ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКИ ОИВТ РАН В ОБЛАСТИ ТЕХНОЛОГИЙ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ (К 50-ЛЕТИЮ ОИВТ РАН)

Малышенко С.П.

ВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКА

FJ

HYDROGEN ECONOMY

Статья поступила в редакцию 05.03.11. Ред. рег. № 952 The article has entered in publishing office 05.03.11. Ed. reg. No. 952

К 50-летию ОИВТ РАН

УДК 620.97; 620.92; 536.7; 547.2

ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКИ ОИВТ РАН В ОБЛАСТИ ТЕХНОЛОГИЙ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

С.П. Малышенко

ОИВТ РАН 125412 Москва, ул. Ижорская, д. 13, стр. 2 E-mail: [email protected]

Заключение совета рецензентов: 25.03.11 Заключение совета экспертов: 10.04.11 Принято к публикации: 15.04.11

Приведен обзор исследований и разработок ОИВТ РАН в области технологий водородной энергетики, подготовленный в связи с 50-летием Объединенного института высоких температур РАН.

Ключевые слова: водородная энергетика, энергоэффективность, аккумулирование энергии, покрытие неравномерностей графика нагрузки, водородо-кислородный парогенератор, металлогидриды, хранение водорода, очистка водорода, водородная безопасность.

JIHT RAS RESEARCH AND DEVELOPMENT IN THE FIELD OF HYDROGEN ENERGY TECHNOLOGIES

S.P. Malyshenko

Joint Institute of High Temperatures RAS 13/2 Izhorskaya st., Moscow, 125412, Russia E-mail: [email protected]

Referred: 25.03.11 Expertise: 10.04.11 Accepted: 15.04.11

The review on research and development of hydrogen energy technologies carried out in Joint Institute of High Temperatures of Russian Academy of Sciences is dedicated to the 50-years anniversary of the Institute.

Keywords: hydrogen energy, energy efficiency, energy accumulation, peak load management, hydrogen-oxygen steam generator, metal hydrides, hydrogen storage, hydrogen purification, hydrogen safety.

Введение

Проблема использования водорода как перспективного экологически чистого и универсального энергоносителя и аккумулятора энергии в различных отраслях народного хозяйства была сформулирована в начале 70-х годов прошлого столетия после первого нефтяного топливного кризиса. Стало ясно, что необходима разработка новых экологически приемлемых энергетических технологий, основанных на использовании возобновляемых энергоисточников, атомной энергии, угля и универсальных экологически чистых энергоносителей, способных заменить

невозобновляемые энергоресурсы по мере их истощения и удорожания. В 1974 г. была создана Международная ассоциация водородной энергетики, задачей которой стало объединение и координация усилий ученых и специалистов различных областей науки и техники разных стран в развитии этого нового направления.

В 1975 г. правительством страны было поручено Академии наук СССР подготовить заключение о целесообразности развития в нашей стране НИОКР по водородной энергетике. В этой связи при Отделении физико-технических проблем энергетики АН СССР по инициативе академика А.Е. Шейндлина была соз-

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (95) 2011

дана временная рабочая группа по водородной энергетике под руководством академика М.А. Стырико-вича, задачами которой являлись комплексное изучение проблемы и определение главных направлений исследований и разработок для условий нашей страны. Базовым институтом рабочей группы стал ИВТАН. В течение 1976-1977 гг. членами рабочей группы и возглавляемыми ими коллективами в академических и отраслевых институтах и вузах были выполнены аналитические, технико-экономические и экспериментальные исследования, подготовлены материалы к докладу по проблемам водородной энергетики и проведено их широкое обсуждение. В 1977 г. на основе рабочей группы была образована Комиссия АН СССР по водородной энергетике, на которую была возложена функция межведомственного координатора НИОКР по проблеме. В 1978 г. был подготовлен и издан доклад Комиссии «Основные проблемы водородной энергетики» [1]. В нем была сформулирована концепция развития водородной энергетики в нашей стране и основные задачи НИОКР на близкую и отдаленную перспективу. В течение следующих 14 лет Комиссия осуществляла эффективную координацию работ в области водородной энергетики в масштабах страны, поскольку в состав Комиссии входили практически все руководители разработок водородных технологий в стране, в том числе по ведомственным программам (в выполнении координационных планов НИОКР участвовало более 50 организаций). Руководили работой Комиссии М.А. Стырикович, В.А. Легасов и Э.Э. Шпильрайн, базовыми институтами, обеспечивающими ее эффективную работу, стали ИАЭ им. И.В. Курчатова и ИВТАН.

Следует отметить, что водородная тематика не являлась для Института новой. В 1960-1970-е годы в Институте был выполнен значительный объем рас-четно-теоретических и экспериментальных работ по исследованиям теплофизических свойств водорода: термодинамических свойств в идеально-газовом состоянии, свойств диссоциирующего водорода и водородной плазмы, вязкости и теплопроводности газообразного водорода, уравнения состояния жидкого и газообразного нормального и пара-водорода и изотопных эффектов в свойствах молекулярного водорода. В результате этих работ были созданы таблицы и диаграммы теплофизических свойств водорода в широком диапазоне параметров состояния (от тройной точки до весьма высоких температур, соответствующих плазменному состоянию при давлениях до 50 МПа). В основном эти работы выполнялись Институтом в рамках хоздоговоров и по ряду причин их результаты были опубликованы в открытой печати лишь в относительно небольшой части [2-7]. В последующие годы исследования теплофизических свойств водорода и его изотопов в основном были посвящены свойствам низкотемпературной плазмы водорода и дейтерия при температурах до 30000 К [8], а также свойствам водорода в экстремальных

состояниях: при температурах ~ 1 К, соответствующих переходу в сверхтекучее состояние и при мега-барных давлениях [9, 10].

Исследования и разработки ИВТАН в области водородной энергетики в современном понимании проблемы были начаты в 1975 г. и проводились вначале в соответствии с решением ОФТПЭ АН СССР о подготовке доклада по проблеме, а в дальнейшем - в соответствии с координационными планами. На первом этапе до конца 80-х годов в Институте были выполнены расчетно-теоретические, экспериментальные и технико-экономические исследования перспективных технологий производства, хранения, транспортировки и использования водорода. Разработана общая термодинамическая теория термохимических циклов производства водорода из воды

[11], предложена и экспериментально обоснована новая технология паровой и углекислотной конверсии метана в трубах с чередующимися инертной и каталитической насадками, позволяющая осуществлять процесс с соотношением окислитель/метан 1,11,3 и избежать образования сажи в трубчатых печах

[12], выполнен анализ эффективности технологий производства и хранения водорода как вторичного энергоносителя в энергетике [13-15], разработана термодинамика различных циклов водородных энергоустановок [16-19]. В этот же период специалистами ИВТАН была написана первая на русском языке монография, охватывающая все аспекты водородной энергетики [20]. В результате этих работ были определены наиболее эффективные технологии использования водорода как вторичного энергоносителя и аккумулятора энергии в энергетике и сформулированы задачи создания нового оборудования для реализации этих технологий. После ликвидации Комиссии по водородной энергетике в Академии наук со второй половины 90-х годов работы ОИВТ РАН в этой области выполняются в рамках государственных (федеральных) целевых программ [21-23].

Современный этап работ ОИВТ РАН в области технологий водородной энергетики по программам Минобрнауки РФ ориентирован на решение задач развития ТЭК страны, сформулированных в Энергетической стратегии РФ и решениях Правительства РФ. В этих документах в перспективе до 2030 г. планируется увеличение доли АЭС и электростанций парогазового цикла (ПГУ) в Европейской части страны, строительство угольных ТЭС на суперсверх-критических параметрах (ССКП), увеличение доли возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в энергобалансе, развитие распределенной генерации на основе местных (в том числе возобновляемых) источников энергии. Одной из основных научно-технических проблем, возникающих при решении этих задач, является создание энергоэффективных технологий аккумулирования электроэнергии, обеспечивающих покрытие неравномерностей графика нагрузки и замыкание баланса мощности в системах энергообеспечения [24, 25]. Исследования и разра-

ботки новых технологий водородного аккумулирования энергии и создание экспериментальных образцов нового оборудования - одно из основных направлений работ Лаборатории водородных энергетических технологий (ЛВЭТ) ОИВТ РАН.

При водородном аккумулировании электроэнергии водород (и кислород) производится электролизом воды за счет избыточной электроэнергии от первичного источника в часы провала графика нагрузки, направляется в хранилище и по необходимости используется для производства дополнительной электрической мощности в турбоустановках или электрохимических генераторах (топливных элементах). При сжигании водорода в кислороде производство электроэнергии осуществляется в паротурбинных энергоустановках, при сжигании его в воздухе - в газотурбинных или парогазовых. Анализ термодинамической эффективности водородосжигающих энергоустановок [18-20, 26-28] показывает, что КПД использования водородного топлива при правильной организации процесса может достигать 60% и выше, т. е. оказывается близким к КПД топливных элементов. Поэтому сравнительная эффективность и области применения систем водородного аккумулирования энергии с использованием ЭХГ или турбоуста-новок определяются капиталовложениями в их создание, уровнем мощности и особенностями системной интеграции с источниками первичной энергии различного уровня мощности [28].

Эффективные уровни мощностей

электрохимических генераторов и турбоустановок

Преобразование эксергии водорода в электроэнергию может осуществляться различными методами: в результате электрохимических реакций в электрохимических генераторах, в термодинамических процессах в паротурбинных, газотурбинных и комбинированных (парогазовых) циклах путем сжигания водорода в кислороде или воздухе, а также путем использования водорода в качестве добавки к традиционным энергетическим топливам с целью повышения эффективности процессов сгорания топлива и снижения вредных выбросов. В гибридных энергоустановках реализуются оба основных процесса преобразования энергии - электрохимический и термодинамический.

П.Л. Капица предложил оценивать сравнительную эффективность перспективных методов производства и преобразования энергии на основе анализа их ограничений по предельным плотностям потока энергии (или эксергии) в энергоустановках [29]. Сравним эти потоки в ЭХГ и в паротурбинных или газотурбинных водородных энергоустановках. В топливных элементах осуществляется непосредственное преобразование эксергии водорода в электроэнергию. Поток энергии в межэлектродном пространстве ячейки ограничен диффузией носителей

зарядов в электролитах и на практике не превышает ЖПС ~ С -102 Вт/м2, где для современных аппаратов С составляет от 3 до 30 и зависит от конкретного типа и мощности ЭХГ. В энергоустановках паротурбинного и газотурбинного цикла преобразование энергии осуществляется вначале в паровой или газовой турбине (в механическую работу) и затем в электрогенераторе в электроэнергию. На первой стадии ограничение потока энергии связано с достижением скорости звука в критических сечениях:

арАИт, (1)

где: а - скорость звука; р - плотность рабочего тела; ДЯТ - срабатываемый в турбине перепад энтальпии.

В зависимости от температуры и давления предельные потоки энергии в водородных турбоуста-новках составляют (1010-1011) Вт/м2. На стадии преобразования механической энергии в электрическую потоки энергии в зазоре между ротором и статором электрогенератора составляют

И 2

ЖЕС = а-^у (2)

4п

где: Нт - напряженность магнитного поля, ограничиваемая магнитным насыщением железа (Нт ~ 104 Е); у - окружная скорость вращения ротора генератора, ограничиваемая прочностными характеристиками материалов (упах ~ 102 м/с); а < 1 - коэффициент, определяемый конструкцией генератора.

Предельные потоки энергии в зазоре между ротором и статором составляют Ж^ ~107 Вт/м2 и могут быть увеличены путем использования эффектов гипер- и сверхпроводимости в криогенных электрогенераторах. В зависимости от уровня мощности энергоустановок Ж изменяются и площади контрольных поверхностей, соответствующих максимальным потокам энергии в ЭХГ (поверхность электродов ЛРС) и в паро- и газотурбинных установках (площадь критических сечений сопловых аппаратов Ати и площадь поверхности ротора электрогенератора АЕа).

В области относительно низких мощностей (Ж < 1 МВт) суммарная площадь электродов ЛРС имеет приемлемые значения, а значения Лти и ЛЕО малы, что означает необходимость перехода к низким давлениям на входе в сопловой аппарат турбины, снижение КПД энергоустановки и увеличение удельных капиталовложений с уменьшением Ж. Обратная ситуация в области высоких Ж > 10 МВт.

