Разработка усовершенствованных электролизных систем с ТПЭ на повышенные (до 13 МПа) давления успешно проведена НИЦ «Курчатовский институт» (рис. 3), ведется разработка электролизеров на 30 МПа. При таких давлениях непосредственно из электролизной установки может быть осуществлена заправка стандартных газовых баллонов, а также металлогидридных систем хранения водорода [5, 6]. Важной особенностью электролиза высокого
давления является то, что на создание давления требуются существенно более низкие энергозатраты, чем в традиционных компрессорах. Например, разработанный в НИЦ «Курчатовский институт» электролизер требует 4,04 кВт-ч на производство 1 Нм3 водорода при атмосферном давлении и 4,18 кВт-ч при давлении 13 МПа (рис. 4). При этом только для сжатия 1 м3 водорода до 13 МПа в традиционных механических или мембранных компрессорах может потребоваться до 2 кВт-ч электроэнергии [30]. Таким образом, использование электролизера высокого давления вместо компрессора может сэкономить до 50% электроэнергии. Преимуществом производства электролизных газов под давлением является также их упрощенная очистка от паров воды (для большинства систем хранения водорода присутствие паров воды в водороде нежелательно).
1 КПД использования электроэнергии (выход по энергии) - это отношение теоретически необходимого для получения единицы количества вещества электроэнергии к практически израсходованному. Теоретически необходимое количество электроэнергии - то количество ее, которое было бы необходимым для получения единицы количества вещества, если бы процесс происходил со 100% выходом по току и при напряжении, равном напряжению разложения.
Рис. 3. Внешний вид электролизной установки НИЦ «Курчатовский институт» с производительностью до 10 Нм /ч водорода и рабочим давлением до 13 МПа Fig. 3. The outside view of the electrolysis installation with productivity of up to 10 Nm3/h of hydrogen and operating pressure up to 13 MPa developed in NRC "Kurchatov Institute"
Рис. 4. Зависимость величины удельной потребляемой электролизером энергии от его рабочего давления, полученная НИЦ «Курчатовский институт» совместно с компанией «МЭТИС» (филиал ОАО «Красная Звезда», Москва) Fig. 4. Specific energy consumed by electrolyser as a function of the operating pressure, measured by NRC "Kurchatov Institute" in collaboration with "MATYS" company (a branch of OJSC "Krasnaya Zvezda", Moscow)
В настоящее время коммерчески доступны электролизеры с ТПЭ производительностью от нескольких миллилитров до нескольких десятков кубических метров водорода в час различного назначения [4, 8, 31, 32].
Так, например, согласно [33], компания Mitsubishi освоила производство электролизных установок на основе ТПЭ, работающих на давление до 70 МПа при стоимости установок около 720 000 руб. за 1 Нм3/ч водорода. Французская компания CETH производит линейку электролизеров с ТПЭ производительностью от 5 до 80 Нм3/ч. Примерная стоимость электролизной установки CETH производительностью 10 м3/ч водорода составляет 220 000 € [34].
Топливные элементы с ТПЭ
При получении электричества в традиционных энергетических устройствах процесс преобразования энергии идет по следующей условной схеме: химическая энергия топлива ^ тепловая энергия ^ механическая энергия ^ электрическая энергия.
В топливном элементе, который в общем случае состоит из электролита и находящихся с ним в контакте двух электродов, на которых протекают электрохимические реакции окисления/восстановления,
преобразование энергии идет по схеме: химическая энергия ^ электрическая энергия.
Схема топливного элемента с ТПЭ показана на рис. 5.
Первые зарубежные топливные элементы с ТПЭ были созданы компанией General Electric в рамках американских космических программ Gemini и Apollo в 1959 году [35, 36]. В настоящее время топливные элементы этого типа являются наиболее распространенными, в первую очередь, для использования в мобильных системах и на транспорте. Например, такие компании, как Даймлер-Крайслер, Форд, Мазда, Тойота, БМВ, Рено, Пежо, Ниссан и др., либо готовят к серийному производству автомобили на топливных элементах с ТПЭ, либо ведут интенсивные разработки в этой области [37].
