CC BY
19ИННОВАЦИОННЫЕ РЕШЕНИЯ В АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ И ЭКОЛОГИИ
INNOVATIVE SOLUTIONS IN ALTERNATIVE ENERGY AND ECOLOGY
Статья поступила в редакцию 27.09.10. Ред. рег. № 883 The article has entered in publishing office 27.09.10. Ed. reg. No. 883
УДК 541.135
ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ МАЛОЭТАЖНЫХ ДОМОСТРОЕНИЙ НА ОСНОВЕ ЭФФЕКТИВНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА В ТЕХНОЛОГИИ ТОТЭ
А.С. Липилин1, С.И. Нефедкин2, В.Ф. Чухарев3, И.В. Киселев2'4,
С.И. Козлов4, А.Л. Юдин5
1Институт электрофизики УрО РАН 620016 Екатеринбург, ул. Амундсена, д. 106 E-mail: lipilin@iep.uran.ru 2Московский энергетический институт (технический университет) 111250 Москва, ул. Красноказарменная, д. 14 E-mail: snefedkin@mail.ru 3ФГУП «РФЯЦ-ВНИИТФ им. акад. Е.И. Забабахина» 456770 г. Снежинск Челябинской обл., ул. Васильева, д. 13 4ООО «Газпром ВНИИГАЗ» 142717 Московская обл., Ленинский р-н, п. Развилка 5Урало-Сибирская Энергосберегающая Компания 620072 Екатеринбург, ул. Студенческая, д. 51
Заключение совета рецензентов: 17.10.10 Заключение совета экспертов: 27.10.10 Принято к публикации: 31.10.10
В статье проведен анализ тенденций развития технологии топливных элементов и показано, что наиболее перспективными автономными источниками электро- и теплоэнергии для потребителей малой и средней мощности будут высокотемпературные энергоустановки на твердооксидных топливных элементах (ТОТЭ). Они могут работать на синтез-газе, не требуют использования платины, имеют высокие удельные характеристики, приспособлены для работы в когенерацион-ном режиме.
Приведенный расчет схемы электроснабжения жилого дома для средней полосы России на основе использования электрохимической энергоустановки (ЭЭУ) на ТОТЭ и использования магистрального газа показал, что такая схема теп-лоэлектроснабжения обеспечивает экономию при оплате энергоносителей по тарифам (около 25%), при этом делая потребителя независимым от централизованной сети электроснабжения.
Ключевые слова: распределенная энергетика, энергосбережение, экология, водородная энергетика, электрохимическая энергетика, топливные элементы, твердооксидные топливные элементы.
POWER SUPPLY OF LOW-RISE BUILDINGS THROUGH THE EFFECTIVE USE OF
NATURAL GAS BY SOFC TECHNOLOGY
A.S. Lipilin1, S.I. Nefedkin2, V.F. Chuharev3,I.V. Kiselev2'4, S.I. Kozlov4, A.L. Yudin5
1 Institute of Electrophysics UB RAS 106 Amundsena str., Yekaterinburg, 620016, Russia E-mail: lipilin@iep.uran.ru 2 Moscow Power Engineering Institute (Technical University) 14 Krasnokazarmennaya str., Moscow, 111250, Russia E-mail: snefedkin@mail.ru 3 FSUE VNIITF them. Acad. E.I. Zababakhin 13 Vasilieva str., Snezhinsk, Chelyabinsk reg., 456770, Russia 4 Gazprom VNIIGAZ LLS. Razvilka, Moscow reg., 142717, Russia 5 Ural-Siberian Energy Saving Company 51 Studencheskaya str., Yekaterinburg, 620072, Russia
Referred: 17.10.10 Expertise: 27.10.10 Accepted: 31.10.10
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 10 (90) 2010
© Scientific Technical Centre «TATA», 2010
The analysis of the development of the fuel cell technology is made in present work. It is shown that the most perspective self-regulating electro and heat supply for the low and middle power consumers are the high temperature energy devices based on solid oxide fuel cells (SOFC). They can use natural gas, they don't require the use of platinum, they have high specific characteristics and they are adapted for the operation in co-generation mode.
The calculation of the electric supply of the house for the middle region of Russia based on the usage of SOFC electrochemical energy device and natural gas showed that such scheme of electro-heat supply provides the savings (in case of energy rates) on the level of 25%. At that the consumer stays independent from the centralized power supplying system.