РС ти ЕЛ-

Здесь весьма велики значения А , а А и А вполне приемлемы технически. Капиталовложения в ЭХГ практически пропорциональны площади электродов при уровне мощностей энергоустановок в несколько десятков киловатт и выше, т. е. удельные капвложения практически постоянны и с увеличением мощности установки снижаются незначительно. Удельные капиталовложения в паро- или газотурбинные энергоустановки с электрогенераторами при Ж > 10 МВт

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (95) 2011

существенно ниже, чем в ЭХГ и заметно снижаются с ростом W. Слишком большие значения в области W > 10 МВт (более 104 м2) существенно затрудняют создание мощных ЭХГ, сопоставимых по стоимости с энергоустановками паротурбинного или газотурбинного циклов. Соответственно, при больших W для ЭХГ капитальная составляющая стоимости электроэнергии оказывается в несколько раз выше, чем для турбоустановок.

При «холодном» сжигании водорода в топливных элементах на 1 моль водорода может быть получена работа (электроэнергия) в количестве

Ьрс = (Е2% +1,5 ЯТ 1п р)^с., (3)

где Е298 - эксергия водорода при нормальных условиях; р - давление в ЭХГ; Пр.С. - КПД топливного элемента.

В паротурбинной же энергоустановке при сжигании моля водорода в кислороде получается работа (электроэнергия)

Ьти

= (АН298 -

ЕС ' (4)

где ДН298 - энтальпия разложения воды (высшая теплота сгорания), г298 - теплота испарения воды при нормальных условиях; цЕи = Цт/Що - КПД энергоустановки.

Предполагается, что на выхлопе турбины образуется сухой насыщенный пар при Т = 298 К.

В настоящее время КПД водородных топливных элементов ПкС. в промышленных условиях составляют не более 50%, а в перспективе для высокотемпературных аппаратов может составить п™С — 6070%. Из (3) при р = 1 атм и (4) следует, что при использовании единицы массы водорода количества произведенной с использованием ЭХГ и турбоуста-новки электроэнергии сравняются Ьрс = ЬЕи при ПЕи — 0,96п^с. Коэффициенты полезного действия водородных энергоустановок паротурбинного и комбинированных циклов могут быть на 2-3% ниже и при этом топливные составляющие стоимости производимой электроэнергии для ЭХГ и водородных турбоустановок будут близки. Высокие КПД, близкие к 60%, сегодня практически достигнуты в промышленных парогазовых энергоустановках на природном газе. Водородные же энергоустановки паротурбинного и комбинированных циклов мощностью W > 10 МВт способны обеспечить производство электроэнергии с цЕи > 60%, близкими к ПгС для перспективных аппаратов [18, 19]. При одинаковой стоимости водорода топливные составляющие стоимости электроэнергии для водородных ЭХГ и турбо-установок будут близки. Следует отметить, что низкотемпературные топливные элементы с ТПТЭ эффективно работают при использовании водорода чистотой не менее 99,9% и при наличии в водороде газовых примесей их эффективность (КПД) резко снижается. В водородосжигающих же энергоуста-

новках может использоваться технический водород. Стоимость очищенного водорода существенно (более чем в 2 раза) выше, чем стоимость технического водорода, и при сравнении указанных типов энергоустановок необходимо учитывать и это различие в качестве и стоимости используемого водородного топлива и необходимость создания специальных систем очистки технического водорода при его использовании в низкотемпературных ТЭ. Экологически же эти установки практически эквивалентны. Следует также учесть, что надежность энергоустановок с ТЭ и период их безремонтной эксплуатации (ресурс) снижаются с ростом Арс. Поэтому вероятные экономические ниши для рассмотренных типов водородных энергоустановок главным образом определяются капитальными затратами, т. е., в конечном итоге, их мощностью: при W > 10 МВт более экономичны энергоустановки паротурбинного и комбинированного циклов, при W < 1 МВт могут оказаться предпочтительными энергоустановки на основе ЭХГ [28].

Таким образом, для большой энергетики водородные установки паротурбинного, комбинированного или газотурбинного циклов оказываются более предпочтительными. Ключевыми новыми элементами таких энергоустановок являются водородо-кислородные парогенераторы для паротурбинных и водородо-воздушные парогазогенераторы для газотурбинных и комбинированных [30-34].

Для автономных энергоустановок киловаттного класса мощности максимальный КПД имеют топливные элементы. Для энергоустановок на основе низкотемпературных ТЭ одной из ключевых проблем является создание систем хранения водорода и топливообеспечения, интегрированных с энергоустановкой.

Термодинамическая эффективность энергоустановок паротурбинного цикла с Н2/О2-парогенераторами

Термодинамические циклы паротурбинных энергоустановок с водородными парогенераторами рассмотрены в [18-20, 27, 28, 31, 33, 35].

Полная термодинамическая эффективность использования топлива для производства энергии определяется как

П = ПсЦк, (5)

где пс = 1_ < Тс >/< Т > - КПД термодинамического цикла установки; пк = шАИк/ш^р - КПД нагревающего устройства (парогенератора или камеры сгорания); < Т > = АИк/и < Тс > = АИс/ А?с - средние термодинамические температуры подвода и отвода тепла в цикле; Дкк, Д'к и АИс, Д'с - изменения энтальпии и энтропии рабочего тела на участках подвода и отвода тепла; ш и шв - расходы рабочего тела и топлива; qp - низшая теплота сгорания топлива.

Использование водорода в качестве топлива в паротурбинных, газотурбинных и комбинированных циклах позволяет увеличить как цс, так и щ по сравнению с энергоустановками, использующими традиционные топлива.

Таблица 1

Сравнение параметров водородо-кислородных и традиционных парогенераторов

Table 1

Comparison of hydrogen-oxygen steam generators and conventional boilers

Параметры парогенератора Водородно-кислородные парогенераторы Традиционные парогенераторы

Максимальная температура водяного пара 1000-1700 °C 500-600 °С

Способ теплообмена смешение через стенку

КПД 98-99,5% 90-94 %

Удельная мощность топочной камеры (камеры сгорания) > 2000 МВт/м3 < 0,2 МВт/м3

Материалоемкость < 2 кг/МВт > 2000 кг/МВт

Время выхода на режим < 5 с несколько часов

Выбросы отсутствуют СО2, N0*, БО и т.д.

Водород как топливо для энергоустановок имеет ряд важных особенностей: широкие концентрационные пределы воспламенения и устойчивого горения, высокие скорости распространения пламени (в 7 раз выше, чем для метана), низкие энергии активации при сгорании в кислороде и воздухе. Удельные тепловые мощности, передаваемые через сечение сопла камеры сгорания, для водорода в 1,7 раза выше, чем для метана. Эти свойства водорода позволяют обеспечить высокую стабильность работы камер сгорания в широком интервале составов топливно-окислительной композиции, относительно небольшие размеры водородных парогенераторов и их умеренную стоимость. Продукт сгорания водорода -водяной пар - при температуре окружающей среды почти полностью конденсируется, т.е. эксергия водорода как топлива может быть использована с максимальной эффективностью. Для энергетики имеет большое значение то обстоятельство, что при сгорании стехиометрической смеси водорода в кислороде образуется чистый перегретый водяной пар - рабочее тело современных паротурбинных установок. Поэтому при использовании водород-кислородных парогенераторов и паровых турбин возникает возможность реализовать перепад энтальпий водяного пара, близкий к низшей теплоте сгорания водорода.

При этом передача тепла от топлива к рабочему телу может осуществляться путем смешения продуктов сгорания (перегретого водяного пара с высокой температурой) с рабочим телом (водой или водяным паром), т.е. с минимальными потерями эксергии топлива. Максимальная допустимая температура рабочего тела в цикле при использовании Н2/О2-парогенераторов может быть повышена до 10001500 °С, а разность температур уходящих продуктов сгорания и питательной воды в цикле - уменьшена практически до 0 °С, т.е. нижняя температура цикла может быть максимально близкой к температуре окружающей среды. Сравнение парогенерирующих установок современных электростанций и Н2/О2-парогенераторов представлено в табл. 1, из которой видно, что применение Н2/О2-парогенераторов позволяет реализовать различные варианты термодинамических циклов энергоустановок с высоким КПД (Пс) и повысить эффективность использования энергоресурсов (п) (рис. 1).

" 1500 С создание нового

ш оборудования , J /

565 "Сi 'модернизация / существующего /

540 "С/ оборудования Л

-----/1 1 р г х / 1 1 Л -41 1 1 /I X 11 /■ \ 1 1 / 1 \ 1 1 / 1 V 1 / 1 \ > / 1 Of 1

1 \ 1 1 1 1 s —»

Рис. 1. Схематическая T-S диаграмма, демонстрирующая способы увеличения КПД энергоустановок с использованием водородного перегрева пара путем модернизации существующего оборудования электростанций и создания новых высокотемпературных устройств

Fig. 1. Schematic T-S diagram explaining the ways to increase efficiency of power units by hydrogen steam superheating for upgraded and new high temperature units

Вместе с тем, поскольку водород является вторичным энергоносителем, т.е. довольно дорогим топливом, рабочий цикл энергоустановок должен быть организован так, чтобы использовать его эксергию с максимальной эффективностью. Это означает, что среднетермодинамическая температура подвода тепла к рабочему телу за счет сжигания водорода должна быть максимально высокой. К настоящему времени опубликовано большое количество работ, посвященных анализу термодинамических циклов водородных паротурбинных, газотурбинных и комбинированных энергоустановок различных типов. Для высокотемпературных энергоустановок повы-

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (95) 2011

шение Пс связано, главным образом, с увеличением <Т> за счет увеличения максимальной температуры рабочего тела Ттах в цикле. Реализация таких циклов требует создания высокотемпературных паровых и газовых турбин, решения проблемы высокотемпературных материалов и ряда других сложных технических задач, установки такого типа мы называем автономными, типичная схема приведена на рис. 2. КПД автономных установок достаточно высок (60% и выше), и максимальные температуры рабочего тела в цикле Ттах существенно превышают 1000 °С (табл. 2). В то же время в автономных установках часть эксергии водорода теряется в процессах испарения воды на низкотемпературной стадии нагрева рабочего тела.

Рис. 2. Схема автономной водородной энергоустановки: 1 - парогенератор; 2 - турбина; 3 - турбогенератор; 4 - хранилище H2 и O2; 5 - ресиверы; 6 - вода; 7- конденсатор Fig. 2. Autonomous hydrogen power unit: 1 - steam generator; 2 - turbine: 3 - turbogenerator; 4 - hydrogen and oxygen storage; 5 - receivers; 6 - water; 7 - condenser

Таблица 2

Параметры автономных водородных энергоустановок

Table 2

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Parameters of autonomous hydrogen power unit

Давление, МПа Температура, °С КПД, %

5 900 53,7

1000 55,3

10 900 57

1000 59,1

1100 60

1200 62,8

20 1100 63,15

1200 64,9

вляется испарение и предварительный перегрев пара, водородные же парогенераторы используются только в высокотемпературной области цикла как перегреватели и промежуточные перегреватели пара. Такие технологии использования водорода на электростанциях были предложены специалистами ИВТАН еще в 70-80-х годах прошлого века и отражены в докладе Комиссии АН СССР «Основные проблемы водородной энергетики» (Изд. ИВТАН, 1978 г.) и последующих публикациях [17-20]. Водородные энергоустановки такого типа называются присоединенными (рис. 3). В этом случае увеличение <Т> в «водородной» части цикла связано, главным образом, с увеличением начальной температуры перегрева и отчасти с увеличением максимальной температуры цикла, а потери эксергии водорода на испарение воды минимальны. Увеличение же КПД цикла связано как с ростом <Т>, так и с увеличением расхода пара в проточной части турбины. В этом случае при максимальной температуре цикла Ттах < 1000 К относительная доля пара из Н2/О2-парогенератора в общем расходе пара на турбину не превышает 5% [19].