Кроме транспорта, за рубежом топливные элементы с ТПЭ начинают использоваться для систем автономного электроснабжения специальных зданий и сооружений, различных комплексов контрольно-измерительных приборов. Топливные элементы также продолжают использоваться в космосе и в авиации. Началось внедрение топливных элементов в беспилотных летательных аппаратах, ведутся активные работы по созданию различных энергоустановок, обеспечивающих энергией бортовую аппаратуру [38].
Рис. 5. Принципиальная схема топливного элемента на основе ТПЭ Fig. 5. Schematic diagram of a SPE fuel cell
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (115) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
Таблица 1
Некоторые компании-производители энергоустановок (ЭУ) на основе топливных элементов с ТПЭ
Table 1
Some companies-producers of SPE fuel cells based power installations
KoMnaHHA Страна Мощность установок
Ballard Power Systems http://www.ballard.com/ Канада Серийные ЭУ 1-150 кВт транспортного назначения
Nuvera Fuel Cells www.nuvera.com Италия / США Коммерческие ЭУ 2,5 кВт - 1 МВт для транспортных и индустриальных приложений
Plug Power www.plugpower.com США Коммерческие ЭУ до 5 кВт для телекоммуникационных и резервных приложений
Idatech http://www.idatech.com/ США ЭУ 250 Вт - 15 кВт для промышленных и телекоммуникационных приложений.
Shanghai-Shen Li http://www.sl-power.com Китай ЭУ 0,1-150 кВт
Одними из лидеров в разработке и производстве топливных элементов с ТПЭ являются американская корпорация Plug Power [39] и канадская фирма Ballard Power Systems Inc. [40] (см. табл. 1). В России исследованиями и разработкой топливных элементов с ТПЭ активно занимаются ФГБУ НИЦ «Курчатовский институт», ОАО «Красная звезда», Федеральное государственное унитарное предприятие «Центральный научно-исследовательский институт судовой электротехники и технологии» (ФГУП «ЦНИИ СЭТ») и другие.
W
* 1 V
Рис. 6. Батарея топливных элементов с ТПЭ
электрической мощностью 1 кВт, созданная в НИЦ «Курчатовский институт» Fig. 6. A SPE fuel cells stack with electric power 1 kW developed in NRC "Kurchatov Institute"
Обычно в качестве топлива в топливных элементах с ТПЭ используется либо водород (иногда водо-родосодержащие смеси), либо спирты (в первую очередь метанол).
Анодная реакция (анод является отрицательным электродом) водородного топливного элемента выглядит следующим образом: H2 ^ 2H+ + 2ё.
Протон переносится через ТПЭ-мембрану к катоду (положительному электроду), где протекает реакция: /02 + 2ё + 2Н+ ^ Н20.
Суммарная реакция: Н2 + /02 ^ Н20.
Высвобождающиеся в результате электрохимической реакции электроны создают электрический ток, совершающий работу во внешней цепи. При этом кроме электронов образуется некоторое количество тепла.
Стандартное значение ЭДС топливного элемента с ТПЭ при комнатной температуре составляет 1,229 В. При рабочих температурах в диапазоне 60-80 °С ЭДС несколько меньше, а на практике максимальное напряжение разомкнутой цепи составляет ~ 1,0-1,1 В. Для достижения требуемого напряжения отдельные топливные элементы могут электрически последовательно соединяться в батареи топливных элементов (рис. 6).
Использование электрохимических систем
в составе энергоустановок на основе возобновляемых видов энергии
В составе энергоустановок на основе ВИЭ электролизеры воды и топливные элементы с ТПЭ могут найти применение как альтернатива использованию традиционных электрохимических аккумуляторов. Поскольку ТПЭ-системы имеют модульную конструкцию и возможно как параллельное, так и последовательное соединение отдельных электрохимических ячеек и батарей на их основе, они могут быть скомпонованы в соответствии с теми или иными требуемыми электрическими параметрами, принятыми в системах с солнечными панелями и ветроге-нераторами. И наоборот, системы на основе ВИЭ могут быть адаптированы для обеспечения оптимального режима работы электролизера воды. За счет такой модульной структуры можно отказаться от использования инверторов и трансформаторов или свести их количество и мощность к минимуму.