Keywords: allocated power, energy-saving, ecology, hydrogen power, electrochemical power, fuel cells, solid oxide fuel cells
Александр Сергеевич Липилин
Сведения об авторе: канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник лаборатории прикладной электродинамики Института электрофизики Уральского отделения РАН.
Образование: физический факультет СГПИ (1968 г.), аспирантура Уральского отделения РАН (1975 г.).
Область научных интересов: физическая химия, электрохимия, разработка высокотемпературных электрохимических устройств с твердым электролитом, твердооксидные топливные элементы, разработка ТОТЭ для различного применения с использованием наноматериалов и нанотехнологий.
Публикации: более 250 научных работ и 60 изобретений.
вг
Сергей Иванович Нефедкин
Владимир Федорович Чухарев
Сведения об авторе: д-р техн. наук, профессор Московского энергетического института (технического университета), директор центра коллективного пользования «Водородная энергетика и электрохимические технологии».
Образование: факультет промышленной теплоэнергетики МЭИ (1977 г.), аспирантура (1980 г.) и докторантура (2004 г.) МЭИ.
Область научных интересов: прикладная электрохимия, водородная и электрохимическая энергетика, электрокатализ, электрохимический мониторинг водных технологических сред, экологически чистый автомобильный транспорт.
Публикации: более 100 научных работ и 11 патентов.
Сведения об авторе: канд. техн. наук, начальник научно-исследовательского отдела ФГУП «РФЯЦ-ВНИИТФ им. акад. Е.И. Забабахина» г. Снежинск Челябинской области.
Образование: Свердловский СИНХ по специальности «планирование промышленности», МИФИ по специальности «технология машиностроения». Область научных интересов: энергоустановки на ТОТЭ. Публикации: более 40 публикаций, 9 патентов и изобретений.
Сведения об авторе: младший научный сотрудник лаборатории источников электроснабжения Центра «Газотранспортные системы и технологии» ООО «Газпром ВНИИГАЗ».
Образование: Институт проблем энергетической эффективности МЭИ (технического университета), специальность «промышленная теплоэнергетика».
Область научных интересов: альтернативная энергетика, энергосбережение, электроэнергетика, топливные элементы, машины и агрегаты нефтяной и газовой промышленности.
Публикации: 5 научных работ.
Илья Владимирович Киселев
Сергей Иванович Козлов
Алексей Леонидович Юдин
Сведения об авторе: д-р техн. наук, главный научный сотрудник ООО «Газпром ВНИИГАЗ».
Образование: МГТУ им. Баумана.
Область научных интересов: газотурбинные установки, электрохимические энергоустановки.
Публикации: около 200 научных работ.
Сведения об авторе: генеральный директор ООО «Урало-Сибирская Энергосберегающая компания».
Образование: Уральская Академия государственной службы в 2000 г. по специальности «менеджер государственного и муниципального управления».
Область научных интересов: технология и энергетика металлургических производств, разработка альтернативных технологий и агрегатов для получения энергии и очистки отходов промышленных производств.
Введение
Для энергоснабжения новых жилых комплексов в пригородах и сельской местности, а также вахтовых поселков вместе с их газификацией разумно использовать энергосберегающие технологии топливных элементов. Их применение делает независимым потребителя от поставщика электроэнергии и позволяет избежать существенных затрат на подключение к мощности (до 2 тыс. дол. США/кВт), а также текущих затрат на оплату электроэнергии по тарифам, размер которых включает стоимость генерации, потери при передаче электрической энергии по проводам, а также и интересы сетевых операторов.
Сжиженный природный газ (СПГ - пропан-бутан) примерно в два раза, а магистральный - в 15-20 раз дешевле дизельного топлива, что определяет экономичность и низкие эксплуатационные расходы систем энергоснабжения, основанных на газификации. В Российской Федерации, располагающей третью мировых запасов газа и добывающей 18% газа, экономически выгодно расширять газификацию своей территории, используя конкурентные преимущества.
Сегодня основными автономными источниками электро- и теплоэнергии для потребителей средней мощности (где имеется магистральный или привозной газ) являются газопоршневые агрегаты (ГПА). В последнее время на рынок активно продвигаются и микротурбинные агрегаты (МТА) [1]. Вместе с тем для целей автономного энергоснабжения потребителей малой и средней мощности (1-100 кВт) наиболее энергоэффективным является применение энергоустановок на базе топливных элементов (ТЭ), использующих прямое преобразование химической энергии топлива (газа) в электрическую энергию [2].
