CC BY
5Wschodnioeuropejskie Czasopismo Naukowe (East European Scientific Journal) #5(45), 2019 21
Budko V.I.
Ph.D., Candidate of technical science, Associate Professor the Department of Renewable Energy Sources, National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute"
ASSESSMENT OF THE HYDROGEN BATTERY CAPACITY UNDER USE OF WIND ELECTRIC INSTALLATIONS AS PRIME ELECTRICITY GENERATORS WITHIN COMPLEX OF AUTONOMOUS CHARGING STATION FOR ELECTRIC CARS ON FUEL ELEMENTS
Будько Василь 1ванович
кандидат техтчних наук, доцент кафедри вiдновлюваних джерел енергп, Нацюнального технiчного ymiверситету Украти «Кшвський полтехтчний тститут iменi 1горя Сжорського»
ВИЗНАЧЕННЯ ЕНЕРГОСМНОСТ1 АКУМУЛЯТОРУ ВОДНЮ ПРИ ВИКОРИСТАНН1 В1ТРОЕЛЕКТРИЧНИХ УСТАНОВОК ЯК ПЕРВИННИХ ГЕНЕРАТОР1В ЕЛЕКТРОЕНЕРГП В СКЛАД1 АВТОНОМНО! ЗАПРАВНО1 СТАНЦП ЕЛЕКТРОМОБ1Л1В НА ПАЛИВНИХ
ЕЛЕМЕНТАХ
Abstract. The hydrogen compression modes were studied for purpose of its further storage within the proposed scheme of an autonomous charging station for electric cars on fuel cells where the primary electric energy generator is presented by wind electric installation. The wind turbine modes of electric power generation with further production of hydrogen for recharging of the electrical vehicles on fuel cells were analysed based on actual collected experimental data of wind speed for the given area. Mathematical formulas were proposed for capacity calculation of the high-pressure tank reservoir for the purpose of the seasonal hydrogen storage followed by its use in periods of the base energy source absence. The energy backup coefficient, which is necessary to take into consideration in order to ensure the efficient operation of the autonomous charging station for electric cars on fuel cells system, was established. The proposed approach of energy capacity calculation for high-pressure hydrogen storage tanks may be used for similar systems implemented in any locations provided that wind speed data onsite is provided.
Анотащя. Для запропоновано! схеми автономно! заправно! станцп електромобшв на паливних еле-ментах в якш первинним генератором електрично! енергп виступае впроелектрична установка розглянуто режими стиснення водню для його подальшого зберпання. На основi реальних експериментальних даних швидкосп виру для задано! мюцевосп проаналiзовано режим виробгтку електрично! енергп вироустанов-кою з подальшим виробництвом водню для заправки електромобшв на паливних елементах. Запропоно-вано математичний вираз визначення емносп баку накопичувача високого тиску з метою сезонного зберпання водню з подальшим його використанням в перюди ввдсутносп базового енергоноая. Встанов-лено коефiцiент запасу енергп, який необхiдно враховувати для забезпечення ефективно! роботи системи воднево! автономно! заправно! станцi!' електромобiлiв на паливних елементах. Запропонований пiдхiд до визначення енергоемносп башв для зберiгання водню тд високим тиском може застосовуватись для ана-логiчних систем реалiзованих в будь-яких мiсцевостях за умови наявносп реальних даних швидкостi виру.
Keywords: wind power installation, autonomous charging station, electrical vehicle on fuel cells.
Ключовi слова: втроелектрична установка, автономна заправна станцiя, електромобшь на паливних елементах.
Постановка проблеми: проводиться вив-чення технгчних показникiв системи воднево! автономно! заправно! станцп електромобшв на паливних елементах де в якостг первинного генератора електрично! енергп виступае вггроелектрична установка змгнного струму задля встановлення енергоемносп акумулятору водню високого тиску з метою ефективного функцгонування системи про-тягом року.
Аналiз останшх дослiджень та публiкацiй.
Дослгдження дано! проблеми проводилися вичизняним вченим Кудрею С.О. (1990), та зарубгжними вченими: F.J. Pino Lucena та гн. (2008), A.K. Kaviani та гн. (2009).