электроэнергия к потребителю
электроэнергия от ВИЭ
Рис. 7. Схема аккумулирования электроэнергии от ВИЭ с применением электролизера и топливного элемента: 1 - электролизер; 2 - емкости для хранения водорода; 3 - емкость для хранения кислорода; 4 - топливный элемент; 5 - блок водоподготовки; 6 - преобразователь напряжения; 7 - инвертор Fig. 7. A schematic diagram of a system for accumulation of renewable energy using the electrolyser and the fuel cell: 1 - electrolyser; 2 - tanks for hydrogen storage; 3 - tank for oxygen; 4 - fuel cell; 5 - water conditioning system;
6 - voltage converter; 7 - inverter
7
1
Пример такой электрохимической подсистемы, встроенной в автономную энергосистему на основе ВИЭ, показан на рис. 7.
Рассмотрим в качестве примера вариант, когда энергоустановка на основе ВИЭ имеет мощность 2 кВт и напряжение 48 В (постоянный ток).
Рассчитаем параметры электролизной батареи, необходимые для непосредственного подключения к такой энергоустановке. Рабочие плотность тока и напряжение электролизера составляют около 0,5 А/см2 и 1,75 В соответственно. Следовательно, количество ячеек в батарее должно составить 48 В/1,75 В ~ 28 шт. В случае квадратной формы ячеек размер ячейки составит 9,1x9,1 см (2000 Вт/48 В = 41,7 А; 41,7 А/0,5 А/см2 = 83,3 см2 ~ 9,1x9,1 см2). Также при необходимости можно использовать две батареи с 14-ю ячейками.
В соответствии с законом Фарадея рассчитаем количество водорода, производимого электролизной установкой на основе электролизного модуля из 28 ячеек площадью 83,3 см2 каждая, работающих при плотности тока и напряжении 0,5 А/см2 и 1,75 В соответственно.
Математически закон Фарадея можно записать в виде уравнения: т = к^, где т - масса вещества, вы-
делившегося на электроде, кг; кэ = М/пГ - электрохимический эквивалент, кг/Кл = кг/(А-с); М - молярная масса вещества, выделившегося на электроде, кг/моль; п - число электронов, участвующих в электрохимической реакции; Г = 96485,3 Кл/моль - постоянная Фарадея; д - электрический заряд, прошедший через электролизную ячейку.
Зная величину силы тока I и время его протекания t, с использованием закона Фарадея можно рассчитать теоретический (максимальный) выход водорода (и кислорода): Утеор. = к^/р, где Утеор. - теоретический объем выделившегося газа, м3; I - сила тока, А; t - время, с; р - плотность газа, кг/м3.
В нашем случае для водорода кэ = 1,045-10-8 кг/Кл, р = 0,0899 кг/м3, поэтому теоретический его объем составит:
1,045-10-8 -0,5-83,3-2^ 4 тт 3
УН =------Ш = 1,355 -10-4 Шм3.
Н2 0,0899
Таким образом, за один час работы электролизера объем произведенного водорода составит УН2 = 0,488 Нм3. Если запасти этот объем водорода (например, в газообразном виде в баллонах), то его последующее
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (115) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
использование в топливном элементе, в первом приближении, обеспечит протекание такого же электрического тока в тот же период времени.
Следует отметить, что современные твердополи-мерные электролизеры имеют выход по току (или Фарадеевский КПД), близкий к 100% (особенно при невысоких рабочих давлениях [41]). Это означает, что протекающий через электролизную ячейку электрический ток практически полностью преобразуется в химическую энергию водорода. При этом термодинамический КПД, рассчитанный как отношение термонейтрального напряжения2 к рабочему напряжению, составляет около 85% (ЕТН/Е = 1,48/1,75 = 0,85). Следовательно, только 85% электрической мощности (произведение тока, напряжения на ячейке и количества ячеек в электролизной батарее), подаваемой на электролизер, преобразуется в химическую энергию водорода. При этом оставшиеся 15% выделяются в виде тепла, которое может быть использовано для отопительных целей и т.п.