На рис. 1 представлены зависимости КПД различных типов энергоустановок от их мощности. Как видно, для мощности потребления до 1000 кВт наиболее эффективными с точки зрения электрического КПД являются топливные элементы [1].
Рис. 1. Зависимость КПД различных типов энергоустановок
от их мощности: 1 - ТоТэ - твердооксидные топливные элементы, РКТЭ - расплав-карбонатные топливные элементы; 2 - ПГУ - парогазовые установки; 3 - ФКТЭ - фосфорнокислые топливные элементы, ТПТЭ - твердополимерные
топливные элементы; 4 - ДУ - дизельные установки и ГПА - газопоршневые агрегаты; 5 - ПГТУ - промышленные газовые турбины; 6 - ПТУ - паротурбинная установка; 7 - ПГТУ+ТОТЭ
Fig. 1. The dependence of the efficiency of different types of the
devices from their power: 1 - SOFC - solid oxide fuel cells, MCFC - molten carbonate fuel cells; 2 - steam and gas devices; 3 - PAFC - phosphate fuel cells, PEM - proton exchange membranes(fuel cells); 4 - diesel devices and gas piston devices; 5 - industrial gas turbines; 6 - steam and turbine device; 7 - industrial gas turbines + SOFC
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 10 (90) 2010
© Scientific Technical Centre «TATA», 2010
Основные тенденции развития технологии топливных элементов.
Технико-экономические показатели
энергоустановок на топливных элементах различных систем
При выборе энергоустановки на ТЭ следует оценить тенденции развития данной технологии и провести анализ технико-экономических показателей энергоустановок на топливных элементах различных систем, которые к настоящему моменту появились на рынке в виде пилотных образцов и мелких коммерческих серий.
Электрохимические энергоустановки (ЭЭУ) на основе твердополимерных водород-воздушных топливных элементов (ТПТЭ) мощностью от 1 до 100 кВт сегодня уже являются коммерческим продуктом [3-4]. Они имеют хорошие потребительские качества - высокий электрический КПД (до 40%), экологически безопасны и бесшумны, имеют минимальное время выхода на номинальную мощность. Рабочая температура ТПТЭ составляет 60-80 °С. Практически все ведущие автогиганты сегодня создали концепт-автомобили с энергоустановками на водород-воздушных ТПТЭ: Tucson FCEVs (Hundai), FCHV-4 (Toyota), FCX (Honda), Chevrolet Equinox Fuel Cell (GM). Они и владеют основными патентами в области ТПТЭ.
Однако широкой коммерциализации энергоустановок на основе твердополимерных водород-воздушных топливных элементов сегодня препятствуют два их существенных недостатка:
- в качестве основного топлива таких элементов необходимо использовать особо чистый водород (более 99,99%). Применение дополнительно топливного процессора позволяет использовать в таких энергоустановках в качестве исходного топлива природный газ. Однако при этом требуется применение дорогостоящей дополнительной очистки синтез-газа;
- реализация в установке высокой удельной мощности преобразования (0,4-0,6 Вт/см2) и КПД (до 40%), а также использование кислого твердопо-лимерного электролита требует обязательного применения в качестве катализаторов металлов платиновой группы (сегодня не менее 0,4 г Pt/кВт) [5-6].
Все это делает такие установки дорогими (до 2 тыс. USS/кВт), а перспективы снижения их стоимости принципиально ограничены значительным влиянием перечисленных выше причин. Кроме того, хотя электрический КПД ЭУ на ТПТЭ относительно высокий, их эффективное использование в когенераци-онном режиме ограничено высокими температурами.
Высокими удельными характеристиками, возможностью работать при отрицательных температурах обладают низкотемпературные водород-воздушные топливные элементы с щелочным раствором электролита (ЩТЭ). Отечественные щелочные топливные элементы, разработанные в рамках космических программ, имеют высокие удельные характери-
стики и проверенный ресурс более 10 тыс. часов [7]. Однако необходимый минимум благородных металлов в электродах-катализаторах таких устройств сегодня велик (10 мг/см2), что делает их чрезмерно дорогими для массового использования.