От этого недостатка свободны энергоустановки, использующие два источника нагрева рабочего тела. В низкотемпературной части цикла в парогенераторах, использующих более дешевые топлива, осущест-

Рис. 3. Схема присоединенной водородной энергоустановки:

1 - парогенераторы; 2 - турбина; 3 - турбогенератор; 4 - подача H2 и O2; 5 - хранилища; 6 - ресиверы; 7 - подача

N2; 8 - вода; 9 - конденсатор; 10 - парогенератор ЭС Fig. 3. Connected hydrogen power unit: 1 - steam generators; 2 - turbine: 3 - turbogenerator; 4 - hydrogen and oxygen feed;

5 - gas storage; 6 - receivers; 7 - nitrogen feed; 8 - water;

9 - condenser; 10 - main boiler of power plant

Для автономных водородных энергоустановок эффективность использования водорода определяется полным КПД цикла Пн2 = П = ПкПс. Для присоединенных - дополнительной работой, полученной в результате водородного перегрева пара, отнесенной к теплоте сгорания затраченного водорода.

И в том и в другом случае эффективность использования водорода как топлива может достигать 60%, однако для присоединенных энергоустановок необходимая для этого максимальная температура цикла оказывается существенно ниже, чем для автономных, что позволяет использовать существующую сегодня паротурбинную технику при ее небольшой модификации.

Рис. 4. Схема организации водородного перегрева пара на электростанции: 1 - котел; 2 - водородный парогенератор;

3 - турбина; 4 - турбогенератор; 5 - конденсатор Fig. 4. Hydrogen steam superheating at power plant: 1—boiler; 2 - hydrogen steam generator; 3 - turbine: 4 - turbogenerator; 5 - condenser

Являясь универсальными и компактными устройствами, Н2/О2-парогенераторы позволяют реализовать разнообразные термодинамические циклы преобразования энергии с использованием современной

и перспективной паротурбинной техники. При их использовании практически снимаются ограничения на температуру перегретого пара, определяемые материалами котельных агрегатов и паропроводов (540-560) °С, и оказывается возможной модернизация существующих энергоустановок (рис. 4), позволяющая полностью реализовать резервы мощности имеющегося оборудования, повысить КПД энергоустановок и снизить удельные расходы теплоты на выработанный киловатт-час электроэнергии. Например, турбогенераторы турбин К-160-130, К-200-130, К-300-240 и ряда других имеют запас по номинальной и максимальной мощности ~ 10%, т.е. модернизация энергоустановки с целью повышения мощности на ~ 10% за счет повышения температуры перегрева пара от 540 °С до 565 °С и его расхода может осуществляться с минимальными затратами путем включения в схему Н2/О2-парогенератора как надстройки к турбине, а сами турбина и турбогенератор могут оставаться без изменений (табл. 4). При этом удельные расходы теплоты топлива снижаются на (1,2-1,3)%. Расчетные исследования термодинамической эффективности паротурбинных энергоустановок различных типов (новых высокотемпературных и модернизируемых существующих) с Н2/О2-парогенераторами показывают, что эффективность использования водорода для производства электроэнергии в таких установках может превышать 60% [18, 19, 28, 33-35].

Таблица 3

Модернизация энергоблока на базе турбины K-200-130 с водородным перегревом пара

Table 3

Modernization of power unit on the base of K-200-130 turbine by hydrogen steam superheating

Эффект водородного перегрева пара Увеличение расхода пара и перегрев с 540 до 565 °C

Расход Н2/С2(газ), тыс. нм3/ч 11,5/5,82

Дополнительная мощность МВт 20,1

Удельное теплопотребление при производстве ЭЭ, г.у.т./кВтч 262

КПД без водородного перегрева, % 40,3

КПД с водородным перегревом, % 42,3

КПД использования водорода, % 57,5

*Параметры электростанции: паропроизводство - 640 т/ч, мощность - 200 МВт, Р = 130 атм, T = 540 °C, удельное теплопотребление при производстве ЭЭ - 275 г у.т./кВтч

Водородо-кислородные парогенераторы могут быть использованы при создании водородных систем аккумулирования энергии и покрытия неравномерности графика нагрузки на ЭС. В такой системе основной парогенератор работает в базовом режиме (с максимальным КИУМ и минимальными удельными выбросами), в часы провала графика нагрузки осу-

ществляется наработка Н2 и О2 путем электролиза воды, а в часы пика - получение добавочной мощности в присоединенной энергоустановке с Н2/О2-парогенератором за счет сжигания накопленного водорода в кислороде и дополнительного перегрева и увеличения расхода пара перед цилиндрами высокого (ЦВД) и/или среднего (ЦСД) давления турбины.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (95) 2011

Эффективность современных электролизеров составляет ~ 75%, а перспективных, образцы ячеек которых сегодня созданы, превышает 85%. Таким образом, коэффициент рекуперации электроэнергии в такой системе при современной технике может составить (40-45)%, а в перспективе - до 60%. Эти значения меньше, чем достигается в ГАЭС (>70%), но экономичность ГАЭС резко снижается на равнинных территориях и по удельным капиталовложениям (более 35000 руб./кВт) ГАЭС существенно превосходит капиталовложения в водородную аккумулирующую надстройку к тепловым ЭС (около 15 тыс. руб./кВт пиковой мощности при числе часов работы в году порядка 300). Поэтому водородные системы аккумулирования электроэнергии на АЭС и ТЭС имеют преимущества для равнинных местностей. Суммарные капвложения в водородные аккумулирующие надстройки к ТЭС (включая электролизное оборудование и системы хранения компонентов) при их числе часов работы в году ~ 300-400 приводят к увеличению капвложений в АЭС и ТЭС не более чем на 10-15% по оценкам различных авторов, а капиталовложения в ГАЭС (особенно для равнинных территорий) существенно превышают капиталовложения в ТЭС. Экономическая эффективность пиковых энергоустановок определяется главным образом капиталовложениями, поэтому относительно дешевые водородные пиковые надстройки к ТЭС в ряде случаев оказываются более эффективными, чем ГАЭС, несмотря на то, что водородное топливо по стоимости существенно превосходит природные [27, 28].

Присоединенные Н2/О2-парогенераторы при их использовании на модернизируемых или вновь создаваемых АЭС позволяют наиболее эффективно реализовать давнюю идею о дополнительном перегреве пара перед турбиной с целью повышения КПД. Поскольку парогенераторы АЭС производят слабоперегретый или насыщенный пар, включение в схему Н2/О2-парогенератора позволяет осуществить заданный перегрев пара, повысить КПД, сократить затраты на сепараторы пара и заменить турбины на насыщенном паре на более эффективные и надежные турбины на перегретом паре.

Весьма перспективно использование систем водородного перегрева влажного пара на ГеоТЭС с заменой влажнопаровых турбин на турбины на перегретом паре. В этом случае затраты электроэнергии на разложение воды перекрываются увеличением ее производства за счет более высокого КПД турбины на перегретом паре, и полный КПД ГеоТЭС с учетом затрат энергии на электролиз возрастает на 3-5%, а стоимость электроэнергии для потребителя может быть снижена на 6-7% [35, 36].

В энерготехнологических схемах, обеспечивающих комплексное использование энергоресурсов на химических и нефтехимических предприятиях, Н2/О2-парогенераторы могут найти применение не только в автономных системах их энергообеспечения, но и в качестве источников высокотемператур-

ного пара в технологических процессах. Такие схемы анализировались многократно, и основные результаты этих проработок показывают, что при комплекси-ровании производства электроэнергии, водорода и другой химической продукции (аммиак, метанол, нефтепродукты) можно заметно снизить себестоимость электроэнергии и химической продукции и увеличить прибыль предприятия [17-20].

Таким образом, разработки и создание новых ключевых элементов водородных энергоустановок паротурбинного цикла - водородо-кислородных парогенераторов позволяют решить большой комплекс задач развивающейся энергетики.

Разработки водородо-кислородных парогенераторов для перспективной энергетики

Лабораторией водородных энергетических технологий ОИВТ РАН в кооперации с ОАО «Конструкторское бюро химавтоматики» и ФГУП «Центр Келдыша» выполнены цикл исследований процессов и разработка и создание экспериментальных образцов новых ключевых элементов водородных энергоустановок паротурбинного цикла - водородо-кислород-ных парогенераторов.

При разработках Н2/О2-парогенераторов используется богатый опыт создания жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) и высокотемпературных газогенераторов [34, 37]. Вместе с тем необходимо решить ряд новых сложных научно-технических задач. В отличие от ЖРД, для Н2/О2-пароге-нераторов характерны сложные нелинейные связи между расходами топлива и окислителя и балласти-ровочной воды, которая одновременно является теплоносителем и обеспечивает охлаждение и тепловую стабилизацию огневого блока установки. Поскольку Н2/О2-парогенератор должен давать возможность работы турбоустановок на переменных режимах в широком интервале мощностей, обеспечивая заданные расходы, температуры (до 1200 °С) и давления (до 70-100 атм) пара при общем ресурсе более 10000 час, проблемы согласования расходов компонентов и охлаждающей воды становятся весьма сложными и требуют нетривиальных подходов при их решении. Особая задача - обеспечение высокой полноты сгорания топлива (выше 98%) при стехиометрическом составе и подавление эффектов «закалки» состава компонентов в камерах сгорания и смешения с целью обеспечения безопасности энергоустановки. Важнейшая проблема - разработка систем топливообеспечения, управления и диагностики. Поскольку процессы смешения компонентов, турбулентного горения и генерации пара в камерах сгорания и блоке испарения и смешения различной размерности существенно различаются, экспериментальные исследования необходимо выполнять с использованием экспериментальных образцов аппаратов тех классов мощности, которые предполагается использовать в энергетике. В целом

по сложности решаемых задач и по их объему создание эффективных и недорогих Н2/О2-парогенера-торов приближается к аналогичным разработкам новых водородных ракетных двигателей и связано с выполнением большого объема экспериментальных исследований, опытно-конструкторских работ и испытаний экспериментальных устройств.

Водородо-кислородные парогенераторы по их концепции можно разделить на несколько типов. В соответствии со схемами подачи в камеру сгорания (КС) топлива и окислителя: жидкость - жидкость (ЖЖ), жидкость - газ (ЖГ), газ - жидкость (ГЖ) и газ - газ (ГГ). В соответствии со схемами подачи агента, охлаждающего стенки КС и блока испарения и смешения (БИС), и введения балластировоч-ного компонента в БИС могут быть рассмотрены схемы: вода - вода - вода (ВВВ), вода - вода - пар (ВВП), вода - пар - пар (ВПП). С термодинамической точки зрения наиболее эффективными являются схемы газ - газ и вода - пар - пар (ГГ - ВПП). Однако в этом случае проблемы охлаждения основных узлов ПГ и конструктивные решения оказываются наиболее сложными. Поэтому на первом этапе работ целесообразно использовать наиболее простую и отработанную в технологии водородных жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) схему ГЖ для камеры сгорания и общую концепцию ГЖ -ВВВ с переходом на последующих этапах работ к более сложным схемам: ГГ - ВВВ и ГГ - ВВП. Выбор давления в КС и температуры и давления пара на срезе БИС определяется назначением парогенератора и схемой его включения в энергоустановку. При использовании ВПГ для промежуточного перегрева пара, отработавшего в цилиндре высокого давления, перед цилиндром среднего давления турбины оптимальные значения давления пара на срезе БИС составляют 6-7 МПа, а температуры - от 700 до 1200 К. Эти параметры и приняты в качестве проектных при разработке экспериментальных парогенераторов мегаваттного класса мощности.

ЛВЭТ ОИВТ РАН и кооперацией разработаны и созданы экспериментальные огневые блоки Н2/О2-парогенераторов высокого давления тепловой мощ-

ностью от 20-100 кВт до 10-25 МВт, проведены их успешные испытания и выполнен комплекс экспериментальных исследований процессов с их использованием.

