CC BY
16тивные топлива
tiiibi
Электроводородный комплекс на базе ветряного двигателя
Е.М. Кошеляев,
профессор МГТУ (МАМИ), д.т.н.,
Е.М. Овсянников,
профессор МГТУ (МАМИ), д.т.н.,
П.Н. Клюкин, доцент МГТУ (МАМИ), генеральный директор
НОУ «Академия Автомобильных Технологий», к.т.н.
Использование ветряного двигателя для разложения воды в генераторе с постоянными магнитами позволяет значительно удешевить получение водорода в автономных условиях. Для автономного производства водорода предложена высокоэффективная электроводородная установка с магнитным ускорителем ионов и ветряным двигателем.
Ключевые слова: ветряной двигатель, электроводородный генератор с магнитным ускорителем ионов, электроводородная энергия.
Electrohydrogen complex on the basis of the wind engine
E.M. Koshelyaev, E.M. OvsYannikov, P.N. Klyukin
Use the engine on a wind for decomposition of water in the electrohydrogen generator with a magnet allow essentially cheaper process of reception of hydrogen in independent conditions. For independent production of hydrogen highly effective electrohydrogen generator with the magnetic accelerator of ions and the wind engine is offered.
Keywords: the engine on a wind, electrohydrogen generator with the magnetic accelerator of ions (EHGM), electric power hydrogen.
Развитие человеческого общества убедительно показало, что качество жизни определяется уровнем потребления энергии, четверть которой расходуется на производство электроэнергии. Существует тенденция роста потребляемой энергии с увеличением энерговооруженности и населения планеты. Истощение традицион-
ных ресурсов для производства электроэнергии и мировой кризис в последние годы усилили внимание к возобновляемым источникам энергии. При этом учитывается проблема экологической чистоты производства электроэнергии.
Использование ветряной энергии для электроснабжения достигло значительных масштабов в
Китае, США, Германии и Испании. Мощность ветряных установок в мире достигла в конце 2010 г. почти 20 ГВт, в течение этого года прирост составил около 1,6 ГВт [1]. В Испании доля электроэнергии, получаемой при использовании ветра, достигла 16 %, покрывая 53 % спроса в ветреные дни.
В отмеченных странах главным стимулом использования автономных источников энергии является отсутствие достаточных ресурсов для производства электроэнергии. При огромных масштабах нашей страны подобные источники энергии могли бы решить проблемы энергоснабжения удаленных потребителей.
Одним из серьезных недостатков электроэнергии является невозможность ее хранения в больших количествах (таблица).
Из этих данных следует, что при выработке и распределении электричества только 28 % содержащейся в природных ресурсах энергии поступает потребителю, а при использовании газа - 93 %.
Предлагается хранить получаемую от автономных источников электроэнергию в гидроаккумуляторах или в виде вырабатываемого из воды электролизом водорода [2]. Использование водорода как энергоносителя позволяет решить энергетические проблемы в тесной связи с экологическими. Кислород, получаемый при разложении воды, может использоваться не только как окислитель в энергетике, но и для удаления отходов жизнедеятельности. Особенностью водорода по
КПД энергоснабжения бытового потребителя при сопоставлении электроэнергии и газа
Источник энергии КПД
термический производства энергии термический транспортирования и распределения энергии энергоснабжения потребителя
Электроэнергия 0,325 0,86 0,28
Газ 0,97 0,96 0,93
«Транспорт на альтернативном топливе» № 4 (28) август 2012 г.
t jBkДШИ .....ттигятп,.,
<Ш
"'"Ьи,*»**
Альтернативные
сравнению с традиционным ископаемым топливом является то, что при огромных запасах на Земле водород существует практически только в связанном виде, и его получение требует затрат энергии. Это накладывает ограничения на возможности применения водорода в энергетике.
