CC BY
8
'с:
АВТОНОМНЫЙ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА В КАЧЕСТВЕ ВТОРИЧНОГО I
ЭНЕРГОНОСИТЕЛЯ I
е
М. Муминов*, А. Бастеев, В. Соловей
Национальный аэрокосмический университет «Харьковский авиационный институт» ул. Чкалова, 17, Харьков, 61070, Украина E-mail: [email protected]
* Институт ядерной физики Академии наук Республики Узбекистан р. п. Улугбек, Ташкент, 702132, Узбекистан E-mail: [email protected]
Сведения об авторе: родился 13 августа 1952 г. в Харькове (Украина); доктор физ.-мат. наук, профессор кафедры «Аэрокосмическая теплофизика» Национального аэрокосмического университета «Харьковский авиационный институт». В 1975-1996 гг. — ведущий научный сотрудник Института проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины; в настоящее время — ведущий научный сотрудник ИПмаш НАН Украины.
Область научных интересов: преобразование видов энергии и энерготехнологические процессы в водородосодержащих энергоносителях; участник международных конференций по энергетике, водородной энергетике и технологии.
Публикации: монография «Активация водорода и водородосодержащих энергоаккумулирующих веществ» (Киев, «Наукова думка», 1993).
Бастеев Андрей Владимирович
The energy-technological complex (ETC) destination is the transforming of primary sun/wind energy into electric one as well the sub-products fabrication. The ETC consists of the following constituent elements that are to be characterized by the harmonized parameters: wind power station, photo-voltaic transformer, distiller, fuel cell (produced by "Astris Energy Inc.", Canada), hydrogen and oxygen generator like the electrolyzer and compressed gases storing and supply system (SSS). The hydrogen and oxygen are generated in the electrolyzer and stored in the SSS and then used in fuel cell for convention electric energy generation. The desalination of seawater and sea salt yielding is the ETC output as well. The base ETC configuration with power 2 x 3 = 6 kW are considered. The operational peculiarities of ETC constituent element are considered as well. The alternative possibility of hydrogen accumulation by the carbone nanostructures (produced by CARBOLEX, and ALPHA AESAR) was considered.
The creation and operational demonstration of the autonomous ETC are supported by STCU (project #UZB-23j) and with collaboration with Nano-Technology Institute at Texas University and HONEYWELL.
Цель работы — исследование, создание и демонстрационные испытания энерготехнологического комплекса (ЭТК) и его составных элементов для преобразования возобновляемых видов энергии (солнечной и/или ветровой) в элек-
трическую с получением следующих сопутствующих товаров:
■ экологически чистого вторичного энергоносителя — водорода;
■ деминерализованной воды;
■ компримированного кислорода;
■ соли, содержащейся в воде до минерализации (для косметической промышленности).
В связи с истощением традиционных нево-зобновляемых источников энергии (уголь, нефть, природный газ и т. д.) во всем мире активно проводятся работы по использованию возобновленных источников энергии [1].
Впервые описанная ниже конфигурация ЭТК была представлена в [2, 3]. Однако попытки объединения солнечных преобразователей энергии, ветрогенератора, электролизера, топливного элемента и дистиллятора в единый комплекс до настоящего времени не предпринимались. Настоящая работа направлена на решение следующих вопросов:
■ разработка и оптимизация ЭТК;
■ разработка и компоновка составных элементов ЭТК;
■ создание специализированной системы управления и соответствующего программного обеспечения для адаптации и оптимального функционирования ЭТК в различных геоклиматических условиях.
Таким образом, новизна предлагаемого варианта ЭТК состоит в оригинальной комбинации составных элементов, обеспечивающих эффективную эксплуатацию изделия.
ЭТК состоит из следующих элементов, взаимосвязанных своими функциональными параметрами: ветрогенератор (ВЭУ), фотопреобразователь, деминерализатор воды, электролизер для получения водорода и кислорода, системы хранения сжатых газов и топливного элемента (рис. 1). Проблема нерегулярного поступления энергии решена следующим способом: полученная от ВЭУ или солнечного преобразователя
электрическая энергия поступает в электролизер, конструкция которого обеспечивает потребление некондиционной электроэнергии, позволяет избежать потребления электроэнергии от сети и открывает широкие перспективы для создания автономных энергокомплексов малой и средней мощности для индивидуальных потребителей.
Многие фирмы создают оборудование с широким спектром параметров, которые могут быть использованы в предложенной схеме ЭТК в качестве составных элементов, соединенных посредством трубопроводов и снабженных соответствующими датчиками материальных и энергетических потоков, и объединенных общей системой управления (рис. 2).