На первом этапе работ специалистами ОИВТ РАН и ФГУП «Центр Келдыша» разработаны основные элементы и созданы экспериментальные образцы Н2/О2-парогенераторов тепловой мощностью 20100 кВт - модель 20К и 10-18 МВт - модель 10М (работающая по схеме ЖГ-ВВВ) с соосно-струй-ными форсунками подачи компонентов и оригинальной системой зажигания - запальным устройством в виде форкамеры [32, 38-40] (рис. 5). Получение рабочего тела в экспериментальном парогенераторе осуществляется в два этапа. Первый этап реализуется в камере сгорания при давлении 7,0 МПа. В результате реакции кислорода и водорода в стехиометриче-ском соотношении (К = 7,937) образуется высокотемпературный теплоноситель (Т = 3600 К). При стехио-метрическом соотношении температура продуктов сгорания максимальна, а их состав включает молекулярные газы Н2О, О2, Н2, активные частицы и атомы. Продолжительность пребывания исходных компонентов в камере должна быть достаточной для полного сгорания топлива. Второй этап реализуется в блоке испарения и смешения (БИС). Здесь в поток продуктов сгорания впрыскивается определенное количество балластировочного компонента - воды - и осуществляется эффективное смешение компонентов. В результате на срезе БИС образуется пар с заданными температурой и давлением. Отличительной особенностью энергетических ВПГ являются большие значения массовой доли балластировочного компонента С > 0,65, необходимые для получения заданных параметров пара на срезе БИС.

При равновесном протекании процессов, температуре до 1600 К и давлении 7,0 МПа на срезе БИС рабочее тело состоит практически только из водяных паров (Н2С > 99,98%). С изменением условий и количества впрыскиваемой жидкости все газодинамические параметры рабочего тела на выходе из парогенератора будут меняться.

Нг Вода для /пленочного * охлаждения - » стенок КС

Вода или

низкотемпературный пар

Пар

Камера сгорания

, необходимых параметров

Камера испарения

Рис. 5. Водородо-кислородный парогенератор тепловой мощностью 10-18 МВт Fig. 5. Hydrogen-oxygen steam generator of 10 - 18 MW thermal capacity

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (95) 2011

Впрыск воды в блок испарения и смешения может осуществляться сосредоточенно (т. е. в одном сечении камеры испарения) или распределенно (в нескольких сечениях или по всей длине камеры испарения). В первом случае конструктивные решения наиболее просты и условия полного испарения могут быть реализованы при меньшей полной длине БИС. Однако такое решение характеризуется резкими не-однородностями температуры и состава рабочего тела по длине камеры испарения. Во втором случае конструктивные решения оказываются более сложными и зона испарения увеличивается (т.е. увеличивается необходимая длина БИС), но изменения температуры и состава рабочего тела по длине камеры испарения являются менее резкими.

При сосредоточенном впрыске в зону высокой температуры камеры испарения большого количества воды она может достаточно быстро испариться, поглотив значительное количество тепла. Температура смеси при этом резко уменьшится, что приведет к нарушению химического равновесия - «закалке» состава смеси. Состав смеси в камере испарения будет отличаться от равновесного в сторону увеличения количества двухатомных газов (Н2, О2) (аналогичный эффект возникает при подаче в зону горения низкотемпературного пара). При меньших неодно-родностях температуры и достаточном времени пребывания двухфазного потока в камере испарения конечный состав рабочего тела в большей степени соответствует идеальному равновесному термодинамическому процессу и содержит практически одни пары воды (Н2О > 99,97%). Такой процесс может быть реализован при относительно небольшом сосредоточенном впрыске или при распределенных системах впрыска воды.

Результаты испытаний модели 10М показали, что сосредоточенный впрыск воды может применяться при О < 0,7, что соответствует температуре пара

на выходе выше 1300-1400 К. При более низких требуемых температурах пара и, соответственно, больших О целесообразно использовать распределенные системы впрыска балластировочной воды.

При применении водородо-кислородных парогенераторов для промежуточного перегрева пара сосредоточенный впрыск воды при gH 0 < 0,7-0,6 целесообразен в том случае, если в энергоустановке БИС совмещается с дополнительной камерой смешения (ДКС), в которую подается пар, отработавший в цилиндре высокого давления турбины. В этом случае основная масса пара перегревается в ДКС, на выходе из которой параметры пара соответствуют, например, Т = 565 °С и р = 6-7 МПа. В таких схемах процессы «закалки» не будут играть определяющей роли и общая эффективность парогенератора возрастет.

Испытания парогенераторов моделей 10М и 20К и исследования процессов генерации пара были проведены на стенде РНЦ «Прикладная химия» для испытаний водородных ЖРД [32, 40]. В результате

этих исследований подтверждена возможность создания Н2/О2-парогенераторов на основе концепции ИВТАН, установлены ограничения для системы сосредоточенного впрыска воды, связанные с эффектами закалки компонентов, отработаны основные элементы циклограмм запуска, переменных режимов и останова. В результате многочисленных пусков отработана конструкция запального устройства [39].

С использованием этих результатов разработаны и созданы экспериментальные Н2/О2-парогенераторы моделей 25М и 100К тепловой мощностью до 25 МВт и 150 кВт с усовершенствованными смесительными элементами, запальным устройством, камерами сгорания и другими элементами [33, 34, 41-48] (рис. 6 и 7). Парогенераторы модели 25М и 100К работают по схеме топливообеспечения газ-газ. Для проведения экспериментов созданы системы топливообеспече-ния, диагностики и управления экспериментом с соответствующим матобеспечением и разработаны циклограммы опытов.

Рис. 6. Водородо-кислородный парогенератор 25М на огневом стенде Fig. 6. Hydrogen-oxygen steam generator 25 M at fire test bench

Рис. 7. Водородо-кислородный парогенератор 100К Fig. 7. Hydrogen-oxygen steam generator 100K

Рис. 8. Экспериментальные результаты огневых испытаний парогенератора 25М Fig. 8. Experimental results of hydrogen-oxygen steam generator 25 M fire tests

Современный этап исследований и разработок выполняется ЛВЭТ ОИВТ РАН в кооперации с ОАО «КБ Химавтоматики», экспериментальные исследования и испытания парогенераторов выполняются на стендах ОАО КБХА [41, 42]. В отличие от модели 10М в опытах с парогенератором модели 25М использованы как струйно-струйные смесительные элементы, так и соосно-струйные специальной конструкции и распределенный впрыск воды (два каскада), что позволило разработать конструктивные решения, обеспечивающие высокую полноту сгорания топлива и уменьшение влияния эффектов закалки состава. Содержание неконденсирующихся газов (Н2 и О2) на выхлопе парогенератора модели 25М с оптимизированными смесительными головками не превышало 2% (об.), а время выхода на расчетный режим при запуске из холодного состояния не превышает 10 с и может быть сокращено до 5-6 с путем изменения циклограммы процесса и модификации системы топливообеспечения (рис. 8). Исследования с различными типами смесительных элементов (4 варианта) позволили разработать технические решения, обеспечивающие как тепловую устойчивость элементов конструкции, так и высокую полноту сгорания в длительных опытах. С использованием Н2/О2-парогенератора модели 25М специалистами ОАО КБХА создана и испытана модельная энергоустановка мощностью 5 МВт на основе одноступенчатой осевой турбины, предназначенная для исследований особенностей системной интеграции Н2/О2-парогенераторов с турбоустановками [34]. Время выхода на номинальный режим из холодного состояния для этой установки составило менее 10 с. Короткие времена выхода на режим водородных парогенераторов и турбоустановок делают их весьма перспективными для покрытия остропиковых нагрузок в системах энергообеспечения и создания резервных и аварийных источников энергии для АЭС и ТЭС. В опытах с экспериментальными Н2/О2-мини-парогенераторами моделей 20К и 100К отработаны различные технические решения по схемам охлаж-

дения огневого блока, смесеобразованию, работе на переменных режимах [32, 33, 43, 45, 46, 49, 50]. В настоящее время этап НИР в исследованиях и разработках Н2/О2-парогенераторов киловаттного и мега-ваттного классов мощности близок к завершению и создана научно-техническая и материальная база для перехода к стадии ОКР-ОТР.

Ожидаемый народно-хозяйственный эффект от создания и использования водородных систем аккумулирования электроэнергии в большой энергетике и для автономных систем энергообеспечения складывается из следующих составляющих:

- увеличения КИУМ АЭС до 0,9, что приведет к снижению капитальной составляющей в себестоимости электроэнергии не менее чем на 10%;

- снижения удельных капиталовложений в создание маневренных мощностей на ~ 20000 руб./кВт по сравнению с прогнозируемым решением этой задачи за счет строительства новых ГАЭС, что при введении (2-5) ГВт водородных систем аккумулирования энергии в европейской части РФ к 2030 г. приведет к экономии суммарных капиталовложений как минимум на (40-100)-млрд руб.;

- снижения потребления электроэнергии автономными потребителями, имеющими ресурсы водорода как побочного продукта, за счет создания автономных систем энергообеспечения предприятий (при мощности энергоустановки 10 МВт это соответствует экономии более 200 млн руб./год и сроку окупаемости энергоустановки менее 2 лет);

- повышения надежности энергообеспечения за счет создания аварийных и резервных систем энергообеспечения и снижения потерь у потребителей, связанных с аварийными отключениями от сетей;

- повышения КПД и уменьшения удельных выбросов угольных ТЭС за счет обеспечения возможности их работы в наиболее экономичном и безопасном базисном режиме с КИУМ более 0,65;

- повышения качества продукции и снижения удельного электропотребления у потребителей электроэнергии за счет повышения качества электроэнергии в сетях;

- экономии природного газа в энергетическом секторе за счет внедрения водородоаккумулирую-щих энергоустановок, использующих «провальную» электроэнергию от АЭС и угольных ТЭС.

Учитывая необходимость создания и введения в эксплуатацию к 2030 г. около 10 млн кВт маневренных мощностей и возможности решения этой задачи путем создания наряду с новыми ГАЭС относительно дешевых водородоаккумулирующих электрических станций (ВАЭС), обеспечивающих производство пиковых и полупиковых мощностей на уровне 10% от мощности ЭС без создания новых типов турбин, можно оценить объем перспективного внутреннего рынка разрабатываемой новой техники в 25 ГВт установленной мощности к 2030 г. Автономные и резервные водородные паротурбинные энергоустановки мощностью 3-5 МВт(э) уже сегодня вос-

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (95) 2011

требованы предприятиями, имеющими водород в качестве побочного продукта, и их выход на рынок не зависит от темпов реализации программы строительства АЭС и угольных ТЭС на ССКП в европейской части России. Поэтому выход на рынок при обеспечении необходимого финансирования ОКР и успешном завершении работ можно прогнозировать на 20-е годы текущего столетия, а организацию опытно-промышленного мелкосерийного производства - на уровне 2014-2015 гг. [34].

Металлогидридные технологии водородного аккумулирования энергии в автономных системах энергообеспечения

Одной из основных трудностей в создании энергетических установок для решения задач энергообеспечения автономных потребителей теплом и электроэнергией за счет возобновляемых энергоресурсов является несогласованность графиков подвода и потребления энергии. Неравномерный характер режимов работы ветровых и солнечных энергоустановок требует создания системы аккумулирования энергии, позволяющей удовлетворять нужды потребителя по необходимому ему графику нагрузки. Одним из перспективных путей решения этой задачи является использование водородных систем аккумулирования [51-53]. В этом случае водород производится электролизом воды за счет электроэнергии от ВИЭ, аккумулируется в системе хранения и используется для производства электроэнергии по необходимому потребителю графику в топливных элементах или других энергоустановках (например, дизельгенераторах). При использовании в автономных системах низкотемпературных топливных элементов может оказаться необходимой доочистка водорода. В настоящее время созданы весьма эффективные электролизеры на повышенные давления с энергозатратами 4,2-4,4 кВтч/нм3 [52], и основные научно-технические барьеры связаны с созданием энергоэффективных систем очистки и хранения водорода, интегрированных с топливными элементами.