Энергоустановки на основе фосфорнокислых топливных элементов (ФКТЭ) с средины 1960-х годов активно продвигались на рынок американской фирмой United Technology Corp. (UTC) [2]. Топливные элементы с фосфорнокислым электролитом работают при температуре 180-200 °C. В качестве электролита здесь используется 98-100%-ная фосфорная кислота (Н3РО4) в матрице из карбида кремния. Такие ТЭ также требуют использования платины в катализаторах. За два десятилетия разработок удельное содержание платины снижено в 20 раз, плотность мощности увеличена в 5 раз, а ресурс - в 20 раз. Элементы последней конструкции имеют напряжение 0,6-0,8 B при плотности тока 1,5-4 А/м2 (плотность мощности 0,12-0,24 Вт/см2). Разработанные фирмой UTC энергоустановки мощностью 200 кВт получили название PCTM 200. В ЭЭУ входят ЭХГ с батареями ТЭ, системы подготовки топлива (установка сероочистки, конвертор природного газа, шифт-реактор, теплообменник), водоочистки, подачи воздуха, инвертор, водонагреватель и паровой котел для теплофикации. Электрический КПД ЭЭУ составлял 40%, суммарный (с учетом генерируемого тепла) - до 85%. ЭЭУ генерировала как электроэнергию, так и тепло (в виде горячей воды при температуре 70-85 °С и пара при температуре 135 °С). Площадь, занимаемая ЭЭУ, составляет 0,1-0,2 м2/кВт. Время запуска из холодного состояния - более 10 часов, маневренность в рабочем состоянии - 11% мощности за минуту. Коммерческие ЭЭУ мощностью 200 кВт продавались по цене 3000-4000 USS/кВт. К настоящему времени установлено более 300 ЭЭУ с ФКТЭ в США, Канаде, Европе, Японии и в России.
Топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом (РКТЭ) обладают достоинствами: высоким КПД (до 50%), используемые материалы электродов и электролит не содержат металлов группы платины. Вместе с тем создание установок и станций на основе РКТЭ представляет весьма сложную задачу в связи с проблемами сохранения ресурса из-за коррозии катода при воздействии на него расплава и окислителей, испарения и перетекания электролита. Кроме того, в воздух, подаваемый на катод, необходимо добавлять диоксид углерода, который может быть выделен из продуктов анодной реакции или реакции дожигания этих продуктов. Фирма M-C Power совместно с партнерами разрабатывала ЭЭУ относительно небольшой мощности. Коммерческая ЭЭУ мощностью 250 кВт собиралась из 250 ТЭ (мощностью 1 кВт каждый). Демонстрационная установка была испытана и выработала 1500 МВтч и 118 т пара. КПД составлял 50% (электрический) и 85% (суммарный). Достижения в области РКТЭ последних лет дают основания для прогноза создания
коммерческих станций в течение 10 лет с КПД до 55% (электрический) с удельными капитальными затратами порядка 1000-1500 USS/кВт [2].
На наш взгляд, наиболее перспективными автономными источниками электро- и теплоэнергии для потребителей малой и средней мощности в местах, где имеется магистральный или привозной газ, являются энергоустановки на твердооксидных топливных элементах.
Твердооксидные топливные элементы имеют область рабочих температур 800-950 °С, при которых скорость протекания электродных реакций достаточно высока, нивелировано влияние каталитических ядов и возможно избежать применения дорогостоящих катализаторов на основе металлов платиновой группы. Одним из преимуществ ТОТЭ является их толерантность к чистоте используемого топлива. В качестве топлива, кроме водорода, могут быть использованы любые углеводороды, преобразованные в синтез-газ (Н2-СО), а также отходы жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ), сельского хозяйства и лесопереработки, преобразованные в биогаз. Отсутствуют также климатические ограничения при работе в области отрицательных температур.
Основным компонентом ТОТЭ является твердый электролит, который проводит ток благодаря переносу ионов кислорода. Чаще всего используют в качестве твердого электролита керамику на основе ZrO2 (YSZ-электролит), аноды на основе никелевого кермета и оксидные катоды на основе, например, манганита лантана стронция. Все используемые в ТОТЭ материалы доступны в количествах, необходимых для массового применения. Таким образом, срок службы ТОТЭ обусловлен не используемыми материалами, а конкретными конструкциями и используемыми технологиями. Ресурсные испытания единичных элементов, проводимые за рубежом, превысили уже 80 тысяч часов, а батарей элементов (модулей, стеков) превысили 40 тысяч часов и продолжаются.