Если для хранения нарабатываемого водорода использовать стандартный транспортный стальной баллон, рассчитанный на давление 200 атм (ГОСТ 949-73) и имеющий емкость 40 л, или 0,04 м3, то в нем можно будет хранить 0,04-130 = 5,2 Нм3 водорода при давлении 130 атм. При непрерывной работе электролизера на мощности 2 кВт такой баллон заполнится примерно за 10 часов до давления 130 атм.
Теоретическое значение термодинамического КПД топливных элементов с ТПЭ (рассчитанное как отношение рабочего напряжения к термонейтральному) составляет до 70%. Так, при работе топливного элемента при напряжениях, близких к напряжению разомкнутой цепи (когда ток в цепи отсутствует), термодинамический КПД составит Е/ЕТН = = 0,95/1,48 = 0,64. Однако для практических целей необходима реализация плотностей тока на уровне 0,5 А/см2, при которых напряжение топливного элемента заметно падает. Приемлемым с точки зрения КПД является рабочее напряжение 0,74 В. Электрический КПД в этом случае составит 50%, оставшиеся 50% выделяются в виде тепла (которое можно также использовать для отопления, подогрева бытовой воды и т. п.). Поскольку Фарадеевский КПД (величина, подобная выходу по току в электролизере) топливного элемента с ТПЭ, также как и в случае твердопо-лимерного электролиза, близок к 100%, в первом приближении вся энергия водорода преобразуется в электрический ток. Однако рабочее напряжение, которое в два раза меньше термонейтрального напряжения, обуславливает потери снимаемой электрической мощности по сравнению с теоретически возможным значением.
2
Термонейтральным называется напряжение (ЕТН « 1,48 В), при котором электролизер работает без теплообмена с окружающей средой. Если рабочее напряжение ниже термонейтрального, для проведения процесса электролиза требуется помимо подвода электроэнергии также подача тепла. При напряжении выше термонейтрального тепло выделяется.
Так, в нашем случае электролизером было выработано 5,2 Нм3 водорода, который поступил в систему хранения. Затраченная на его производство электрическая энергия составила 20 кВт-ч (2 кВт х 10 ч при величине тока 41,65 А). При этом только 85% ее электрической мощности преобразовалось в энергию водорода (оставшиеся 15% выделились в виде тепла). Электрический КПД топливного элемента составит уже 50%. Таким образом, КПД циклического преобразования энергии составит 0,85-0,5 = 0,425. Оставшиеся 57,5% выделяются в виде тепла, которое при необходимости можно использовать для отопительных целей.
Таким образом, в ситуации, когда в системе на основе ВИЭ традиционные электрохимические аккумуляторы уже полностью заряжены, а поступление электроэнергии от ВИЭ продолжается, предлагаемая на рис. 6 подсистема будет нарабатывать водород и хранить его в баллонах.
Баллоны высокого давления емкостью 40-50 л удобны для транспортировки, однако не оптимальны по массе. Целесообразно вместо большого количества 40-литровых баллонов включить в состав системы 1-2 больших баллона емкостью 6-12 м3, аналогично тому, как было сделано в финском пилотном проекте с солнечной панелью номинальной мощностью 1,3 кВт. В этом проекте, разработанном Хельсинкским Технологическим университетом, водород, полученный с помощью гидролизера, запасается при давлении 25 атм в баллоне объемом 8 м3 [42].
Если поступление энергии от ВИЭ в силу известных природных причин (отсутствие ветра, полярная ночь) не позволяет обеспечить необходимое энергоснабжение потребителей, а традиционные электрохимические аккумуляторы, имеющиеся в системе, уже приближаются к недопустимому уровню разряда, запасенный в баллонах водород будет использоваться для питания топливных элементов как резервных источников для восполнения дефицита электроэнергии.