Для нашей страны особенно актуально снабжение удаленных потребителей электроэнергией и топливом. Весьма привлекательно для решения этой проблемы выглядит использование водорода для обогрева, длительного хранения, использования в виде топлива для автомобилей, работающих на водороде. Эта идея привлекает исследователей уже в течение многих лет. Однако до сих пор многие вопросы остаются нерешенными, наиболее важные из которых - создание инфраструктуры для заправки автомобилей и производство самого водорода.
Затраты энергии для производства водорода сопоставимы с энергией, получаемой от произведенного водорода. Проблема становится решаемой, если для производства водорода использовать возобновляемую ветряную энергию. Наряду с исследованиями компаний Honda, General Motors, Toyota, Ford, BMW, Daimler, Hyundai, Nissan, Volkswagen по созданию водородных автомобилей, многие из них ведут разработки заправочных комплексов, в том числе и с использованием альтернативной энергии: солнечной, энергии ветра (рис. 1). Такие исследования ведутся и в России.
Производство водорода электролизом воды на основе современных технологий оценивается по затратам от 10 до 20 долл./ГДж. Аналогичные цифры дают оценки, полученные для термохимического
производства водорода из воды с использованием энергии высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов (ВТГР). В ближайшей перспективе водород, получаемый из воды в процессе паровой конверсии метана с помощью энергии ВТГР, может производиться в стране при затратах ниже 7 долл./ГДж, что эквивалентно стоимости бензина 0,24 долл./л. В настоящее время наиболее рентабельный способ производства водорода - паровая конверсия.
Самая низкая стоимость получения водорода из природного газа - 6...12 долл./ГДж [3], самая высокая при электролизе воды -40 долл./ГДж. При этом стоимость природного газа сегодня составляет 2,9 долл./ГДж, бензина -5,25 долл./ГДж. В среднем затраты электроэнергии при электролизе воды 5.10 кВт-ч/м3Н2.
Помимо затрат энергии на получение водорода, необходимо учитывать расходы на его хранение и транспортировку. Если производство водорода из общих расходов составляет 29,2 %, то сжижение водорода - 48 %, хранение жидкого водорода - 10 %, а доставка водорода трубопроводом на 1800 км
- 6 % [2, 4]. Стоимость жидкого водорода в 1,5.2,5 раза выше стоимости газообразного.
Преимущества хранения и транспортировки к потребителю, а также экологическая чистота работающих энергоустановок и двигателей подталкивают конструкторов к более широкому применению водорода. Проблемой является высокая стоимость его получения. Перспективно использовать для этой цели энергию возобновляемых источников.
Известен многолетний опыт Германии - в 1990 г. там было принято решение о проведении исследований перспективной солнечной водородной энергоустановки в г. Нойнбург. Электроэнергия в количестве 39 МВт-ч/год вырабатывается с помощью солнечных батарей, а затем используется для производства водорода из воды с помощью электролизеров [3].
Водород хранится в жидком и газообразном виде и используется для питания автомобилей различного типа. Испытаны различные типы электролизеров и систем хранения водорода, а также автомобили на жидком и газообразном водороде. Проведенные в
4WÍ
»ЮПФйяЯЭ!
«Транспорт на альтернативном топливе» № 4 (28) август 2012 г.
тивные топлива
Германии исследования различных электроводородных установок, средств хранения и использования водорода в течение 13 лет вызвали большой интерес. За это время исследовательский центр в Нойн-бурге посетило 130 тыс. человек из 100 стран. Накоплен большой опыт эксплуатации и модернизации установок различного назначения - от систем фотоэлектрического получения электроэнергии до автомобилей, потребляющих полученный водород.
С 1997 г. в Университете прикладных наук в Германии успешно проходила испытания весьма перспективная энергоустановка, состоящая из ветряной установки мощностью 5 кВт, электрогенератора, щелочного электролизера и баллонов для хранения получаемого водорода [5], который сжимается до 2,5 МПа и хранится в баллонах объемом 2,0 м3, заполняющихся за 50 ч (эффективность электролизера 5 кВт-ч/м3Н2). Достоинством такой установки является возможность хранения получаемого водорода с малыми потерями энергии.