За рубежом активно ведутся работы по совершенствованию ТОТЭ. Мировые лидеры в области ТОТЭ фирмы Delphi Corporation, Siemens Energy, FuelCell Energy Inc., Rolls-Royce, Versa Power Systems, Bloomenergy, Staxera концептуально разными путями вплотную подошли к созданию коммерческих энергоустановок на ТОТЭ с высокими эксплуатационными характеристиками [8]. Достигнуты высокие значения удельной мощности ЭЭУ на ТОТЭ (до 0,8 Вт/см2) и КПД (до 60% электрический и до 80-85% общий), деградация напряжения - менее 1,5%/1000 часов (от 0,1 до менее 1%). Отсутствие драгметаллов при массовом производстве энергоустановок на ТОТЭ позволяет достичь стоимости единицы мощности менее 400 USS/кВт [8].
На Урале впервые в России разработаны, изготовлены и успешно испытаны в течение 1 года непрерывной работы энергосистемы мощностью 1-2,5 кВт на ТОТЭ трубчатой конструкции без примене-
ния драгметаллов. Получены удельные мощности в составе энергосистемы до 170 мВт/см2. Блоки ТОТЭ с улучшенным токоотводом имели темп снижения 2,3% на тыс. часов, который после 7000 часов испытаний до их окончания снизился до 0,1% на тыс. часов [9]. Здесь также разработаны ключевые технологии, позволяющие реализовать изготовление трубчатых ТОТЭ на основе нанопорошков с повышенными значениями удельной мощности (более 0,6 Вт/см2). Такой элемент будет основой батареи ТОТЭ для энергоустановок класса мощности 0,25-10 кВт [10].
Вместе с тем сегодня для возможности широкого использования ТОТЭ необходимо иметь экспериментально подтвержденные сведения по целому ряду вопросов, например:
- о ресурсе ЭЭУ при циклическом изменении нагрузки, в том числе от полного отключения нагрузки до номинального значения нагрузки;
- о ресурсе ЭЭУ при циклическом изменении температурного режима работы, в том числе из состояния холодного пуска до номинального значения нагрузки при рабочих температурах;
- о влиянии на ресурс ЭЭУ темпа выхода из холодного состояния на рабочий температурный режим и темпа снижения температурного режима работы элементов батареи ТОТЭ.
Малые стационарные приложения топливных элементов
Популярность малых домашних комбинированных (электричество + тепло) установок на топливных элементах связана с тем, что они имеют высокий КПД, малые выбросы токсичных газов и СО2, могут быть встроены в существующую инфраструктуру. Такие энергетические установки занимают место не больше домашнего бойлера, могут работать на природном газе.
ЭЭУ на топливных элементах для малых стационарных приложений сегодня являются одной из самых прогрессирующих и востребованных технологий. Доминируют две технологии: ТПТЭ и ТОТЭ. Большая часть домашних станций разработана для применения природного газа, пропана, очень немногие могут работать со сжиженным нефтяным газом. Некоторые производители работают с керосином.
В табл. 1 приведены основные сравнительные характеристики автономных источников электро- и теп-лоэнергии для потребителей средней мощности в местах, где имеется магистральный или привозной газ.
Сравнительный анализ характеристик ТОТЭ энергоустановок с микротурбинными установками (МТУ), газопоршневыми агрегатами показывает, что по ряду важных показателей (электрический КПД, бесшумность, удельный расход газа, эмиссия токсичных газов) энергоустановки на ТОТЭ превосходят свои аналоги. Как видно, в энергоустановках на основе ТОТЭ доли вырабатываемой электрической и тепловой энергии примерно равны, в то время как в
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 10 (90) 2010
© Scientific Technical Centre «TATA», 2010
МТУ, ГПА в основном (до 70%) вырабатывается тепловая энергия. Особенностью работы ТЭ (в отличие от МТУ и ГПА) является повышение электрического КПД энергоустановки при снижении нагрузки от номинального значения, что является удобным при регулировании мощности. Электрический КПД ГПА и особенно МТУ сильно падает при снижении мощности более чем на 50% от номинального значения. Отсутствие движущихся механических частей в ЭУ на ТОТЭ элементов позволяет избежать использования расходных материалов (масла). Кроме того,
это делает энергоустановку на ТОТЭ бесшумной, что является серьезным преимуществом, например, при выборе автономного источника энергоснабжения для жилого дома. В соответствии с санитарными нормами уровень шума около зданий в дневное время не должен превышать 55 дБА, а ночью (с 23 до 7 ч утра) - 45 дБА, в квартирах - соответственно, 40 и 30 дБА [11]. Известно, что шумы уровня 70-90 дБА при длительном воздействии приводят к заболеваниям нервной системы.