Типичные значения «электрического» КПД цепочки из электролизеров и топливных элементов -около 43%, поэтому, расходуя водород с той же скоростью (0,488 Нм3/ч), с которой его нарабатывал электролизер, они обеспечат около 50% мощности, затраченной ранее на электролиз, т.е. примерно 0,86 кВт. Для поддержания номинальной мощности 2 кВт поток водорода нужно увеличить в 2,3 раза. Баллон, который заполнялся в течение 10 часов, опорожнится примерно за 4,3 часа. Помимо электроэнергии топливные элементы выделяют тепло («тепловой» КПД также около 50%), которое может быть использовано для бытовых или производственных целей, например, для подогрева аккумуляторов и отопления помещений в холодный период года.
Для сравнения оценим емкость эквивалентной аккумуляторной батареи (АБ), способной в течение 5 часов выдавать в нагрузку 2 кВт.
Емкость АБ (Саб), необходимую для обеспечения непрерывного электропитания автономных потребителей в течение длительного (Ы часов) периода полного отсутствия солнца и ветра, можно оценить по формуле: Саб = (1срЫ)/(КразрКтемп), где 1ср - средний ток, потребляемый нагрузкой, в амперах; N - время непрерывной работы от АБ без подзаряда в часах; Кразр - коэффициент глубины разряда АБ; Ктемп - коэффициент снижения емкости АБ в холодное время года.
Коэффициенты Кразр и Ктемп приводятся в руководствах по эксплуатации для конкретного типа аккумуляторов. Для оценки примем усредненные значения коэффициентов, равные 0,5; N = 5 часов.
Саб = 5/с„/0,25 = 20/с.
(1)
ной системы производительностью 0,5 м /ч водорода составит около 5 000 €, или около 200 тыс. рублей.
Результаты сравнения двух вариантов аккумулирования энергии приводятся в табл. 2.
Таблица 2
Оценочное сравнение параметров энергоустановок с хранением энергии в АБ и электрохимическими системами с водородным накопителем
Table 2
The estimation of battery energy storage system parameters compared with parameters of the system using hydrogen storage
Для расчетов по формуле (1) не нужно учитывать номинальное напряжение АБ.
Для дальнейшей оценки примем напряжение АБ 48 В, среднюю потребляемую мощность - 2 кВт. Тогда средний потребляемый ток составит 41,7 А, а емкость АБ, необходимая для обеспечения непрерывного электропитания, составит Саб = 20-41,7 = = 834 А-ч.
Для рассматриваемого примера необходима емкость АБ 834 А-ч при напряжении 48 В. Для наглядности - это около 60 автомобильных 12-вольтовых АБ емкостью 55 А-ч каждая. Их суммарный объем -около 0,5 м3, масса - приблизительно 900 кг.
Целесообразно, однако, использовать не автомобильные, а специализированные батареи, например, «8оппеп8Леш-230» емкостью 230 А-ч напряжением 12 В.
Оценим стоимость комплекта АБ «ЗоппешсИеш-230» требуемой емкости. Одна АБ «ЗоппешсИеш-230» стоит 16,5 тыс. рублей. Чтобы получить емкость 834 А-ч при напряжении 48 В, батарей потребуется 16 штук, их стоимость составит около 264 тыс. рублей. При использовании 20 АБ другого типа
- «8оппешЛеш-412» емкостью 180 А-ч напряжением 12 В суммарная масса АБ составит 1400 кг, объем
- 613 дм3, цена - около 513 тыс. рублей.
Сегодня стоимость установленной мощности установки на основе топливных элементов с ТПЭ составляет 3000-10000 долларов США за 1 кВт [43]. Но по имеющимся прогнозам при массовом производстве она вскоре может снизиться до 50 долларов США за 1 кВт [44]. Примем для оценки промежуточную стоимость 500 долларов США за 1 кВт, при этом 2-киловаттная система обойдется по минимуму 1000 долл. США, или около 30 тыс. рублей. Как было упомянуто ранее, стоимость электролизной системы производительностью 10 м3/ч водорода составляет 220 000 €, или, грубо, 22 000 € за 1 м3/ч.