Среди разрабатываемых новых технологий и устройств очистки и хранения водорода для автономной энергетики наиболее экономически приемлемыми и безопасными могут стать устройства и системы, основанные на использовании обратимых металлогидридов - интерметаллических соединений (ИМС), способных избирательно и обратимо поглощать водород [15, 54, 55]. При этом основная масса водорода в системе находится в связанном твердофазном состоянии, что обеспечивает повышенную безопасность при эксплуатации. Водород поглощается ИМС с отводом тепла и выделяется при нагреве, причем большой тепловой эффект реакции обеспечивает весьма сильную зависимость равновесного давления водорода над сплавом от температуры - для низкотемпературных систем оно

может изменяться от долей атмосферы до величины порядка 10 атм при изменении температур от 20 °С до 80-90 °С. Это позволяет обеспечить проведение процессов поглощения и выделения водорода за счет имеющихся в системе энергообеспечения ресурсов горячей и холодной воды и осуществить безмашинное компримирование газообразного водорода за счет использования низкопотенциального тепла. Поскольку ИМС избирательно поглощают только водород, в циклическом процессе сорбции/десорбции осуществляется очистка водорода от примесей. Для низкотемпературных гидридов ИМС весовое содержание водорода в металлогидридах относительно невелико (1-2%), но объемная плотность (более 75 кг Н2/м3) превышает плотность жидкого водорода. По низшей теплоте сгорания водорода плотность аккумулированной энергии составляет более 2,5 МВт-ч в 1 м3 среды хранения. Для стационарных автономных систем энергообеспечения компактность устройств, простота эксплуатации и безопасность часто имеют более важное значение, чем их вес. Поэтому металлогидридные системы очистки и хранения водорода на основе низкотемпературных гидридов весьма перспективны для создания систем аккумулирования энергии для стационарных энергоустановок, в том числе на основе ВИЭ. В связи с большим тепловым эффектом сорбции-десорбции металлогидридный аккумулятор водорода является одновременно и аккумулятором тепловой энергии, что позволяет наиболее рационально организовать систему теплообеспече-ния потребителей, утилизации тепловых потерь и аккумулирования тепловой энергии. Это может оказаться дополнительным преимуществом таких систем для условий России [53].

Разрабатываемые сегодня энергоустановки на основе низкотемпературных топливных элементов с твердополимерным электролитом (ТПТЭ) используют водород высокой чистоты (99,8% и выше), который значительно (в несколько раз) дороже водорода с примесями. Создание металлогидридной системы хранения и очистки водорода, интегрированной с энергоустановкой, позволяет повысить КПД и ресурс энергоустановок с ТПТЭ и использовать водород с примесями в качестве исходного топлива. Например, при работе энергоустановки с ТПТЭ мощностью 5 кВт и КПД ~ 55% расход потребляемого чистого водорода составляет около 3 нм3/ч. Интегрированная с энергоустановкой метал-логидридная система хранения и очистки водорода до 99,99% будет содержать 15-20 кг поглощающего сплава, и удельные капвложения в нее составят около 10% от капиталовложений в собственно энергоустановку с ТПТЭ. Период окупаемости этой системы определяется различием стоимостей технического и особо чистого водорода и составляет при непрерывной работе менее года. При этом потребление тепла в процессах десорбции водорода (и мощность охлаждения при сорбции) составляет

около 1,5 кВт(т), что в 1,5 раза меньше тепловых потерь в мембранно-электродном блоке. Это дает принципиальную возможность регенерации тепловых потерь и повышения полного КПД энергоустановки с ТПТЭ при использовании низкотемпературных металлогидридов.

Создание эффективных автономных энергоустановок с интегрированными системами аккумулирования водорода и тепловой энергии является весьма сложной задачей в связи с наличием нелинейных связей между потоками энергии и массы в их отдельных элементах. Для таких систем необходима оптимизация как схемы автономной энергоустановки в целом, так и режимов работы ее агрегатов, исходя из графиков электрической и тепловой нагрузки конкретных потребителей. Понятно, что результатом оптимизации будет изменение как температурных уровней отвода (подвода) тепла от отдельных агрегатов, так и самих значений отводимых (подводимых) тепловых потоков. Это, в свою очередь, может привести к необходимости изменения режимов работы агрегатов и модификации их систем теплообмена, а также определяет необходимые физико-химические характеристики водородопоглощающих материалов. Расчеты энергетического баланса таких систем для условий средней полосы РФ показывают, что при использовании тепловых потерь от электролизера и топливного элемента для теплообеспечения металло-гидридных реакторов в процессах десорбции и ком-примирования водорода может быть осуществлена их эффективная регенерация, и полная эффективность использования энергии первичных ВИЭ может достигать 60%, а коэффициент рекуперации электроэнергии - 35-40% [53].

Разработка эффективных металлогидридных систем хранения и очистки водорода для энергоустановок на основе низкотемпературных топливных элементов связана с решением ряда новых научных и технических проблем. В активированном состоянии металлогидриды в реакторах сорбции/десорбции водорода являются мелкодисперсным порошком с характерными размерами частиц примерно 1-10 мкм с низкой эффективной теплопроводностью среды (0,1-1 Вт/м-К), зависящей от давления водорода и концентрации поглощенного водорода частицами сплава. Реакция сорбции/десорбции водорода сопровождается большим тепловым (20-50 кДж/моль Н2) и объемным эффектами. Основным лимитирующим процессом, определяющим эффективность работы металлогидридных реакторов, является тепломассо-перенос в металлогидридной засыпке при сорбции/десорбции. Строгая теория тепломассообмена в мелкодисперсных средах при наличии фазовых превращений и реакции сорбции/десорбции, учитывающая размерные и масштабные эффекты, в настоящее время отсутствует. В этой связи важнейшими задачами становятся экспериментальные исследования процессов тепломассопереноса в реакторах и разработка эффективных методов их математического

моделирования и инженерных методик оптимизации конструктивных решений.

Другой, не менее важный класс научных и технических задач связан, как отмечено выше, с разработкой эффективных технологий системной интеграции металлогидридных устройств для хранения и очистки водорода с энергоустановкой на основе ТПТЭ с учетом требований потребителей энергии (график потребления, требуемая электрическая и тепловая мощность), а также с источниками водорода (электролизер) и первичной энергии (ветровые и солнечные энергоустановки). Экспериментальные исследования этих проблем возможны только с использованием модельных интегрированных систем, включающих основные новые элементы системы топливообеспечения автономных энергоустановок, топливные элементы киловаттного класса мощности и потребителей электроэнергии.

Исследования тепловых процессов и разработка металлогидридных систем очистки и хранения водорода в ЛВЭТ ОИВТ РАН

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Программа исследований процессов в металло-гидридных устройствах сформирована в ЛВЭТ ОИВТ РАН, исходя из задач создания систем очистки и хранения водорода, интегрированных с коммерческой энергоустановкой на основе низкотемпературного твердополимерного топливного элемента киловаттного класса мощности. В реальных условиях потребителем в соответствии с графиком потребления энергии задаются режимы работы преобразователя тока и топливного элемента, которыми определяются расходы и давление водорода на входе в ТЭ и необходимые режимы работы металло-гидридных реакторов хранения и очистки водорода, а следовательно - требуемые характеристики ИМС (РСТ-диаграммы) и систем теплообмена (рис. 9). Программой работ ЛВЭТ предусматриваются: разработки новых водородопоглощающих материалов и измерения их РСТ-диаграмм в интервалах температур 10-150 °С при давлениях до 10 МПа, включая исследования масштабных эффектов, исследования процессов тепломассообмена в металлогидридных засыпках реакторов и их математическое моделирование при работе на чистом водороде и на водороде с примесями неабсорбируемых газов при температурах 10-100 °С и давлениях до 3-5 МПа, разработка и оптимизация конструктивных решений и создание экспериментальных металлогидридных реакторов, их испытания, исследования и разработка технологических процессов очистки водорода, исследования проблем системной интеграции и создание демонстрационной модульной металлогид-ридной системы очистки и хранения водорода производительностью до 5 нм3/ч и емкостью более 10 нм3 для энергоустановки на основе ТПТЭ мощностью до 5 кВт.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (95) 2011

Рис. 9. Схема работы твердофазной системы хранения и очистки водорода Fig. 9. Flow chart of solid state hydrogen storage and purification system

Рис. 10. Комплексный экспериментальный стенд 12-04 ОИВТ РАН: 1 - металлический вентилируемый водородный бокс; 2 - 5 кВт энергоустановка на базе топливного элемента; 3 - система газоподачи; 4 - система контроля и диагностики. Внутри бокса 1: 5 - система предварительной очистки водорода; 6 - блок тонкой металлогидридной очистки; 7 - металлогидридный реактор РХО-3 в составе блока тонкой очистки; 8 - металлогидридный реактор хранения водорода РХ-1; 9 - газовый хроматограф Fig. 10. IJHT RAS complex test facility 12-04: 1 - metallic ventilated box for hydrogen equipment; 2 - 5kW PEM fuel cell power unit; 3 - gas supply system; 4 - controls and diagnostics. Inside the box: 5 - preliminary hydrogen purification; 6 - metal hydride hydrogen purification unit; 7 - metal hydride hydrogen storage and purification reactor RSP-3 as a part of the metal hydride hydrogen purification unit; 8 - metal hydride hydrogen storage reactor RS-1; 9 - gas chromatograph

Для экспериментальных исследований процессов в металлогидридных системах и проблем системной интеграции металлогидридных устройств с ТПТЭ в лаборатории создан комплексный экспериментальный стенд в таком составе: система подачи водорода -система предварительной очистки водорода (каталитический дожигатель О2 и СО, осушитель газа) - ме-таллогидридная система тонкой очистки Н2 производительностью до 5 нм3/ч - металлогидридная система хранения Н2 емкостью до 12 нм3 и подачи его в топливный элемент - коммерческий топливный элемент мощностью до 5 кВт - преобразователь тока - модельный потребитель с переменной мощностью от 0,5 до 5 кВт (рис. 10). Стенд полностью автоматизирован, система диагностики и управления экспериментом позволяет проводить измерения всех параметров, характеризующих работу как отдельных агрегатов, так и системы в целом: расходов и состава водорода, распределения температур в металлогидридной засыпке и давления водорода в реакторах, температуры и расхода охлаждающей и нагревающей воды на входе и выходе в узлах системы теплообмена, тока, напряжения и мощности в узлах электрической системы и т.д. Стенд позволяет проводить экспериментальное моделирование интегрированных систем энергообеспечения на основе ТЭ с металлогидридными реакторами различных типов, разработанными в ЛВЭТ, и с водородом различного состава - как чистым, так и содержащим примеси неабсорбируемых газов.

Исследования свойств водородопоглощающих материалов проводятся методом Сиверса на установке УС150, позволяющей выполнять измерения с различными объемами материалов - от 10 до 200 см3, т.е. исследовать масштабные эффекты в свойствах поглощающих материалов. Измерения эффективной теплопроводности мелкодисперсной засыпки ИМС выполняются методом регулярного теплового режима

при различных давлениях неабсорбируемых газов, заполняющих поровое пространство. Эти данные позволяют при разработке математических моделей тепловых процессов в ректорах свести к минимуму число подгоночных параметров, обеспечивающих соответствие результатов расчетов и экспериментов. Для использования в разрабатываемых в ОИВТ РАН метал-логидридных устройствах в Лаборатории энергоемких и каталитически активных веществ Химфака МГУ создана серия интерметаллических сплавов типа АВ5 [56-57].

процессов в металлогидридных средах, разработанная и реализованная в ЛВЭТ, предусматривает возможность инструментального ограничения и стабилизации максимальных потоков водорода в реактор на заданном уровне [58-60]. Это позволяет установить зависимость распределения температур в ме-таллогидридной засыпке от времени и количества поглощенного водорода при различных режимах работы реактора, исследовать основные факторы, определяющие динамические характеристики реакторов, и оптимизировать их конструктивные решения для различных применений [61-64]. Впервые детально исследованы кризисные эффекты в тепломассообмене в металлогидридной засыпке - изменение закона теплообмена при увеличении температуры засыпки за счет теплового эффекта сорбции до значения, соответствующего равновесному при давлении водорода в реакторе [64, 65] (рис. 12).