Таблица 1
Автономные источники электро- и теплоэнергии на природном газе для потребителей средней мощности
Table 1
Self-regulating sources of electro- and thermal energy based on natural gas for the consumers of the
medium power capacity
Показатель МТУ ГПА ТОТЭ
Электрический КПД, % (при номинальной мощности и стандартных атмосферных условиях) 28-35 28-40 40-60
Удельный расход газа, м3/ кВт-ч 0,34-0,39 0,34-0,38 0,21-0,28
Коэффициент использования теплоты топлива, % до 80 до 80 до 90
Тепловая мощность при электрической мощности 10 кВт 17 14 9
Рабочие температуры, °С 500-950 400 600-950
Эмиссия газов: - N0*, мг/кВт-ч - СО, мг/кВт-ч 18 29,5 180 216 <1,5-10"4 <2,2-10"4
Уровень шума на расстоянии 10 м, дБ 35 65-70 <2,8
Безвозвратные потери масла, г/кВт-ч 0,001 0,3 нет
Частота вращения ротора, тыс. об/мин 60-70 1,3-1,5 нет
Наличие вибраций нет есть нет
Требования к чистоте газов низкие высокие низкие
Ресурс до капремонта, ч 25 000 60 000 80000*
Дополнительный расходный материал масло масло нет
Стоимость ед. мощности, $/кВт - - <400*
*По данным Проекта SECA (США), эмиссия и шум по паспорту 100 кВт ЭУ - ES-5000 фирмы BE (США).
Интересно, что в Европе уже имеется опыт создания автономных ЭЭУ на ТОТЭ для снабжения электроэнергией и тепловой энергией индивидуального жилья на 3-4 человека. Среднее годовое потребление электроэнергии такой семьей 5000 кВт-ч. В качестве топлива используют метан. Индивидуальная ЭЭУ на ТОТЭ имеет мощность 1 кВт и работает круглосуточно в оптимальном режиме. В случае отсутствия электропотребления, вырабатываемая электроэнергия уходит в централизованную сеть. В доме имеется счетчик выработанной и потребленной электроэнергии. Электроэнергия, ушедшая в централизованную сеть, оплачивается по тарифу в два раза более высокому, чем покупаемая потребителем из энергосети.
Таким образом, среднесуточное потребление семьей электроэнергии составляет 13,7 кВт-ч, при этом 43% продается в сеть, что практически существенно, более чем на 80%, снижает стоимость потребленной электроэнергии. По сути, сеть является своего рода накопителем, который сглаживает неравномерности электрической нагрузки и энергопотребления.
Скорее всего, в таком виде европейская система в России работать не будет, с одной стороны, из-за наших необъятных просторов (большие расстояния передачи энергии, длинные сети и, как следствие, большие потери), с другой стороны, наш менталитет не позволяет задумываться об экономии электроэнергии, о сокращении выбросов тепличных газов,
экологии. В случае же отключения от централизованного электро- и теплоснабжения вполне реален случай создания локальной сети «Наш дом», когда кооператив жильцов (или управляющая компания) с целью энергосвободы, энергосбережения и снижения расходов на коммунальные платежи решают объединить малые теплоэлектрогенераторы в свою сеть. В этом случае при наличии более 30-50 квартир локальная сеть сыграет роль накопителя, в случае меньшего количества квартир, по-видимому, потребуется электронакопитель, например, на основе суперконденсаторов.
Рассмотрим возможность энергоснабжения единичного жилого дома (коттеджа), находящегося в средней полосе России с использованием технологии ТОТЭ и питанием от магистрального газа.
Энергоснабжение жилого дома (пример расчета)
В расчете рассмотрена возможность использования электрохимической энергоустановки на ТОТЭ в целях обеспечения электроснабжения жилого дома, независимого от централизованных электросетей.
Топливом для ЭЭУ служит природный газ, поступающий из трубопровода. Помимо электрической энергии ЭЭУ генерирует тепловую энергию, которую можно использовать для нужд горячего водоснабжения (ГВС).
В расчете представлено сравнение схемы теплоснабжения с использованием одноконтурного котла и бойлера со схемой, использующей ЭЭУ. Электроэнергия в первом случае берется из централизованной сети, во втором случае генерируется в ЭЭУ. Приведен расчет затрат на выделение дому необходимой электрической мощности.