Разработанный ЭТК может применяться в регионах с умеренной скоростью ветра (~3 м/с). Кинетическая энергия перемещающегося воздуха, включая энергию порывов ветра, может быть преобразована в электрическую энергию с максимальной эффективностью. Специальная механическая система для распределения потока воздуха, установленная на лопастях ветроко-леса, позволяет снять ограничения по максимальной скорости ветра. Другим приемником первичной энергии, который может использоваться в дневное время суток, являются фотопреобразователи мощностью 0,5 кВт.
Полученная некондиционная энергия потребляется электролизером для разложения воды на водород и кислород [4-7]. В проекте применен электролизер с активными электродами мощностью 3 кВт. Рабочее давление на уровне 15 МПа обеспечивает получение водорода и кислорода непосредственно в сжатом состоянии.
<==> Информационные потоки Рис. 1. Функциональная схема ЭТК для производства экологически чистых энергоносителей и субпродуктов
Экономический и эксергетический анализ процессов получения, хранения и применения водорода
Рис. 2. Схема опреснителя: 1 — насос; 2 — гидроаккумулятор; 3, 4 — теплообменники; 5 — электронагреватель; 6 — расширительное устройство; 7 — емкость для дистиллята; 8 — эжектор; 9 — лоток
Разделение во времени процессов газовыделения возможно в случае накопления одного из продуктов электролиза воды в электрохимически активном соединении, находящемся в электрохимической ячейке в жидкой или твердой фазе (активный электрод), что не приводит к сколь-нибудь значительному изменению объема этого соединения и позволяет получить второй компонент на пассивном электроде в виде газа без применения каких-либо разделительных мембран. Затем, при перемене полярности на электродах, происходит цикл выделения накопленного компонента. При этом давление газов может быть ограничено только прочностью конструктивных элементов и порогом растворимости газов в электролите. Реально достигнутый уровень давления составляет 70 МПа. Разрабатываемый вариант электролизера обеспечит получение 5 нм3 водорода в час при давлении 120 атм без использования компрессора с КПД на уровне 80 % [8].
Питание электролитической ячейки осуществляется стабилизированным током (исходя из величины 2,2 кА). При этом напряжение на электродах изменяется в пределах 2 В в зависимости от степени окисления (восстановления) активной массы электрода и определяется как внутренним сопротивлением электродов, так и внутренней ЭДС. Рабочая температура электролиз-
ной ячейки колеблется в пределах 353-373 К, и принудительного охлаждения не требуется. Контроль за рабочими параметрами электролизера и их изменением осуществляется специально разработанным электронным блоком управления.
Для хранения компримированных газов принята газобаллонная система. Однако, в качестве перспективных вариантов хранения водорода в связанном виде были рассмотрены углеродные наноструктуры, подвергнутые облучению с целью улучшения их сорбционных свойств. Нанотехно-логии водородного хранения особенно активно развиваются в области транспортной энергетики, поэтому разработанный ЭТК может рассматриваться в качестве автономного от источника водорода для обеспечения различных видов транспортных средств экологически чистым топливом. Для получения кондиционной, отвечающей всем стандартам электроэнергии произведенный водород используется в топливном элементе мощностью 0,3 кВт производства канадской фирмы «Astris Energy Inc.».
Во многих регионах из года в год все более обостряется проблема получения чистой питьевой воды. Рассматриваемый ЭТК включает в качестве составного элемента дистиллятор мощностью 3-5 кВт для воды с высоким содержанием солей, характерным для подземных источников. Разработан образец так называемого дистиллятора с мгновенным вскипанием, предназначенный как для использования в составе ЭТК, так и для эксплуатации в качестве самостоятельного агрегата при получении энергии из других источников. Процесс тепловой дистилляции и стерилизации осуществляется таким образом, чтобы полученная вода могла использоваться в качестве питьевой, и в сравнении с другими имеет определенные преимущества: он технологически прост, а качество получаемой воды соответствует медицинским требованиям. Важной особенностью дистилляционного модуля является его высокая надежность и полная автоматизация рабочего процесса. Процесс испарения осуществляется при более низком, чем входное, давлении. В результате энергия, необходимая для испарения воды, отбирается за счет снижения ее температуры. Циркуляция воды осуществляется с помощью насоса. Для нагрева воды используется электрический нагреватель, система регенерации теплоты и солнечный трансформатор энергии. Количество дистиллята составит 14 % от общего количества отработанной воды. Часть полученной дистиллированной
воды подается в электролизер. Выделенные минеральные составляющие могут быть использованы в фармакологической промышленности.
