CC BY
0Использование гибридных схем энергоустановок с использованием топливных элементов, тепловых машин и накопителей электрической энергии для утилизации свалочного газа
Ю.А.Борисов1, С.В.Киселева1,2, А.Б.Тарасенко1
1ОИВТРАН, 125412, Москва, ул. Ижорская, 13с2 2НИЛ ВИЭ МГУ, 119991, ГСП-1 Москва, Ленинские горы, д. 1, корп. 19
Digester gas utilization using hybrid schemes including fuel cells, heat engines
and electric energy storage systems
Yu.A.Borisov1, S.V.Kiseleva1,2, A.B.Tarasenko1
1RAS JIHT, 125412, Moscow, Izhorskaya st., 13, bldg 2 2MSU, 119991, GSP-1 Moscow, Leninskye Gory, 1, bldg 19
e-mail: tarasenkoab@inbox. ru
DOI 10.24412/cl-37211-FC-2024.17
Использование высокотемпературных топливных элементов открывает широкие возможности для создания гибридных схем, в которых электрохимические генераторы комбинируются либо с тепловыми машинами [1,2], либо друг с другом [3]. Высокие рабочие температуры с одной стороны позволяют использовать водород с большим количеством примесей, а также СО и метан в качестве топлива. Поток отходящих газов также несет достаточно большое количество тепловой энергии, что делает возможной эффективную утилизацию высокопотенциального тепла. С другой стороны, высокие рабочие температуры требуют обязательного подогрева топлива и окислителя на входе в батарею (что обычно реализуется за счет тепла отходящих газов), а также существенно ограничивают маневренность системы, так как изменение рабочих токов влечет за собой колебания температуры, что не лучшим образом сказывается на электрод-электролитной структуре, представляющей собой композит из различных керамических и металлокерамических материалов [4].
Свалочный газ представляет собой смесь СО2 и СН4, при этом объемная доля каждого из них может варьироваться в диапазоне от 40 до 60%. Доли остальных компонентов, таких как водяной пар, водород, соединения серы, хлора и кремния обычно существенно меньше, и не вносят значительного вклада в массовый и тепловой баланс системы, однако имеют критическое значение с точки зрения подготовки топливной смеси, и, следовательно, оценки экономических аспектов работы энергетических установок. Отличительной особенностью свалочного газа (помимо необходимости удаления примесей) является большая доля углекислого газа в его составе, являющегося балластом, и не претерпевающего никаких изменений, однако забирающего тепловую энергию, получаемую преобразованием метана, на нагрев, что приводит к снижению общей эффективности любой схемы или устройства, использующих свалочный газ в качестве топлива (относительно чистого метана). Именно это обстоятельство и заставляет обратить внимание на гибридные энергоустановки.
Наиболее распространенной из них является стремление повысить эффективность использования топлива за счет срабатывания высокопотенциального тепла отходящих газов энергоустановки [5,6]. В этом случае отходящие газы электрохимического генератора (ЭХГ) направляются на газовую турбину (ГТУ), то есть ЭХГ замещает штатную камеру сгорания. Основные проблемы в этом случае связаны с низкой
температурой этих газов относительно тех, которые обеспечиваются в горячем тракте газотурбинной установки (1200-1400°С), в то время как расплав-карбонатные топливные элементы (РКТЭ) имеют температуры выхлопа 600-650°С, а твёрдооксидные (ТОТЭ) -800-850°С.
Одним из трендов развития современно энергетики является стремление снизить или вовсе предотвратить выбросы углекислого газа. В случае использования свалочного газа в качестве топлива такие выбросы имеют место во всех четырех рассматриваемых технологиях утилизации - ЭХГ на основе РКТЭ и ТОТЭ, ГТУ, газопоршневых установок (ГПУ), при этом часть углекислого газа образуется в процессе переработки метана, а часть - уже входит в состав свалочного газа. При этом ЭХГ РКТЭ очень часто [7,8] рассматривается как устройство для выделения углекислого газа из выбросов не только альтернативных энергосистем (таких, как различные схемы преобразования биогаза и ему подобных газовых смесей), но и для традиционных тепловых электростанций, что возможно из-за особенностей переноса заряда в РКТЭ.
В [9] описана комбинация ТОТЭ и ГПУ при энергетической утилизации биогаза на животноводческих комплексах. Такое решение позволяет придать схеме маневренность, которая отсутствует у самих ТОТЭ, и реагировать на колебания нагрузки. При этом рассматривается возможность работы энергоустановки в режиме, когда соединение с централизованной сетью может отсутствовать.