Определен годовой расход тепла и топлива, необходимый для котельной, предназначенной для отопления и ГВС индивидуального жилого дома. Расчет тепловых нагрузок выполнен в соответствии со следующими нормативными документами:
- МДК 4-05.2004 «Методика определения потребности в топливе, электрической энергии и воде при производстве и передаче тепловой энергии и теплоносителей в системах коммунального теплоснабжения» (Госстрой РФ 2004 год);
- СНиП 23-01-99 «Строительная климатология»;
- СНиП 41-01-2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование»;
- СНиП 2.04.01-85* «Внутренний водопровод и канализация зданий».
Характеристика здания:
- Строительный объем здания - 1460 м3.
- Общая площадь - 350,0 м2. Жилая площадь -100 м2.
- Расчетное количество жильцов - 4 человека.
Место строительства: РФ, Московская область, г.
Домодедово.
На графике (рис. 2) приведена средняя часовая потребность в тепловой энергии в зависимости от месяца. Как видно, потребность в тепловой энергии в зимний период на отопление почти в 20 раз превосходит потребность в тепле летом на горячее водоснабжение. Поэтому в схеме энергоснабжения предполагается использование одноконтурного газового котла. В летний период отопление не осуществляется и котел отключен. Количество теплоты, затрачиваемой на горячее водоснабжение, меняется в зависимости от температуры холодной воды, которая, в свою очередь, зависит от сезона.
30
Рис. 2. Средняя часовая потребность в тепловой энергии в зависимости от месяца Fig. 2. Average time necessity of heat energy depending from the month
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 10 (90) 2010
© Scientific Technical Centre «TATA», 2010
Рассмотрим схему теплоэлектроснабжения с применением ЭЭУ на ТОТЭ (рис. 3). Здесь ТЭ -энергоустановка на топливных элементах; ТО - теплообменник; 1 - бойлер накопительный; 2 - подающий насос; 3 - инвертор; 4 - запорная арматура; 5 -трехходовой клапан; 6 - термопара; 7 - теплообменник. Как известно, такая установка помимо электрической энергии производит и тепловую энергию, которую можно полезно использовать. В нашем случае используем ее для подогрева воды, идущей на горячее водоснабжение потребителя.
Для обеспечения тепло- и электроснабжения рассматриваемого дома по альтернативной схеме требуется 15,8 тыс. м3 природного газа в год. Для тепло-электроснабжения по традиционной схеме требуется 15,5 тыс. м3 в год. При сравнении двух схем стоит учитывать, что ЭЭУ помимо тепловой вырабатывает и электрическую энергию и позволяет потребителю быть независимым от централизованного энергоснабжения.
В табл. 2 приведено сравнение затрат на природный газ и электроэнергию для двух схем.
Рис. 3. Схема тепло- и электроснабжения загородного дома с использованием ТОТЭ Fig. 3. Scheme of heat and electro supply of the cottage with the usage of SOFC
Таблица 2
Годовая экономия средств на электро- и теплоснабжение коттеджа с использованием ТОТЭ
Table 2
Annual savings on electro and thermal supply of the cottage using SOFC
Вид оборудования Затраты, тыс. руб./год Годовая экономия на тарифе, тыс. руб./год
на электроэнергию на газоснабжение общие
Котел + ТОТЭ (электроснабжение от ТОТЭ) - 46,04 46,04 14,7
Котел + бойлер (электроснабжение от централизованной сети) 23,65 38,26 60,74 -
Рис. 4. Среднемесячное потребление природного газа в двух схемах теплоснабжения Fig. 4. The average monthly consumption of the natural gas in two heat supplying schemes
Из таблицы видно, что альтернативная схема имеет преимущество с экономической точки зрения. На рис. 4 показано среднемесячное потребление природного газа в двух схемах теплоснабжения.
При реализации приведенной выше схемы энергоснабжения открытым остается вопрос об аккумулировании избытка электроэнергии, возникающего из-за неравномерного графика ее потребления в течение суток. Решением вопроса может быть частичное регулирование генерируемой мощности и объединение потребителей в локальную сеть. В последнем случае избыток электроэнергии может продаваться в централизованную сеть либо аккумулироваться с использованием известных технологий, в частности водородных.