Невирiшенi ршише частини загальмоТ проблеми: загальна науково-практична проблема полягае в пошуку варiантiв розширення можливостей використання енергоптенцiалу вiтру без негативного впливу на роботу об'еднано! енергосистеми (OEC) Укра!ни.
Цiлi статтi: 1. Проаналiзувати режим вробiтку електрично! енергп впроелектричною установку з використнням реальних данних швидкосп виру для задано! мюцевосп. 2. Встановити перiоди з перевищенням виробiтку електроенергi! над потребою для виробництва водню з метою встановлення енергоемносп баку високого тиску. 3. Встановити енергетичний запас для забезпечення
роботи системи воднево! АЗС ЕМПА в крайових умовах.
Матерiали i методи. Об'ект до^дження: процеси перетворення енергп вiтру при виробництвi водню методом електролiзу в системi автономно! заправно! станци електромобiлiв. Предмет до^дження: система воднево! автономно! заправно! станци електромобшв на паливних елементах з використанням вiтоелектричних установок як первинних генераторiв електрично! енергi!. Для виршення поставлених завдань були використанi статистичш методи оцiнки та анал1зу даних з використанням програмних пакертiв Mathlab2015 та Microsoft Excel 2013.
Виклад основного матерiалу. Згiдно анал1зу модельного ряду комерцшних легкових електрич-них транспортних засобiв на паливних елементах потреба у водш на один комерцшний легковий
120м (1атм)-
стиснення
електролтзрг
ЕМПА може становити до 120 м3 (наприклад, коли електромобт Honda Clarity з повшстю розрядже-ними бортовими емностями для водню доставлений на АЗС за допомогою аваршного канату чи привезений евакуатором). В такому разi при вироб-ництвi водню протонообмшним електрол1зером (PEM) з витратою 5,178 кВтгод/м3(Н2) [1] потреба в електроенергп становитиме 621,36 кВтгод.
Якщо прийняти схему реалiзацi! воднево! АЗС ЕМПА з використанням ВЕУ зпдно (рис. 1) [2], то стиснення водню реалiзуeться по двох ступенях з ввдповщним зберiганням в першiй (при 30 атм) та другш (при 700 атм) емностях i, вщповщно до закону Бойля-Марiота:
Pi • Vi = P2 ■ V2 = P3 ■ V3, (1)
з розрахунку добово! потреби на 1 легковий ЕМПА, яка прийнята на рiвнi 120 м3 (Н2), об'еми акумулюючих емностей становитимуть:
■> = 4,025м3 (30атм)
ст иснення компресорм
■> = 0,171м3 (700атм)
(2)
в
Однак, для вибору необхвдних об'eмiв з урахуванням дiаграми виробiтку енергi! первин-ними двигунами (ВЕУ) необхвдна оцiнка надход-ження енергоресурсу з видiленням зон максимального виробггку i ввдповвдно вiдсутностi енергоносiя (вiтру).
Приймемо максимальну добову потребу для заправки одного ЕМПА на рiвнi = 120 м3 та
витрату електроенергп на виробництво одного метра кубiчного Ея = 5,178 кВтгод. Тодi добова потреба в електроенергi! при прийнятш витратi водню становитиме Е= 621,36 кВт год i, вiдповiдно, рiчна потреба в електроенергп складе Е1р1 = 227,4 МВтгод.
Рис. 1. Схема автономног зарядног станцИ електромобшгв на паливних елементах з використанням втроелектричног установки
Розглянемо варiант забезпечення електрое-нерпею воднево! АЗС ЕМПА за рахунок вироелек-
тгбуф , „
трично! установки при умовi що = const. В
такому разг
Евеу = Ев + const (3)
Проаналiзуемо в програмному середовищi Microsoft Excel 2013 забезпечення електроенерпею воднево! АЗС ЕМПА вщ ВЕУ з врахуванням розподiлу швидкостей вiтру для м. Мелгтополь За-порiзько! обласп, Укра!на, використавши при цьому реальш експериментальнi данi вимiрювання швидкостi виру (V) для задано! мiсцевостi.
Розрахунок виробiтку електрично! енергi! ввд ВЕУ проводили за наступним алгоритмом.