Рис. 11. Металлогидридный реактор РХО-1: 1 - герметичный прочный корпус с жидкостным теплообменником; 2 - металлогидридный модуль с проницаемыми стенками; 3 - металлогидридный картридж; 4 - крышка; 5 - засыпка водородопоглощающего материала Fig. 11. Metal hydride hydrogen storage and purification reactor RSP-1: 1 - hermetic robust case with liquid heat exchanger;

2 - metal hydride module with permeable walls; 3 - metal hydride cartridge; 4 - cover; 5 - metal hydride bed

Исследования тепловых процессов в засыпках водородопоглощающих материалов проводились на созданном в Лаборатории экспериментальном реакторе РХО-1 с внешней водяной рубашкой для охлаждения или нагрева, содержащем 4 кольцевых цилиндрических картриджа с пористыми стенками, заполненных 4,7 кг сплава (рис. 11). В реакторе предусмотрен большой свободный объем, что позволяет проводить измерения как с чистым водородом, так и в присутствии неабсорбируемых газовых примесей в широком интервале режимных параметров и составов газа, ограничиваемом предельным насыщением всего объема сплава водородом [58-60]. Экспериментальные исследования процессов тепломассоперено-са в металлогидридных мелкодисперсных средах при сорбции/десорбции водорода выполнены с использованием сплава Р9 состава Мшо,8Ьао,2№4,1ре0,8А1о,ь для которого равновесное давление водорода над сплавом при содержании Н2 ~ 0,5-0,7% масс. изменяется от ~ 0,3 до ~ 3,5 атм при изменении температуры от 20 до 60 °С и тепловой эффект реакций сорбции/десорбции водорода составляет 13-13,5 МДж/кг Н2. Оригинальная методика исследований тепловых

Рис. 12. Кризисные явления при зарядке реактора РХО-1 чистым водородом. Изменение закона теплообмена по мере прогрева водородопоглощающего материала приводит к резкому снижению расхода водорода на входе в реактор и снижению эффективности зарядки реактора Fig. 12. Demonstration of critical phenomena at charging of RSP-1 with pure hydrogen: the shift of heat transfer law during the heating of metal hydride bed leads to sharp decrease of hydrogen flow at inlet and therefor to the sharp decrease of charging efficiency

В кооперации с кафедрой Инженерной теплофизики МЭИ разработана математическая модель процессов тепломассопереноса в металлогидридных реакторах [58-62, 66-71]. Модель основана на приближении взаимопроникающих континуумов для гетерогенных сред. Предполагается, что система образует двухфазную среду в которой газовая фаза -гомогенная смесь, состоящая из N компонентов, один из которых - водород, твердая фаза состоит из непроницаемых структур (стенки реактора, перегородки и др.), проницаемых пассивных (пористые трубки) и проницаемых активных (слои частиц ин-терметаллида). Модель включает трехмерные уравнения сохранения массы, энергии и импульса для газовой фазы и уравнения сохранения массы водорода в твердофазном связанном состоянии и энергии для твердой фазы. Замыкающие математическую модель соотношения описывают коэффициенты переноса (эффективная теплопроводность фаз), кине-

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (95) 2011

тику реакций сорбции-десорбции, проницаемость пористой структуры ИМС, межфазный теплообмен, теплофизические свойства фаз (уравнение состояния, вязкость, коэффициент диффузии, теплоемкость смеси газов), РСТ-диаграмму системы ИМС-водо-род. Результаты математического моделирования помогают интерпретировать результаты экспериментальных исследований (рис. 13), получать информацию о работе устройств в различных условиях и оптимизировать их конструкцию.

С использованием результатов экспериментальных исследований и математического моделирования тепловых процессов в металлогидридных реакторах разработаны и изготовлены эксперименталь-

ные реакторы для систем очистки и хранения водорода с внешними и внутренними системами охлаждения (нагрева) трубчатых картриджей, содержащих водородопоглощающие сплавы (РХО-2 -РХО-7, РХ-1) [61-65, 72-74]. Реактор хранения водорода РХ-1 (рис. 14) содержит 81 кг сплава Lao,5Ndo,5Alo,1Feo,4 5Co0,25Ni4,3, имеет емкость 12 нм3 водорода. Зарядка реактора осуществляется при температуре 25 °С и давлении водорода 0,11 МПа, разрядка - при t = 80 °С и р < 1,16 МПа.

Реакторы очистки и хранения водорода типа РХО-3 (рис. 15) содержат 5 кг сплава типа AB5, и их емкость по водороду составляет свыше 8oo литров при нормальных условиях.

Рис. 13. Математическое моделирование поглощения чистого водорода в металлогидридном модуле реактора РХО-1. Резкий рост температуры засыпки поглощающего материала на начальном этапе приводит к кризису тепломассопереноса

и снижает эффективность зарядки реактора Fig. 13. Mathematical modeling of sorption of pure hydrogen in metal hydride module of RSP-1 reactor: rapid temperature increase at the beginning leads to heat and mass transfer crisis and therefor to the sharp decrease of charging efficiency

Рис. 14. Реактор хранения водорода РХ-1 емкостью

свыше 12 нм3 водорода Fig. 14. Metal hydride hydrogen storage reactor RS-1 for over than 12 st. m3 of hydrogen

Рис. 15. Реактор хранения и очистки водорода РХО-3 перед заправкой водородопоглощающим материалом Fig. 15. Metal hydride hydrogen storage reactor RSP-3 before loading of hydrogen storage material

Рис. 16. Свойства водородопоглощающих материалов и схема работы системы хранения и очистки водорода,

интегрированной с энергоустановкой на базе ТЭ Fig. 16. Schematic flow chart of a metal hydride hydrogen storage and purification system integrated with a fuel cell power unit

Использование интерметаллических сплавов различного состава позволяет гибко варьировать режимы работы металлогидридных устройств и сочетать их режимы работы, повышая общий КПД системы. Например, при использовании в РХО-3 сплава ЬаРе0дМто,3№4,8 зарядка реактора осуществляется при г = 25 °С и рН = 0,07 МПа, разрядка при 80 °С и

0,76 МПа. Такие параметры работы реакторов РХ-1 и РХО-3 обеспечивают возможность их интеграции в единую систему топливообеспечения для энергоустановки с ТПТЭ мощностью 5 кВт(э) (рис. 16).

Рис. 17. Сравнение расхода на входе в реактор РХО-3 при зарядке чистым водородом и водородом, содержащим примеси (3,25% азота) Fig. 17. Comparison of hydrogen flow at RSP-3 reactor inlet for charging with pure and impure (3.25% of nitrogen) hydrogen

Экспериментальные и теоретические исследования влияния примесей неабсорбируемых газов, не отравляющих сплав, в водороде на динамику сорбции и эффективность работы металлогидридных устройств показали, что в связи с активной сорбцией водорода из смеси газов уже в первые минуты парциальное давление водорода в газе вблизи поверхности частиц снижается и сорбция его затрудняется, поровое и свободное пространство реактора заполняется примесями, которые блокируют поступление молекул водорода к частицам металла. Реальная емкость металлогидридного аккумулятора водорода радикально уменьшается, а время зарядки существенно возрастает [58-62, 69-71] (рис. 17). Метод очистки водорода от неабсорбируемых примесей, предложенный и изученный в ЛВЭТ, заключается в цик-лировании давления при низкой температуре засыпки подобно методу очистки газов короткоцик-ловой адсорбцией (КЦА) с той разницей, что в ме-таллогидридных системах адсорбируется очищаемый компонент, а не примеси, как в технологии КЦА. Примеси удаляются из реактора при циклических снижениях давления. После полного насыщения водородом сплава реактор переключается от магистрали газа с примесями при минимальном давлении на магистраль чистого газа и при увеличении температуры засыпки в режиме нагрева подает чистый водород потребителю - в систему топливообес-печения ТЭ или в металлогидридное хранилище водорода. Конечно, в таком процессе часть водорода теряется и возникает задача оптимизации режимов работы системы очистки для минимизации потерь водорода. В результате экспериментальных исследо-

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (95) 2011

ваний [61] определены оптимальные режимы цикли-рования в системах очистки водорода на основе реакторов РХО-3. В итоге оптимизации водород с примесями азота до 15% об. после системы очистки приобретает чистоту 99,99% и выше, при этом минимизируются потери водорода, которые при использовании рециркуляции потока могут быть снижены до нескольких процентов. Дальнейшая отработка этой технологии - одна из задач продолжающегося цикла исследований.

Проблемы системной интеграции созданных экспериментальных устройств исследуются в ЛВЭТ на основе созданного комплексного стенда [61-64]. В связи с возможностью отравления металлогидрида примесями некоторых газов (СО, 802, И28, 02 и др.) разработана методика реактивации сплавов в реакторе путем его «обработки» чистым водородом цикли-рованием давления при температуре ~ 80 °С. В.И. Борзенко с сотр. создан демонстрационный автоматизированный блок очистки водорода БО-1 произво-

дительностью 5 нм /ч с использованием трех реакторов РХО-3, из которых два работают в режимах сорбции и десорбции, а третий - в режиме регенерации сплава (рис. 18). Выполнена экспериментальная интеграция блока очистки с системой хранения на основе РХ-1 емкостью до 12 нм3/ч, с ТПТЭ мощностью 5 кВт и с модельным потребителем электроэнергии (10 ламп по 500 Вт). Проведены успешные испытания системы. При производительности системы топливообеспечения на уровне 9 кВт (в пересчете на теплоту сгорания водорода) и КПД топливного элемента (47-48)% общий КПД энергоустановки мощностью 5 кВт с учетом потерь на преобразование тока и прочих составляет около 35%. При этом тепловые потери в ТПТЭ существенно превышают тепловые мощности, необходимые для обеспечения работы металлогидридного аккумулятора и системы очистки водорода. Утилизация этих потерь приведет к повышению общего КПД системы.

Рис. 18. Металлогидридный блок очистки водорода БО-1 Fig. 18. Metal hydride hydrogen purification unit PU-1

В результате выполненных ЛВЭТ исследований в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» разработаны научно-технические основы создания ме-таллогидридных систем очистки и хранения водорода, интегрированных с энергоустановками на основе низкотемпературных топливных элементов, и создана экспериментальная база для перехода к стадии ОКР и созданию демонстрационных установок кило-ваттного класса мощности. Созданием автономных систем энергообеспечения, однако, не исчерпываются перспективные направления использования ме-таллогидридных систем очистки и хранения водорода в энергетике.

Металлогидридные технологии для повышения эффективности систем водородного охлаждения электрических машин

В настоящее время в нашей стране более 66% генерирующих мощностей (215 ГВт) используют во-дородоохлаждаемые турбогенераторы и синхронные компенсаторы. В турбогенераторах с косвенным водородным охлаждением чистота водорода должна быть не ниже 97%, а при непосредственном - не ниже 98% (ГОСТ 533-2000). Поддержание требуемой чистоты и давления в корпусе турбогенератора -одно из основных условий его высокой надежности и безопасной эксплуатации. Снижение количества примесей в водороде приводит к уменьшению плот-

ности, возрастанию теплоемкости и теплопроводности и за счет этого к снижению вентиляционных потерь мощности турбогенератора. При постоянном давлении газа возрастание чистоты водорода на 1% приводит к снижению вентиляционных потерь на 11% и, соответственно, к увеличению КПД турбогенератора на 0,1%. Таким образом, можно ожидать, что дополнение системы водородного охлаждения генератора металлогидридной системой очистки водорода до 99,5-99,9% на входе в систему приведет к повышению КПД электростанции на 0,1-0,15%. ЛВЭТ ОИВТ РАН в кооперации с ГОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (Л.И. Чубраева с сотр.) выполнены исследования эффективности использования универсального металлогидридного

блока очистки водорода (БОВ) в системах водородного охлаждения турбогенераторов, в результате которых предложены рациональные схемы включения БОВ в системы охлаждения турбогенераторов (рис. 19), разработаны и созданы усовершенствованные металлогидридные реакторы РХО-3У и РХО-3М для БОВ. Наиболее распространенными примесями в водороде в системах охлаждения турбогенераторов являются вода, кислород, масло турбинное и водо-масляная аэрозоль, СО2 и азот. В этой связи система очистки водорода включает блок осушки и фильтрации для очистки от воды и масла, каталитический дожигатель кислорода и металлогидридный блок очистки водорода БО-1 на основе трех реакторов типа РХО-3, описанный выше.