На начальной стадии работы установки (см. рис. 2) вода посредством насоса 1 поступает в гидроаккумулятор 2. При наполнении гидроак-¡5 кумулятора водой и достижении заданного дав* ления (1,0 МПа) система управления закрывает клапан и подает напряжение на нагреватель ■75 5. Энергия, необходимая для работы нагре-
и
| вателя, поступает от ВЭУ. После теплообменни-^ ков 3, 4 температура морской воды доводится 1 электронагревателем до 176 °С, после чего по-& ступает в расширительное устройство 6 при за-§ данном давлении. В результате расширения про-о исходит вскипание и разделение воды на две фазы — пар, поступающий в теплообменник-конденсатор 3, и воду с повышенным содержанием соли, которая направляется в рекуперативный теплообменник 4, эжектор 8 и выводится на лоток 9. Для испарения остатков воды из рассола лоток снабжен солнечным коллектором. После теплообменника-конденсатора 3 пар переходит в воду и накапливается в баке 7. Давление в расширительном устройстве, необходимое для обеспечения мгновенного вскипания, и накопительном устройстве существенно для начала и нормальной работы системы, оно поддерживается эжектором 8. На основании проведенных расчетов были выработаны следующие оптимальные параметры:
■ мощность электронагревателя 2,7 кВт;
■ мощность электродвигателя для прокачки воды (обеспечивается от солнечной батареи и/или топливного элемента) 0,2 кВт;
■ давление воды на входе в расширительное устройство 1,0 МПа, температура 176 °С;
■ массовый поток морской воды на входе 14 • 10-3 кг/с;
■ массовый поток опресненной воды 2 • 10-3 кг/с (часть направляется на электролизер).
Удельная энергия, затрачиваемая на получение 1 л опресненной воды, составляет 0,379 кВтч. Дистиллятор предназначен для опреснения морской воды, забираемой из открытого водоема или специальной емкости.
В результате выполнения проекта будет выполнен монтаж ЭТК как единого устройства, разработана техническая документация и выданы рекомендации для настройки системы управления, представляющей интерес для возможных потребителей. На основании исследования геоклиматических, социально-экономических и экологических условий регионов будут выработаны наиболее предпочтительные зоны использования предлагаемого комплекса. Предварительные оценки показывают, что суммарная эффективность использования первичной энергии в ЭТК
составляет 25-26 %. С учетом экологической составляющей срок окупаемости составит 5-6 лет. С целью дальнейшей коммерциализации результатов проекта характеристики ЭТК будут адаптированы для геоклиматических условий США, Мексики, Израиля, Средней Азии и стран Ближнего Востока. На основе анализа ветровой нагрузки, характерной для Харьковского региона, Крыма и Республики Узбекистан, будут разработаны типовые диаграммы, показывающие эффективность использования ЭТК, и исследован рынок потенциальных потребителей. Работы по созданию описанного комплекса проводятся на монтажной площадке Харьковского авиационного института. Радиационная модификация сор-бционных свойств углеродных наноструктур проводится в ИЯФ АН Республики Узбекистан.
Список литературы
1. Kakac S., Veziroglu T.N. Production of Hydrogen as a Means of Storing Energy // Proc. of 11th World Hydrogen Energy Conf. HYDRO-GEN-96. Stuttgart, Germany, 23-28 June 1996. Vol. 1. P. 35-45.
2. Solovey V. V., Basteev A. V., Prognimack A. M., Chashka Kh. B., Beletsky V. I. The Device for Transformation of the Sun, Wind or High-tide Energy to the Hydrogen // Proc. of HYPOTHESIS Int. Symp., Cassio, Italy, 22-24 June 1995. Chapter 2. P. 125-131.
3. Golubenko N. S., Tziganov V. A., Shny-akin V. N., Solovey V. Basteev A. V., Stoyanov F. A., Bershova I. V., Prognimack A. M., Baback N. Yu. Combined Power Plant with Metal-hydride Force-pumper // Proc. of 11th World Hydrogen Energy Conf. HYDROGEN-96. Stuttgart, Germany, 23-28 June 1996. Vol. 1. P. 391-395.
4. Baltazar V., Piron D. L., Grel T. Electro-lyzers for Hydrogen Production — an International Marketing Study // Int. J. Hydrogen Energy. 1998. Vol. 13, No. 2. P. 61-66.
5. Leroy R. L. Industrial Water Elecrtrolysis: Present and Future // Ibid. 1983. Vol. 8, No. 6. P. 401-417.
6. Kreuter W., Hofmann H. Electrolysis: the Important Energy Transformer in World of Sustainable Energy // Proc. of 11th World Hydrogen Energy Conf. HYDROGEN-96. Stuttgart, Germany, 23-28 June 1996. Vol. 1. P. 537-548.
7. Moreau C., Demange D. Development of an Industrial Advanced Water Electrolysis // Ibid. P. 549-556.
8. Соловей В. В., Жиров А. С. Обратимый топливный элемент для автономных энергоустановок с использованием возобновляемых источников энергии // Проблемы машиностроения. Харьков: Изд-во ИПМаш НАНУ, 2000. С. 567-572.