Для конкретних ВЕУ рiзно! одинично! вста-новлено! потужностi проводили розрахунок коефщенпв використання енергi! вiтру на основi криво! потужностi. При цьому перерахунок проводили згiдно наступного рiвняння:
P
1= — , (4)
Р
1 ПП
де £ - коефщент використання енергi! виру (коефiцiент потужностi);
РВЕУ - потужшсть вiтроелектрично! установки, Вт;
РПП - потужнiсть повiтряного потоку, Вт.
pV3
Р = F •-
1ПП 1
де F - площа, яку окреслюе вироколесо, м2,
^ = ж-а2/л ;
р - густина вiтрового потоку, кг/м3 (р = 1,225 кг/м3 при температурi 15 оС i атмосферному тиску 0,0981 МПа (760 мм рт.ст.));
V - швидшсть повiтряного потоку, м/сек.
Використовуючи основш технiчнi характеристики (кривi потужностi В=/(У)) комерцiйних ВЕУ в дiапазонi потужностей вiд 50 кВт до 500 кВт, от-римали усереднену залежнiсть коефiцiенту викори-стання енергi! вiтру вiд швидкосп виру (рис. 2), яка показала, що максимальнi значения використання ефективносп повiтряного потоку досягаються в дiапазонi швидкостей вiтру 8-10 м/с.
Рис. 2. Залежнгсть коефщгенту використання енергИ вгд швидкостI для ргзних типгв вгтроелектричних установок:
1 - ВЕУ 50 кВт polarisamerica, США; 2 - ВЕУ 100 кВт ^гуе^о nED 100-22,1спатя; 3 - ВЕУ 100 кВт Шп>епО nED 100-24,1спамя; 4 - ВЕУ 150 кВт AN Вопш 150/30, Нгмеччина; 5 - ВЕУ 200 кВт Vestas ¥25, Датя; 6 - ВЕУ 250 кВт C&F Green Епе^у, 1тал1я; 7 - ВЕУ 350 кВт Suzlon S.33-350,1ндя; 8 - ВЕУ 400 кВт Turbowinds Т400-34, Бельггя; 9 - ВЕУ 500 кВт Епегсоп Е-40/5.40, Нмеччина; 10 - усереднена залежнгсть для ВЕУ в д1апазон1 вгд 50 кВт до 500 кВт.
Розрахунок виробгтку електрично! енергп проводили зпдно рiвияния:
Е = Рпп-г-ы (6)
де Е - рiчне вироблення електроенерги при за-данш швидкосп виру, кВтгод;
т = 8760 - шльшсть годин у роцц w - повторювашсть швидкосп виру, %.
Результата розрахунку виробпку електроенерги 1 м2 впроколеса представлено на рис. 3, а !! сумарне значения за рж складае 997 кВт год. Ввдповщно, для забезпечення рiчно! потреби в електроенерги пльки на роботу протонообмшного електролiзеру в 227,4 МВтгод необхвдний дiаметр вiтроколеса у 17,4 м (стандартизована 18 м), що ввдповщае класу ВЕУ потужиiстю 80 кВт.
Рис. 3. Дгаграма виробтку електроенергп 1 м2 площг вгтроколеса зг1дно експериментальних даних швидкостей втру для м. Мелтополь Запоргзько'г' областг, Укра'та за перюд 01.11.2015-31.12.2016
Для порiвняння, проведено розрахунок виро-бгтку електроенергп 1 м2 впроколеса по даним ме-теоспостережень NASA [3] в результата якого отри-мали виробггок за рш в 852 кВтгод. Результати ро-зрахунку виробику електроенергп представлено на рис. 4. Рiзниця мiж першим та другим результатами розрахуншв може пояснюватись методикою вимiрювань. Якщо першi данi отриманi безпосе-реднiм вимiрюванням швидкостi вiтру на метео-
посп анемометром, то данi NASA отримаш за до-помогою супутникового спостереження, i очевидно що останне спостереження мае певш неточностi, як1 в даному випадку складають бiля 8%. Слад та-кож вiдмiтити, що зпдно реальних даних вимiрювання швидкосп вiтру максимальний виро-бiток 1 м2 вiтроколеса спостерiгаеться при 9 м/с, в той час, як по супутниковим даним NASA максимальний виробггок 1 м2 впроколеса спостерiгаеться при 8^8,5 м/с.