Сообщается, однако, об исследованиях, имеющих целью снижение стоимости ниже 5 000 € за 1 м3/ч [45]. Примем для оценки промежуточную стоимость 10 000 € за 1 м3/ч. Следовательно, цена электролиз-
Параметр АБ «Sonnenschein -230» - 16 шт. Электролизер + + топливный элемент + + баллон (40 л)
Суммарная масса, кг 1400 50-60
Суммарный объем, дм3 613 100-120
Примерная цена, тыс. руб. 260-513 230
Заметное преимущество предлагаемых энергоустановок с водородными накопителями по массогаба-ритным показателям особенно существенно при создании удаленных систем в труднодоступных районах, куда оборудование доставляется, например, с помощью вертолетов. Другим важным преимуществом является возможность наращивания энергоемкости водородного накопителя путем подсоединения дополнительных газовых баллонов или использования газгольдеров большей емкости, как, например, в финском проекте 1992 г. [42]. Также несомненным преимуществом водородных накопителей по отношению к традиционным электрохимическим аккумуляторам является простота утилизации и отсутствие при этом токсичных компонентов.
Заключение
Электрохимические системы с ТПЭ (электролизеры воды и топливные элементы) предлагается адаптировать для использования в энергоустановках с использованием ВИЭ с целью аккумулирования электроэнергии путем как прямого, так и обратного преобразования электрической энергии, получаемой от ВИЭ, в химическую энергию водорода - высокоэффективного энергоносителя. При этом хранение химической энергии в виде газообразного водорода экологически безопасно и значительно превосходит по своим емкостным показателям традиционные аккумуляторные батареи, что особенно актуально в случае длительного отсутствия поступления энергии от ВИЭ, например, в условиях полярной ночи и отсутствии ветра.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (115) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» (государственный контракт от 28 апреля 2011 г. № 16.516.11.6051).
Список литературы
1. Попель О.С. Возобновляемые источники энергии: роль и место в современной и перспективной энергетике // Рос. хим. ж. 2008. Т. LII, № 6. С. 95-106.
2. Груздев А.И. Опыт создания батарей на базе литий-ионных аккумуляторов большой емкости // Электрохимическая энергетика. 2011. Т. 11, № 3. С. 128-135.
3. Hebling С. The Role of Hydrogen in Renewable Energy Economy. Proceedings of Intersolar Europe 2012, June 11-15, Munich.
4. Григорьев С.А., Порембский В.И., Фатеев В.Н., Самсонов Р.О., Козлов С.И. Получение водорода электролизом воды - современное состояние, проблемы и перспективы // Транспорт на альтернативном топливе. 2008. № 3. С. 62-69.
5. Тарасов Б.П., Лотоцкий М.В., Яртысь В.А. Проблема хранения водорода и перспективы использования гидридов для аккумулирования водорода // Рос. хим. ж. (Ж. Рос. Хим. Об-ва им. Д.И. Менделеева). 2006. Т. L, № 6. С. 34-48.
6. Вербецкий В.Н., Митрохин С.В. Гидриды интерметаллических соединений - синтез, свойства и применения для аккумулирования водорода // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2005. № 10. С. 41-61.
7. Barbir F. PEM electrolysis for production of hydrogen from renewable energy sources // Solar Energy.
2005. Vol. 78. P. 661-669.
8. Grigoriev S.A., Porembsky V.I., Fateev V.N. Pure hydrogen production by PEM electrolysis for hydrogen energy // International Journal of Hydrogen Energy.
2006. Vol. 31, iss. 2. P. 171-175.
9. Baneijee S., Curtin D.E. Nafion perfluorinated membranes in fuel cells // Journal of Fluorine Chemistry. 2004. Vol. 125. P. 1211-1216.