У специалистов фирм Германии имеется большой опыт использования ветряных установок для производства электроэнергии. Известен даже факт, что в ветреную погоду ветряные станции приходится останавливать из-за перепроизводства электроэнергии. Предлагается хранить вырабатываемую ветряными станциями энергию с помощью водорода, который получается из воды после ее электролиза [6, 7].
В работе [8] для получения водорода из воды предложен электроводородный генератор с магнитным ускорителем ионов во вращающемся электролите ЭВГМ. Для разложения воды вместо электростатического поля в электролизерах предлагается использовать
центробежное и магнитное поля. Таким образом, вместо дорогой электроэнергии используется более дешевая кинетическая энергия вращающегося электролита и магнитное поле, в которое помещен вращающийся электролит.
Корпус вместе с электролитом вращается с частотой 3000...9000 мин-1. Магнитная индукция величиной около 1 Тл наводится в электролите постоянным магнитом или электромагнитом (рис. 2). Вращение корпуса ЭВГМ обеспечивается электромотором. Эффективность работы ЭВГМ оценивается
Пэвгм=°,5.
Весьма перспективно для вращения ЭВГМ использовать ветряную установку. Сегодня более 70 % территории России и почти 30 % населения страны не имеют централизованного энергоснабжения, и ветряные установки частично могли бы решить эту проблему.
Достоинством ветряных установок является возможность их работы в самое суровое время года - зимой в отдаленных районах, то есть там, куда трудно доставить так необходимое в это время топливо и электроэнергию. В России, например, компания ЗАО «ВЭК» более 20 лет проектирует и изготавливает ветряные установки WEC-940M5 мощностью 5 кВт для выработки электроэнергии с помощью электрогенераторов [9].
Оптимальными являются конструкции ветряных установок с вертикальной осью вращения. Ротор расположен в направляющем каркасе, который позволяет получить следующие преимущества:
• снижение скорости старта ротора;
• расширение диапазона рабочих скоростей ветроэлектрического генератора;
Рис. 2. Электроводородный генератор с магнитом ЭВГМ: 1 - ротор; 2 - соленоид; 3 - шланг для отвода газа; 4 - рама; 5 - питание электродвигателя; 6 - питание электромагнита
• защиту ротора от шквальных порывов и штормовых скоростей ветра;
• защиту людей и окружающих построек от разлета осколков в случае разрушения ротора;
• устранение эффекта «мерцающей тени», негативно сказывающегося на психике человека;
• снижение шумового фона;
• защиту от случайного контакта птиц с быстро вращающимися деталями ротора;
• повышение надежности ротора, закрепленного на двух разнесенных по высоте опорах.
Однако ветряная установка поставляет электроэнергию не тогда, когда это нужно, а в зависимости от изменения силы ветра. Трудности хранения электроэнергии известны и пока преодолеваются с помощью аккумуляторных батарей (АБ). Излишнюю электроэнергию хранят в АБ, откуда позднее ее можно забрать с потерями не менее 30 %.
Общая эффективность получения электроэнергии с помощью ветряной установки Пе=Пг Пб Пк=°,51 складывается из эффективности
«Транспорт на альтернативном топливе» № 4 (28) август 2012 г.
.....ттигятп,.,
fâè
Альтернативные т
Более стабильным поставщи-
Технические характеристики ветряной установки
ком кинетической энергии для
Номинальная мощность модуля, кВт............................................................................................5
, „ „ ЭBГM могут служить гидротур-
Максимальная мощность (в зависимости от силы ветра), кВт................................................... 9
бины различной мощности, раз-
Габаритные размеры (без учета мачты), м
мещаемые на реках и даже на
диаметр...........................................................................................................5,5
приливных гидростанциях. ЭВШ
высота...............................................................................................................1
периодического действия могут
Высота мачты, м.................................................................................................До 15 '
быть поставлены на паровые и
Масса модуля, кг....................................................................................................180
газовые турбины на электростан-
Скорость страгивания, м/с..........................................................................................1,0 '
циях, покрывающих пиковые на-
Скорость ветра, м/с
рабочая 3 18 грузки в энергосистеме страны,
и в достаточно частые моменты
безопасная.................................................................До 35 (с порывами до 50)
n п ППА прекращения подачи газа в турби-
Выходное напряжение, В...........................................................................................220 r г
Частота Гц 50 ну вырабатывать водород за счет
большого момента инерции этих
Форма сигнала................................................................................Синусоидальная ^
-1 массивных агрегатов.