Рис. 4. Д1аграма виробтку електроенергп 1 м2 площ1 втроколеса зг1дно даних швидкостей втру НАСА для м. Мелтополь Запоргзькоi областг, Укра'та за перюд 01.11.2015-31.12.2016
З використанням програмного середовища Mathlab 2015 проаналiзовано данi швидкостi вiтру на штервали 3i швидк1стю вiтру менше 4 м/с та встановлено, що згiдно експериментальних даних вимiрювання найдовшим такий iнтервал склав 146 вимiрiв з урахуванням кроку в 10 хв що вiдповiдаe 24,33 год (близько 1 доби). Аналiз даних NASA показав найдовшим такий штервал у 64 ви\при з
ы И
урахуванням кроку в 1 год це ввдповщае 64 год (бшя 2,67 доби).
Аналiз характеру виробiтку по мiсяцях показав (рис. 5) найб№ше значення в жовтш мiсяцi 2016 року та найменше значення у травнi мюящ 2016 року. Даний розподiл по виробггку необх1дно враховувати при виборi емностей для зберiгання во дню.
"в 25000 2 20000
* н
В
и g
lO □
о,
И 5000
15000
10000
0
+1
1 г-—4 -ш-2 J
О Л ч6 ч6 Jo Jo Jo Jo Jo Jo Jo Л
\Ч СЧЧ С\Ч _ОЛ Л4
Ж Ж ^ ^ ^ J? j?
Micsixi року
Рис. 5. Виробток електроенергИ 1 м2 площi вiтроколеса по мiсяцям на ocHoei даних швидкостей eimpy
для м. Мелiтополь Запор1зько'1' областi, Укра'ша:
1 - виробiток енергИ за рж по мiсяцях згiдно реальних вимiрiв в м. Мелтополь Запор1зько'1' областi, Укра'ша; 2 - потреба в енергИ для виробництва водню по мiсяцях; 3 - виробток енергИ за рж по мiсяцях згiдно супутникових даних NASA для м. Мелiтополь .Запор1зько'1 областi, Укра'ша.
Оскшьки об'ем балону високого тиску зале-жить вщ балансу коливань енергш виробигсу та споживання, тобто V700 = f (АЕ), або V700 = f (Евеу -Ее-р), проаналiзували баланс виробгтку та споживання водню для задано! добово! потреби в 120 м3 (рис. 6) та встановили, що з жовтня по кштень вадбуваеться накопичення водню до 6088 м3 (або ~ 2000
8,7 м3 при тиску 700 атм) з подальшим його спрацюванням за перiод з травня по вересень. Вибiр емносп високого тиску встановленого об'ему доз-воляе реалiзовувати ефективну роботу воднево! АЗС ЕМПА в межах року. Аналопчну картину по динамiцi балансу виробгтку та споживання водню можна отримати при використанш даних НАСА.
1 818,9
1 365,9
1 096,2,
=t ъ £ т с
Г
а
о
\ 7"'7 641,2 / \ 508,6^^*—--^ 1
11 12 1 2 3 4 \ ! . 1 ' 8 1 -559,8 ) 1 10
15,1
-1!
UUU
М1СЯЦ1 року
Рис. 6. Позабалансовий виpобiток та споживання водню для заданоi потреби по реальним даним швид-mcmi втру для м. Мелiтополь Запор1зьmi областi, Украта
Зважаючи на ввдм1чене вище, об'ем балону високого тиску для зберпання водню, що входить в склад АСЗ ЕМПА для перюду року, коли ввдбува-тиметься накопичення при виконанш умови
Е > Езапр евеу > ЕН 2 ,
визначатиметься за наступним ал-
горитмом:
E _ Езапр
т /-max ВЕУ Н2 !
vh, -----к~
~р^запр Н 2
Е
вироб '1м3(Я 2)
(5.19)
заправку ЕМПА, кВт год, Е^О6 -,- енерпя, що
витрачаеться на виробництво 1 м3 Н2,
кВтгод/м3(Н2), к - коефщент стиснення водню.