10. Davenport R.J., Schubert F.H. Space water electrolysis: space station through advanced missions // Journal Power Sources. 1991. Vol. 36. P. 235-250.
11. McElroy J.F. SPE® water electrolyzers in support of Mission from Planet Earth // Journal of Power Sources. 1991. Vol. 36, Iss. 3. P. 219-233.
12. http ://www.hamiltonsundstrand. com.
13. http://www.hydrogenics.com.
14. http://www.teledyne.com.
15. http://www.protononsite.com.
16. http://www.nel-hydrogen.com.
17. http://www.ceth.fr.
18. http://www.h-tec.com.
19. Sapountzi F.M., Divane S.C., Papaioannou E.I., Souentie S., Vayenas C.G. The role of Nafion content in sputtered IrO2 based anodes for low temperature PEM water electrolysis // Journal of Electroanalytical Chemistry. 2011. Vol. 662, Iss. 1. P. 116-122.
20. Labou D., Slavcheva E., Schnakenberg U., Neo-phytides S. Performance of laboratory polymer electrolyte membrane hydrogen generator with sputtered iridium oxide anode // Journal of Power Sources. 2008. Vol. 185, Iss. 2. P. 1073-1078.
21. Medina P., Santarelli M. Analysis of water transport in a high pressure PEM electrolyzer // International Journal of Hydrogen Energy. 2010. Vol. 35. P. 51735186.
22. Siracusano S., Baglio V., Di Blasi A., Briguglio N., Stassi A., Ornelas R., Trifoni E., Antonucci V., Arico A.S. Electrochemical characterization of single cell and short stack PEM electrolyzers based on a nanosized IrO2 anode electrocatalyst // International Journal of Hydrogen Energy. 2010. Vol. 35. P. 5558-5568.
23. Ozcan Atlam. An experimental and modeling study of a photovoltaic/proton-exchange membrane elec-trolyser system // International Journal of Hydrogen Energy. 2009. Vol. 34. P. 6589-6595.
24. Millet P., Durand R. and Pineri M. Preparation of new solid polymer electrolyte composites for water electrolysis // International Journal of Hydrogen Energy. 1990. Vol. 15, No. 4. P. 245-253.
25. Andolfatto F., Durand R., Michas F., Millet P. and Stevens P. Solid polymer electrolyte water electrolysis: electrocatalysis and long-term stability // International Journal of Hydrogen Energy. 1994. Vol. 19, No. 5. P. 421-427.
26. Nie J., Chen Y., Cohen S., Carter B.D., Boehm R.F. Numerical and experimental study of three-dimensional fluid flow in the bipolar plate of a PEM electrolysis cell // International Journal of Thermal Sciences 48 (2009) 1914-1922.
27. Okano K. Japanese Hydrogen Programme "WE-NET": Vision and Status // In: Environmental Aspects of Electrochemical Technology, Electrochemical Society Proceedings, vol. 99-39, edited by Eric J. Rudd, Clifford W. Walton, The Electrochemical Society, 2000, pp. 111130.
28. Yamaguchi M., Shinohara T., Honiguchi H., Na-kanori H., Okisawa K. Development of 2500 cm2 Five-Cell Stack Water Electrolyzer in WE-NET // In: Environmental Aspects of Electrochemical Technology, Electrochemical Society Proceedings, vol. 99-39, edited by Eric J. Rudd, Clifford W. Walton, The Electrochemical Society, 2000, pp. 131-142.
29. Козлов С.И., Фатеев В.Н. Водородная энергетика: современное состояние, проблемы, перспективы / Под ред. Е.П. Велихова. М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2009.
30. Strobel R., Oszcipok M., Fasil M. The compression of hydrogen in an electrochemical cell based on a PEM fuel cell design // J. Power Sources 2002; 105:208215.
31. Григорьев С.А., Фатеев В.Н., Порембский В.И. Электролизеры с твердым полимерным электролитом для получения особо чистых газов // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2004. № 10. C. 21-23.