Заключение
Анализ тенденций развития технологии топливных элементов показывает, что первыми на рынке в качестве готового коммерческого продукта появились ЭУ на водород-воздушных ТПТЭ. Сдерживаю-
щим фактором их продвижения на рынок автономного энергоснабжения малой и средней мощности сегодня являются высокие требования к чистоте водорода, необходимость использования платины в катализаторах, а также отсутствие сведений о необходимом ресурсе (более 10 тыс. часов в условиях циклической работы). На наш взгляд, наиболее перспективными автономными источниками электро- и теплоэнергии для потребителей малой и средней мощности будут высокотемпературные энергоустановки на твердооксидных топливных элементах (ТОТЭ). Они могут работать на синтез-газе, не требуют использования платины, имеют высокие удельные характеристики, удобны для работы в когенера-ционном режиме. За рубежом данная технология активно развивается, уже началась коммерческая реализация энергоустановок на ТОТЭ с высокими удельными характеристиками ^ахега, В1оошепе^), продолжается необходимый цикл длительных ресурсных испытаний [8, 12-13].
В России на Урале разработаны, изготовлены и успешно испытаны в течение 1 года непрерывной
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 10 (90) 2010
© Scientific Technical Centre «TATA», 2010
работы ЭУ мощностью 1-1,5 кВт на ТОТЭ трубчатой конструкции без применения драгметаллов. Здесь также разработаны ключевые технологии, позволяющие реализовать изготовление трубчатых ТОТЭ на основе нанопорошков с повышенными значениями удельной мощности (более 0,6 Вт/см2). Такой элемент будет основой батареи ТОТЭ для энергоустановок класса мощности 0,25-10 кВт, которые можно использовать в качестве энергоустановки для распределенной энергетики. Вместе с тем требуется проведение комплекса работ по подтверждению необходимого ресурса таких установок и доведению их до уровня коммерческого продукта.
Расчет схемы электроснабжения жилого дома для средней полосы России на основе использования электрохимической энергоустановки ЭЭУ на ТОТЭ и использования магистрального газа показал, что такая схема теплоэлектрооснабжения обеспечивает экономию при оплате энергоносителей по тарифам (около 25%), при этом делая потребителя независимым от централизованной сети электроснабжения.
Список литературы
1. Интернет-портал сообщества ТЭК [Электронный ресурс]. - Режим доступа: www. URL: http ://www.energyland. info/analitic-show-40710.
2. Коровин Н.В. Топливные элементы и электрохимические энергоустановки. М.: Изд. МЭИ, 2005.
3. Компания Хайдродженикс (Hydrogenics GmbH) [Электронный ресурс]. - Режим доступа: www. URL: http://www.hydrogenics.com.
4. Компания Баллард (Ballard) [Электронный ресурс]. - Режим доступа: www. URL: http: //www. ballard.com.
5. Sinha J., Lasher S., Yong Y., Kopf P. Direct hydrogen PEMFC manufacturing cost estimation for automotive applications. TIAX LLC, DOE Annual Merit Review, Project ID #FC8; 6/10/2008.
6. Report to U.S. Department of Energy DE-FC04-01AL67601, Platinum availability and economics for PEMFC commercialization, Tiax Llc. (December 2003).
7. Стихин А.С. Энергоустановки на щелочных топливных элементах. Труды 3 Международного симпозиума по водородной энергетике. Москва. МЭИ. 1-2 декабря 2009 г. М.: Изд-во. МЭИ. С. 63-71
8. 10th Annual Solid State Energy Conversion Alliance (SECA) Workshop, Pittsburgh, PA July 14-16,
2009. Publications, Conference Proceedings.
9. Кулаев В.В., Доросев С.М., Бочков Б.М., Елисеев В.Г., Закутнев А.Д., Чухарев В.Ф. Длительные испытания макета блока батарей твердооксидных топливных элементов. Основные результаты. Всероссийская конференция с международным участием «Твердооксидные топливные элементы и энергоустановки на их основе», г. Черноголовка 16-18 июня
2010. С. 9.
10. Липилин А.С. ТОТЭ и энергосистемы на их основе. Состояние и перспективы // Электрохимическая энергетика. 2007. Т. 7, № 2. С. 2-32.
11. Санитарные нормы СН 2.2.4/2.1.8.562-96.
12. Компания Блюмэнерджи (Bloomenergy) [Электронный ресурс]. - Режим доступа: www. URL: http://www.bloomenergy.com.
13. Компания Стаксера (Staxera) [Электронный ресурс]. - Режим доступа: www.URL: http://www. staxera.de.