Рабочая частота вращения ротора, мин-1............................................................. 250.350 ^
Общая эффективность л .......................................................................................0,51 Использование ветряной энер-
Установочная стоимость, долл./Вт...................................................................................2 гии для разложения воды в электроводородном генераторе с пос-
генератора пг=0,8, системы хране- высокоэффективное производс- тоянными магнитами позволяет
ния энергии в АБ П6=0,7 и преоб- тво водорода вблизи потребителя. существенно удешевить процесс
разования постоянного тока от АБ Водород можно использовать для получения водорода в автоном-
в переменный с помощью конвер- длительного хранения, обогрева ных условиях. Авторы занимаются
тора Пк=0,9. Общая эффективность помещений, заправки автомобилей исследованиями и разработкой ре-
получения водорода в электроли- и получения электроэнергии при со- альных образцов электроводород-
зере с КПД около пэ=0,4 снижается хранении экологической чистоты. ных генераторов. до пн=Пэ n =0,4-0,51=0,2.
Замена генератора и электро- Литература лизера на ЭВШ позволит увеличить эффективность получения во- 1. Wind hjwer-Wikipedia, the free encyclodopedia, may 25, 2012. дорода до nH =Пэв™ Пр = 0,5-0,9=0,45 2. Дорош И.А. Самые мощные проекты возобновляемой энергетики. (Пр=0,9 - КПД повышающего редук- Аналитический обзор АК 1-2012, итоги-2011. Изд. Института транспортных тора) и даст возможность получе- систем и технологий НАН Украины «Трансмаг», 2012.
ния в случае необходимости требу- 3. Справочник. Водород, свойства, получение, хранение, транспорти-
емого количества электроэнергии рование, применение. Под ред. Гамбурга Д.Ю., Дубовкина Н.Ф. - M.: Химия,
с помощью топливного элемен- 1989. - 672 с.
та. Однако топливные элементы 4. The Solar Hydrogen Project of Neunburg vorm Wald, German, http://www.
пока обладают рядом серьезных solar-hydrogen.com.1996-2011.
недостатков - прежде всего, име- 5. Jochen Lehmann, Thomas Luschtinetz and Frank Menz. The wind
ют высокую стоимость (около - hydrogen-fuel cell chain, The hydrogen Planet, June 9-13,2002, 14th World
3500 долл./кВт) и короткий срок Hydrogen Energy Conference, Canada.
службы (около 5 лет). 6. http://www.Germany Invests in Hydrogen Technology for Renewable
В отдаленных районах одни вет- Storage, Vehicles , 2012.
ряные установки с генератором 7. http://www.The Demonstration project RH2-Werder/Kessin/Altentreptow
можно использовать для снабже- (RH2-WKA), 2012.
ния электроэнергией, другие - до- 8. Овсянников Е.М., Долбилин Е.В., Кошеляев Е.М. Электрооборудо-
работать для вращения ЭВШ и вы- вание автотранспортных средств с тяговыми электроприводами. - M.: Па-
работки водорода. Достоинством леотип, 2010. - 363 с.
автономных энергоустановок ЭВШ 9. ЗАО «ВЭК» Mодульная ветряная установка мощностью 5 кВт WEC-
с ветряными установками является 40M5, 2010.
»ЮПФйявби
«Транспорт на альтернативном топливе» № 4 (28) август 2012 г.