32. Grigoriev S.A., Porembskiy V., Korobtsev S., Fateev V.N., Aupretre F., Millet P. High-pressure PEM water electrolysis and corresponding safety issues // International Journal of Hydrogen Energy. 2011. Vol. 36, Iss. 3. P. 2721-2728.
33. Mitsubishi generates 350 bar hydrogen without compressor // Fuel Cells Bulletin. 2004. Vol. 2004, Iss. 6. P. 8-9.
34. http://www.ceth.fr.
35. Grubb Jr WT. Batteries with solid ion-exchange electrolytes // Journal of the Electrochemical Society 1959;106:275-281.
36. Grubb Jr WT. General Electric Company, Fuel cell, US Patent no 2,913,511; November 17th, 1959.
37. http://www.fuelcellcarnews.com.
38. Баранов И.А., Коробцев С.В., Порембский В.И., Фатеев В.Н. Перспективы использования твер-дополимерных топливных элементов в авиации // Сборник тезисов III Международной научно-технической конференции «Авиадвигатели XXI века» 30.11.10-3.12.10, Москва, ЦИАМ. C. 427-428.
39. http://www.plugpower.com.
40. http://www.ballard.com.
41. Millet P., Ngameni R., Grigoriev S.A., Mbemba N., Brisset F., Ranjbari A., Etievant C. PEM water elec-trolyzers: from electrocatalysis to stack development // International Journal of Hydrogen Energy. 2010. Vol. 35, Iss. 10. P. 5043-5052.
42. PV-H2 pilot plant for experimental study. В сборнике "Photovoltaics in Cold Climates" (англ.), IEA International Agency, 1999.
43. http://www.newchemistry.ru/letter.php?n_id=6721).
44. http://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/11012_fuel_ cell_system_cost.pdf.
45. http://www.fch-ju.eu/project/pressurised-pem-electrolyzer-stack.
ПОДПИСКА НА РОССИЙСКИЕ НАУЧНЫЕ ЖУРНАЛЫ
eLIBRAMMlll
Научная Электронная Библиотека продолжает кампанию по подписке на отечественную научную периодику в электронном формате на 2013 г. Полнотекстовая коллекция включает журналы по всем отраслям современного знания. Всего на платформе eLIBRARY.RU сейчас размещено более 14 млн научных статей и публикаций. На платформе eLIBRARY.RU доступны электронные версии более 2500 российских научно-технических журналов, в том числе более 1300 журналов в открытом доступе.
Десятилетиями научные организации, вузы и библиотеки оформляли подписку на печатные версии этих журналов, а теперь они стали доступны в электронном виде на платформе eLIBRARY.RU:
Российские журналы на платформе eLIBRARY.RU представлены в виде нескольких коллекций:
• Журналы издательства НАУКА • Российские журналы на eLIBRARY.RU •
• Журналы Дальневосточного отделения РАН •
• Журналы Самарского государственного технического университета •
• Реферативные журналы ВИНИТИ • Реферативные журналы ИНИОН • Реферативные журналы ЦНСХБ •
Полный перечень подписных журналов представлен в Каталоге 2013 г.
Оформить годовую подписку на текущие и архивные выпуски журналов, приобрести отдельные номера изданий могут частные лица и организации любой формы собственности и вида деятельности - университеты, институты РАН и других академий, отраслевые НИИ и научные центры, библиотеки, государственные органы и коммерческие структуры. Российские журналы доступны теперь в электронном виде не только отечественным, но и зарубежным подписчикам. Научная Электронная Библиотека работает со всеми, кого интересует научная периодика.
Для того чтобы получить доступ к подписным изданиям, необходимо зарегистрироваться на сервере eLIBRARY.RU и подписать Лицензионное соглашение, которое регламентирует порядок и правила работы и использования электронных ресурсов.
Заявки на подписку, вопросы, комментарии направляйте в отдел маркетинга и продаж
Тел.: 7 (495) 935 0101 Факс: 7 (495) 935 0002 Email: sales@elibrary.ru
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (115) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