Для визначення енегобалансу системи воднево! АЗС ЕМПА з використанням ВЕУ як первин-ного джерела електроенерги слвд приймати:
1) власш потреби в електричнш енергп АЗС ЕМПА (освгглення та in) ЕАЗСЕМ на р1вш 3 кВтгод на день;
2) фактор витрати енергй' на стиснення водню
гв
"С
кВ = 1 за умови коли отримуваний водень вихо-дить з електрол1зера пвд тиском 700 атм, i ввдповвдно кВ = 1,15 за умови коли отримуваний водень виходить з електролiзера пвд тиском 1 атм
[4];
3) фактор випкання водню з емностей для зберпання в залежносп ввд тривалосп зберiгання та системи трубопроводiв водню змшюеться в
дiапазонi кВ = 1^1,05. При цьому кВ = 1 за умови
1,15 -1,2
коли отримуваний водень зберпаеться малий перюд часу (днi), i ввдповвдно кВ = 1,05 за умови коли накопичений водень зберiгаеться 1 рш.
4) фактор використання водню паливними еле-ментами в наслвдок повного розряду або перюдич-
ного недозаряду буферного акумулятору кПЕ. Величина даного показника обумовлюеться перiодами тривало! вiдсутностi ввдновлюваного енергоносiя (енергй' вiтру чи сонячного ви-промiнювання), або його слабкою штенсившстю. Враховуючи незначну складову витрат енергй' на
роботу побутових прилащв АЗС ( ЕАЗСЕМПА ) у порiвняннi з витратами на виробництво та стиснення водню, фактор використання водню паливними елементами знаходитиметься в дiапазонi ввд 1 до 1,008.
Розглянемо рiвняння 5.1. за умови, що в якосп ВДЕ виступае ВЕУ. Тодi:
kB - к,
E - КВ -Е +
еВЕУ — К ^
З Е _ р
C ДЕ Лаб
Еаб (5.20)
Розглянемо крайовий випадок при потребi до-бового вироблення 120 м3 Н2, при умов^ що стис-змiнюеться в дiапaзонi кс = RU5. При цьому нення водню ввдбуваеться в межах вiд 1 до 700 атм
( кВ = 1,15), фактор випкання водню кВ = 1,05, додаткова енерпя АБ к ^ = 1,2, коефiцiент корис-
но! дп АБ Лаб = 0,8, фактор використання водню паливними елементами в наслвдок повного розряду або перюдичного недозаряду буферного акумулятору кВЕ =1,008. Тод^ необхвдний виробiток енергй ВЕУ становитиме:
—1,008 -1,05 - 621,36 + ■-- (3 + 67) — 657,65 +120,75 — 778,39(кВт - год).
0,8
(5.20)
Якщо позначити К^ —
Еп
Е
то для роботи
Е _ р
системи воднево! АЗС ЕМПА необхвдний запас енергй' в заданих умовах складае КААЗС = 1,25.
Висновки з даного дослiдження та перспек-тиви.
1. Проaнaлiзовaно режим виробггку електрично! енергiï вiтроустaновкою з подальшим вироб-ництвом водню для заправки електромобшв на паливних елементах, в результат чого встановлено, що ефективне функцюнування системи воднево! автономно! заправно! станцп' можливе при правильному виборi емностей високого тиску, яш в перiоди бшьшого виробництва водню накопичуватимуть його (з жовтня по квiтень) з подальшим спрацюван-ням в перiоди недостатньо! iнтенсивностi ввднов-люваного енергоносiя (з травня по вересень).
2. Встановлено коефщент запасу енергй', який необхвдно враховувати для забезпечення ефектив-но! роботи системи воднево! автономно! заправно!
станцп електромобшв на паливних елементах. За-пропонований пвдхвд до визначення енергоемносп башв для зберiгання водню пвд високим тиском може застосовуватись для аналопчних систем ре-алiзованих в будь-яких мiсцевостях за умови наяв-ностi реальних даних швидкосп виру.
Список лггератури:
1. Водород в энергетике : учеб. пособие / Р. В. Радченко, А. С. Мокрушин, В. В. Тюльпа. - Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2014. - 229 с.
2. Будько В.1., Кудря С.О., Будько М.О., Використання вироелектричних установок для виробництва водню в склащ автономних заправних станцш електромобшв на паливних елементах \ Ввдновлювана енергетика, - Ки!в, 2019, №2.
3. Renewables.ninja / Електронний ресурс. - Режим доступу: https://www. renewables.ninj a/
4. Hydrogen for transport and the B&E report / Електронний ресурс. - Режим доступу: https://planetforlife.com/h2/h2swiss.html