Таким образом, можно выделить три перспективные схемы построения гибридных энергосистем на основе ЭХГ и тепловых машин:
- утилизация тепла выхлопа ЭХГ в тепловой машине с целью повышения выхода электрической энергии;
- комбинация ЭХГ РКТЭ и ТОТЭ (или ГТУ/ГПУ), обеспечивающая максимальное удаление углекислого газа из продуктов сгорания;
- комбинация ЭХГ РКТЭ или ТОТЭ с ГПУ или накопителем электрической энергии для работы в условиях переменных нагрузок.
В работе выполнен анализ данных схем с оценками массовых и тепловых балансов таких схем в применении к типовому для Московской области полигону твердых коммунальных отходов с выходом свалочного газа около 10 тыс. м3/год. Оценены тепловой и электрический кпд различных схем, подобраны соотношения компонентов. Показано, что в рассматриваемом диапазоне мощностей (около 2 МВт) целесообразно использование комбинации газовой микротурбины с ЭХГ ТОТЭ, поскольку ЭХГ РКТЭ не обеспечивает достаточного теплового потока для загрузки турбины. В то же время ЭХГ РКТЭ может эффективно использоваться в комбинации как с газовыми турбинами, так и с ЭХГ ТОТЭ для очистки отходящих газов от СО2. Целесообразным также рассматривать использование совместно с РКТЭ паровых турбин с котлом, подогреваемым выхлопами ЭХГ, причем в качестве рабочего тела использовать не воду, а жидкости с малой температурой кипения. Комбинация ЭХГ ТОТЭ или ЭХГ РКТЭ с накопителем или ГПУ не очень эффективна именно в нише утилизации свалочного газа, в силу отсутствия резких колебаний его выхода (кроме достаточно плавных сезонных), а также приоритета приёма энергии в сеть, что исключает колебания со стороны нагрузки.
Данная работа поддержана Российским научным фондом (проект 20-19-00478).
Литература
[1] Qiushi Wang, Liqiang Duan, Ziyi Lu, Nan Zheng, Thermodynamic performance comparison of SOFC-MGT-CCHP systems coupled with two different solar methane steam reforming processes, International Journal of Hydrogen Energy 48 (71), рр. 27473-27491 (2023);
[2] S. Campanari, P. Chiesa, G. Manzolini, A. Giannottb, F. Federici, P. Bedont, F. Parodi, Application of MCFCs for active CO2 capture within natural gas combined cycles, Energy Procedia 4, 1235-1242 (2011);
[3] Luca Mastropasqua, Stefano Campanari, Jack Brouwer, Electrochemical Carbon Separation in a SOFC-MCFC Polygeneration Plant With Near-Zero Emissions, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power 140(1), D01:10.1115/1.4037639_(2017);
[4] M. Hanasaki, C. Uryu, T. Daio, T. Kawabata, Y. Tachikawa, S. M. Lyth, Y. Shiratori, S. Taniguchi, and K. Sasaki, SOFC Durability against Standby and Shutdown Cycling, J. Electrochem. Soc. 161 F850, DOI 10.1149/2.0421409jes, (2014)
[5] Demonstration Testing Started of SOFC-MGT Hybrid Power Generation System, Toward Commercial Launch for Business and Industrial Uses (2016). http://www.mhps.com/news/20160921.html. Accessed June 15, 2018;
[6] Thomas Krummrein, Martin Henke, Peter Kutne, Manfred Aigner, Numerical analysis of operating range and SOFC-off-gas combustor requirements of a biogas powered SOFC-MGT hybrid power plant Appl. Energy. 232, рр. 598-606, (2018);
[7] Jaroslaw Milewski, R. Bernat, and J. Lewandowski, Reducing CO2 Emissions from a Gas Turbine Power Plant by using a Molten Carbonate Fuel Cell, Proceedings of the World Congress on Engineering 2012 Vol III WCE 2012, July 4 - 6, London, U.K., (2012);
[8] Imtinan Mohsin, Tareq A. Al-Attas,Kazi Z. Sumon, Joule Bergerson,Sean McCoy,Md Golam Kibria, Economic and Environmental Assessment of Integrated Carbon Capture and Utilization//Cell Reports Physical Science 1,100104, https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2020.100104a_(2020);
[9] Соснина Е.Н., Шалухо А.В., Ворошилов А.А. О применении твердооксидных топливных элементов на биогазе для электроснабжения животноводческих предприятий // Интеллектуальная Электротехника. № 4. С. 126-134. DOI:.10.46960/2658-6754_2022_4_126, (2022).