Турбогенератор

Газоанализатор

Ресиверы водорода

Блок очистки водорода

Блок осушки, регулирования и фильтрации

Система управления

Сигнал Водород

Рис. 19. Схема использования металлогидридного блока очистки водорода в системе водородного охлаждения турбогенератора Fig. 19. Schematic flow chart of hydrogen cooling system of turborenerator with a metal hydride hydrogen purification unit installed

Экономическая эффективность использования металлогидридных систем очистки и хранения водорода в системах водородного охлаждения электрических машин определяется следующими факторами:

- повышением КПД турбогенераторов на 0,1-0,15%;

- продлением срока службы выработавших ресурс турбогенераторов за счет перехода к охлаждению высокочистым водородом, соответствующим снижением рабочего давления водорода и уменьшением механических потерь.

Модернизация систем водородного охлаждения турбогенераторов ЭС путем дополнения их системами очистки водорода позволит при относительно низких капиталовложениях заметно увеличить производство электроэнергии без дополнительных затрат топлива. Для турбогенератора мощностью ~300 МВт расход водорода в системе охлаждения не превышает ~20 нм3/час. Система очистки Н2 такой производительности, по предварительным оценкам, будет стоить не больше 20 000 долл. США. При этом будет получена дополнительная электрическая мощ-

ность около 600-900 кВт, т.е. дополнительные удельные капиталовложения составят около 30-50 долл./кВт. При стоимости продаваемой электроэнергии 0,025 долл./кВтч срок окупаемости системы очистки не превосходит полугода. При сохранении уровня годовой выработки электроэнергии на 1 агрегат мощностью 300 МВт экономия топлива составит не менее 2000 т у.т. в год.

Объем потенциального внутреннего рынка разрабатываемой технологии соответствует 0,1% от 215 ГВт мощности водородоохлаждаемых турбогенераторов и синхронных компенсаторов. В условиях дефицита мощности в энергосистемах это означает заметную экономию капиталовложений в развитие генерирующих мощностей.

Разрабатываемые ЛВЭТ ОИВТ РАН металлогид-ридные технологии и устройства для очистки и хранения водорода могут найти применение не только в энергетике. Эффективные, компактные и безопасные металлогидридные системы очистки и хранения водорода найдут широкое применение на предприяти-

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (95) 2011

ях, использующих особо чистый водород (ОЧВ) в относительно небольших объемах - в пищевой, металлообрабатывающей, радиоэлектронной, стекольной, фармацевтической и ряде других отраслей, - в качестве безопасных устройств для получения ОЧВ из водорода с примесями непосредственно на месте потребления с целью снижения издержек производства и повышения качества продукции. Сегодня в мире потребление ОЧВ этими отраслями возрастает опережающими темпами от 7 до 18% в год при общем росте неэнергетического потребления водорода в 3-3,5% в год.

Таким образом, разработки и создание унифицированных металлогидридных систем очистки и твердофазного хранения водорода позволяют решить широкий комплекс проблем развития экологически приемлемых и безопасных водородных технологий в энергетике и других отраслях народного хозяйства.

Исследования ОИВТ РАН в области безопасности водородных технологий1

Экспериментальные исследования по работе с водородом в больших объемах проводятся в ОИВТ РАН с 1992 года и направлены на изучение таких условий горения водородно-воздушных смесей, при которых возникают наиболее разрушительные нагрузки на сооружения. До недавнего времени считалось, что наиболее разрушительным режимом является детонация, и основной целью проводимых исследований по горению водородно-воздушных смесей в больших объемах был вопрос, может ли возникать детонационный режим (который считался самым разрушительным режимом) в больших объемах при инициировании смеси источником с энергией меньше критической. В то же время известны так называемые режимы нестационарного горения газовых смесей, при которых могут развиваться высокие давления, в ряде случаев во много раз превышающие давления во фронте стационарной детонации. Режимы нестационарного горения газовых смесей представляют собой вторичные очаги горения и взрыва, образовавшиеся в результате сжатия смеси ударными волнами, порожденными первичным фронтом пламени и усилившимися при прохождении через реакционную среду и фронт пламени.

Исследования режимов горения водородно-воз-душных смесей, приводящих к значительным нагрузкам, в ОИВТ РАН развивались по двум направлениям:

1) исследование возможности возникновения нестационарного горения в большом объеме при инициировании источником с энергией, значительно меньше критической, и исследование процессов развития нестационарного горения в кумулирующих устройствах, при которых развиваются особо высокие давления;

1 Раздел написан В.А. Петуховым и В.В. Голубом.

2) исследования процессов подавления нестационарного горения с помощью небольших добавок химически активных веществ - ингибиторов.

Для изучения возможности и условий возникновения нестационарного горения в больших объемах был проведен эксперимент в камере 13Я3 (рис. 20). Камера объемом 900 м3 была заполнена стехиомет-рической водородно-воздушной смесью. Начальное давление смеси было равно 1,4 атм. Внутри камеры размещались специальные турбулизирующие устройства. Инициирование смеси осуществлялось в центре сферы взрывом проволочки диаметром 0,05 мм. Энергия подрыва составляла 6 Дж, что на три порядка меньше критической энергии. В результате на стенке камеры было зафиксировано давление 190 атм, что примерно в 5 раз превышает давление, возникающее при отражении детонационной волны. При этом скорость первичного фронта пламени, зарегистрированная в промежуток времени до 83 мс от момента инициирования, оставалась дозвуковой [75].

Рис. 20. Общий вид взрывной камеры 13Я3 с внутренним диаметром 12 м, построенной из броневой стали и рассчитанной на взрыв до 1000 кг ТНТ Fig. 20. Overview of the 13Я3 blast chamber. Internal diameter 12 m, explosion protection up to 1000 kg of TNT

Исследование нестационарного горения водород-но-воздушных смесей в кумулирующих устройствах осуществлено на двух установках: «Конус» и «Пирамида» [76, 77]. В общей сложности проведено более 200 экспериментов. В вершине конуса было зафиксировано давление, превышающее 1000 атм. Значительные повышения давления 100 атм) были зарегистрированы и в вершине пирамидального элемента, моделирующего углы помещений. Объем газовых зарядов в этих установках составлял от 150 до 600 м3.

Разработаны способы борьбы с указанными выше режимами, обладающими большой разрушительной силой, с помощью малых добавок химически активных веществ. Работы проводились совместно с Институтом структурной макрокинетики и проблем

материаловедения РАН. Например, в результате добавки в водородно-воздушную стехиометрическую смесь 1,7% (об.) ингибитора, представляющего из себя смесь пропана, бутана и пропилена, давление в вершине конуса уменьшилось в 30 раз [78]. Действие ингибитора основано на обрыве реакционных цепей по быстрым реакциям.

Полученные результаты имеют большое значение для обеспечения безопасной работы с водородом, так как позволяют выявить условия возникновения наиболее разрушительных режимов горения водородно-воздушных смесей, а также с помощью добавок в реагирующие смеси небольших количеств ингибиторов значительно снизить ущерб при возгорании во-дородно-воздушных смесей или вообще не допустить их воспламенения.

Одним из актуальных вопросов, связанных с обеспечением безопасности при работе со сжатым водородом, является проектирование и установка предохранительных клапанов, предназначенных для сброса избытка давления в атмосферу.

В Отделе физической газодинамики ОИВТ РАН исследованы процессы воспламенения водорода при истечении из сосуда высокого давления (сотни атмосфер), например, при разгерметизации, в отсутствие источников воспламенения: искры, горячей поверхности, катализатора. При таком истечении в воздухе образуется ударная волна, которая нагревает его до температуры выше тысячи градусов, что оказывается вполне достаточным для воспламенения горючих газов, если они будут приведены в соприкосновение с горячим воздухом [79]. Испытана типичная модель предохранительного клапана с диафрагмой, предложенная компанией Sherwood Company. Эксперименты показали, что воспламенение водорода происходило уже при начальных давлениях в сосуде 13 атм. Причем в каналах с препятствиями воспламенение водорода происходило быстрее.

На основе полученных экспериментальных данных предложены новые конструкции предохранительного клапана, в одном из которых использовалось перфорированное сопло к газовому клапану [80], а в другом - отверстия для поперечного выброса газа [81]. Данные конструкции предназначены для перепуска и сброса избыточного давления газов из емкостей пневмосистем в атмосферу и могут обеспечивать повышение безопасной эксплуатации газовых комплексов водородной энергетики за счет подавления возгорания водородно-воздушной смеси при истечении водорода под высоким давлением в атмосферу.

Перфорированное сопло к газовому клапану приводит к уменьшению времени существования зоны с температурой выше температуры воспламенения водородно-воздушных смесей. Это создается за счет использования перфорированной пластины, имеющей отверстия достаточно малые, обеспечивающие время пребывания смеси газа с горячим воздухом меньше времени задержки самовоспламенения.

Сопло с отверстиями для поперечного выброса газа также приводит к уменьшению времени существования зон с температурой выше температуры воспламенения водородно-воздушных смесей. При этом выброс газа происходит в поперечных направлениях относительно оси сопла.

Результаты работы используются при разработке норм и стандартов безопасного хранения водорода, а также устройств, обеспечивающих аварийный выброс водорода в атмосферу.

Перспективы развития водородных технологий в ТЭК

Перспективы развития водородных технологий для повышения энергоэффективности ТЭК страны не ограничиваются созданием водородных систем аккумулирования энергии. Энергетической стратегией РФ на перспективу до 2030 г. планируется радикальное повышение глубины переработки нефти на НПЗ и увеличение доли продуктов нефтепереработки в экспорте. Для решения этой задачи нефтеперерабатывающим предприятиям страны потребуется дополнительно около 4 млн т водорода в год. Этот водород должен поступить на НПЗ «со стороны». Крупными потребителями товарного водорода могут также стать металлургия (прямое восстановление металлов из руд) и металлообработка [20]. Развитие производства и потребления жидкого водорода в перспективе связано с созданием высокотехнологичных производств в стекольной (производство оптоволокна), полупроводниковой, фармацевтической, пищевой (гидрирование жиров, производство маргарина) и некоторых других отраслях, использующих ОЧВ в цикле производства. Например, сегодня в США из 100-120 тыс. т производимого жидкого водорода в год более 80% используется этими потребителями и около 20% - космической отраслью. После распада СССР возможность производства жидкого водорода в РФ ограничена (1-2)-103 т/год на низкоэффективных установках, и важной народнохозяйственной задачей является создание современных криогенных технологий производства, хранения и транспортировки жидкого водорода для инновационного развития высокотехнологичных отраслей и авиационно-космического комплекса [82-84]. В условиях удорожания природного газа становится актуальной задача развития экономически эффективных технологий крупномасштабного производства товарного водорода за счет использования атомной энергии, угля, возобновляемых и нетрадиционных источников энергии и сырья. В перспективе такие электролизные производства могут быть созданы на АЭС и ТЭС и использовать провальную электроэнергию. Технико-экономические исследования, выполненные в ОИВТ РАН и ряде других организаций [20, 30, 85], показывают, что при комплексировании производства и использовании на АЭС и ТЭС не только водородных технологий аккумулирования

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (95) 2011

энергии и водородного перегрева пара для покрытия пиковых нагрузок, но и организации производства товарного водорода (в т.ч. жидкого) стоимость водорода может оказаться близкой к стоимости его производства из природных топлив, а в перспективе -более низкой. Возможность поставки на рынок не только электроэнергии, в т.ч. пиковой, но и химических энергоносителей (водорода и/или продуктов водородного синтеза) может в перспективе оказаться полезной для повышения экономической и экологической эффективности предприятий ТЭК в условиях изменяющейся конъюнктуры на рынке энергоносителей. Возможное развитие систем производства водорода и продуктов водородного синтеза на предприятиях ТЭК открывает дополнительные перспективы использования разрабатываемых в ОИВТ РАН водородных энергетических технологий [86].

Заключение

Настоящий обзор основан на результатах работ большого коллектива сотрудников ОИВТ РАН и других организаций, участвовавших в выполнении исследований в течение многих лет. Их имена легко найти в списке публикаций, и всем им автор благодарен за их большой творческий вклад в развитие работ в области водородной энергетики в ОИВТ РАН. В обзоре, написанном в связи с 50-летним юбилеем института, уместно выразить благодарность тем руководителям науки и крупным ученым, благодаря поддержке которых развивается это направление в ОИВТ РАН в течение длительного времени. Это прежде всего руководство ОИВТ РАН (А.Е. Шейндлин, В.Е. Фортов, Э.Э. Шпильрайн, В.М. Батенин), руководство Минэнерго (А.Ф. Дьяков и В.В. Нечаев), Миннауки (В.И. Доброхотов и Ф.Н. Пехота), которые поддержали начало экспериментальных работ ИВТАН в этой области в середине 90-х годов, и Минобрнауки РФ (С.Н. Мазуренко, А.В. Клименко, Б. Ф. Реутов), благодаря поддержке которого развиваются работы в области технологий водородной энергетики в ОИВТ РАН в настоящее время. Мы благодарны руководству и сотрудникам организаций, участвовавших в выполнении работ ОИВТ РАН на различных этапах их развития, - РНЦ «Курчатовский институт», «Центр Келдыша», РНЦ «Прикладная химия», МЭИ (ТУ), МГУ, ИПХФ РАН, НПО «Криогенмаш», ГОУ ВПО СПбГУАП и в особенности ОАО «КБ Химавтоматики» (В.С. Рачук, В.И. Пригожин и др.), в сотрудничестве с которым получены наиболее значимые результаты по созданию водородных парогенераторов.

Наконец, но не в последнюю очередь, считаю своей приятной обязанностью выразить благодарность проф. Г.Г. Янькову, канд. техн. наук А.Н. Грязнову, старшим научным сотрудникам Лаборатории водородных энергетических технологий В.И. Борзенко, Д.О. Дуникову, О.В. Назаровой за их оп-

ределяющий вклад в развитие работ лаборатории в области технологий водородной энергетики. За помощь в подготовке этого обзора особая признательность - О.В. Назаровой, Д.О. Дуникову и В.И. Борзенко, а также В.А. Петухову и В.В. Голубу, представившим материал раздела о работах ОИВТ РАН в области безопасности водородных технологий.

Список литературы

1. Основные проблемы водородной энергетики. Доклад Комиссии АН СССР. М.: Изд-во ИВТАН, 1978.

2. Гурвич Л.В. и др. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Справочник / Под ред. В .П. Глушко. М.: Наука, 1978-1982. Т. 1-4.

3. Тимрот Д.Л., Уманский А.С. Исследование теплопроводности аргона и водорода // ТВТ. 1966. Т. 2, № 2.

4. Белов В.А. Вязкость частично ионизованного водорода // ТВТ. 1967. Т. 5, № 1. С. 37-43.

5. Люстерник В.Е. Уравнение вязкости водорода // ТВТ. 1969. Т. 4, № 2. С. 367.

6. Malyshenko S.P. Equation of State and Thermodynamic properties of Liquid Hydrogen // Proc. of the Fifth Sympos. on Thermophys. Properties. ASME. N.Y. 1970. Р. 262-273.

7. Малышенко С.П., Швальб В.Г. Об одном методе расчета изотопных эффектов в термодинамических свойствах простых газов и жидкостей // ТВТ. 1970. Т. 8, № 4. С. 762-769.

8. Асиновский Э.И., Кириллин А.В., Низовский В. Л. Стабилизированные электрические дуги и их применение в теплофизическом эксперименте. М.: Физматгиз, 2008.

9. Vorob'ev V.S., Malyshenko S.P. Regarding molecular superfluid hydrogen // Journ. Phys.: Condensed Matter. 2000. Vol. 12. Р. 5071-5085.

10. Воробьев В.С., Новиков В.Г. О состоянии водорода, возникающем при его плавлении в мегабар-ном диапазоне давлений // ЖЭТФ. 2010. Т. 137, № 3.

11. Шпильрайн Э.Э. Термодинамические основы термохимического разложения воды. Препринт ИВТАН. 1976. № 1-007. М. См. также [20]. Гл. 4.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

12. Мостинский И.Л., Игумнов В.С., Визель Я.М., Зырянов С.И. Каталитическая конверсия природного газа в трубчатых печах при отношении окислитель/метан, близком к стехиометрическому (Н2О(СО2)/СН4 < 1,5) // Атомно-водородная энергетика и технология. М.: Энергоатомиздат, 1988. Вып. 8. С. 220-229.

13. Шпильрайн Э.Э., Малышенко С.П. Некоторые аспекты развития водородной энергетики и технологии // Теплоэнергетика. 1980. № 3. С. 8-12.

14. Styrikovich M.A., Malyshenko S.P. Bulk Storage and Transmission of Hydrogen // Hydrogen Energy Progress VI. Ed. T.N. Veziroglu, N. Getoff, P. Weinzierl. 1986. Vol. 2. Р. 765-786.

15. Малышенко С.П., Назарова О.В. Аккумулиро-ва-ние водорода // Атомно-водородная энергетика и технология. М.: Энергоатомиздат, 1988. Вып. 8. С. 155-205.

16. Шпильрайн Э.Э. О предельных КПД тепловых установок // Изв. АН СССР. Сер. Энергетика и транспорт. 1982. № 4. С. 121-126.

17. Шпильрайн Э.Э., Сарумов Ю.А., Попель О.С. Применение водорода в энергетике и энерготехнологических комплексах // Атомно-водородная энергетика и технология. М.: Энергоиздат, 1982. Вып. 4. С. 5-22.

18. Малышенко С.П., Назарова О.В., Сарумов Ю.А. Термодинамические аспекты использования водорода для решения некоторых задач энергетики // Теплоэнергетика. 1986. № 10. С. 43-47.

19. Малышенко С.П., Назарова О.В., Сарумов Ю.А. Некоторые термодинамические и технико-экономические аспекты применения водорода как энергоносителя в электроэнергетике // Атомно-водородная энергетика и технология. М.: Энергоатомиздат, 1986. Вып. 7. С. 105-126. Там же, 1988. Вып. 8. С. 16-38.

20. Шпильрайн Э.Э., Малышенко С.П., Кулешов Г.Г. Введение в водородную энергетику. М.: Энерго-атомиздат, 1984.

21. Rusanov V.D., Malyshenko S.P., Pekhota F.N. Russian Federal Hydrogen Energy Program // International Journal of Hydrogen Energy. 1998. Vol. 23, No. 10. Р. 967-970.

22. Malyshenko S.P., Mazurenko S.N., Reutov B.F. Russian R&D in the field of hydrogen energy and technology // Proc. 16 World Hydrogen Energy Conference, Lyon, France, 2006. CD-ROM.

23. Klimenko A.V., Reutov B.F., Malyshenko S.P. Russian R&D in Hydrogen and Fuel Cells // Proc. 18th World Hydrogen Energy Conference. Essen. Germany. 2010. CD-ROM.

24. Энергетическая стратегия Российской Федерации на перспективу до 2030 г. М., 2009.

25. О целевом видении стратегии развития электроэнергетики России на период до 2030 г. / Коллектив авторов под руководством академика Шейндли-на А.Е. М.: Изд-во ОИВТ РАН, 2007.

26. Шпильрайн Э.Э., Малышенко С.П. Основные направления использования водорода в энергетике // Российский химический журнал. 1993. Т. 37, № 2. С.10-17.

27. Морозов Г.Н., Корягина Г.М., Старостенко Н.В., Малышенко С.П.. Пиковые энергетические водород-кислородные установки // Водородная энергетика и технология. М.: РНЦ «Курчатовский институт», 1992. Вып. 1. С. 77-79.

28. Малышенко С.П. Водород как аккумулятор энергии в электроэнергетике // Российский химический журнал. 1997. Т. XLI. С. 112-120.

29. Капица П.Л. Энергия и физика // УФН. 1976. Т. 118. С. 307-314.

30. Malyshenko S.P. Hydrogen Production at the Expence of Energy Systems // Водород в транспорте. Французско-Российский семинар академий наук. Париж. 1996 / Proc.Rep. C-3. P. 277-291.

31. Malyshenko S.P. Hydrogen application in power industry // HYPOTHESIS IV. Proceedings. Publ. Fachhochschule Stralsund. Germany. 2001. Vol. 1. Keynote Lectures. P. 25-30.

32. Volkov A.G., Bebelin I.N., Gryaznov A.N., Malyshenko S.P. Development and testing of experimental H2/O2 steam generators // Hydrogen Energy Progress XI. Ed. T.N. Veziroglu at al. DECHEMA. Germany, 1996. Vol. 2. Р. 1913-1920.

33. Malyshenko S.P., Gryaznov A.N., Filatov N.I. High-pressure H2/O2-steam generators and their possible applications // Int. Journ. Hydrogen Energy, 2004. Vol. 29, No. 6. P. 589-596.

34. Малышенко С.П., Пригожин В.И., Рачук В.С. Водородо-кислородные парогенераторы // Современное машиностроение. 2009. № 2-3(8-9). С. 54-59.

35. Малышенко С.П., Счастливцев А.И. Термодинамическая эффективность геотермальных станций с водородным перегревом пара // Теплоэнергетика. 2010. № 11. С. 23-27.

36. Малышенко С.П., Счастливцев А.И. Геотермальная установка для выработки электроэнергии с водородно-кислородным перегревом. 2009. Патент на полезную модель № 84467.

37. Коротеев А.С., Малышенко С.П., Рачук В.С. Ракетные технологии в топливно-энергетическом комплексе // Технополис XXI в. 2008. № 1(14).

38. Грязнов А.Н., Малышенко С.П. Парогенератор. 1997. Патент РФ на изобретение № 2079684.

39. Грязнов А.Н., Малышенко С.П. Запальное устройство. 1997. Патент РФ на изобретение № 2084767.

40. Бебелин И.Н., Волков А.Г., Грязнов А.Н., Малышенко С.П. Разработка и исследование экспериментального водородо-кислородного парогенератора мощностью 10 МВт(т) // Теплоэнергетика. 1997. № 8. С. 48-52.

41. Грязнов А.Н., Малышенко С.П., Назарова О.В., Пригожин В.И., Рачук В.С., Савич А.Р., Счастливцев А.И. Водородные парогенераторы для стационарных энергетических систем // II Международный форум «Водородные технологии для развивающихся стран». Москва, 22-23 апреля 2008 г. CD-ROM.

42. Malyshenko S.P., Rachuk V.S., Prigozhin V.I., Gryaznov A.N., Nazarova O.V., Schastlivtsev A.I. Hydrogen steam generators for stationary energy applications // Proc. 17th World Hydrogen Energy Conference. Brisbane Convention and Exhibition Centre, Queensland, Australia, 15-19 June 2008. CD-ROM.

43. Грязнов А.Н., Малышенко С.П. Мини-парогенератор. 2007. Патент РФ на изобретение № 2300049.

44. Грязнов А.Н., Малышенко С.П. Парогенератор. 2007. Патент РФ на изобретение № 2309325.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (95) 2011

45. Грязнов А.Н., Малышенко С.П. Водородный высокотемпературный парогенератор с комбинированным испарительным охлаждением камеры смешения. 2007. Патент на изобретение № 2358190.

46. Грязнов А.Н., Малышенко С.П. Водородный высокотемпературный парогенератор с комбинированным охлаждением камеры сгорания. 2007. Патент РФ на изобретение № 2358191.

47. Малышенко С.П., Счастливцев А.И. Смесительная головка водородно-кислородного парогенератора. 2008. Патент РФ на изобретение № 2379590.

48. Грязнов А.Н., Малышенко С.П. Запальное устройство. 2008. Патент РФ на изобретение № 2374560.

49. Пригожин В.И., Завьялов Э.В., Малышенко С.П., Ильичев В.А., Савич А.Р. Способ образования пара в парогазогенераторе и устройство для его осуществления. 2008. Патент на изобретение № 2371594.

50. Ильичев В.А., Пригожин В.И., Савич А.Р., Лешов А.Н., Малышенко С.П. Экспериментальные исследования рабочих процессов водородных высокотемпературных мини-парогенераторов с вихревыми камерами сгорания // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2009. № 8. С. 72-77.

51. Zoulias E.I., Lymberopoulos N. Hydrogen-based Autonomous Power Systems // Techno-economic Analysis of the Integration of Hydrogen with Autonomous Power Systems. 2008. Springer-Verlag London Ltd.

52. Hydrogen and Full Cells. / Ed. Stolten. D. 2010. WILEY-VCH Verlag GmbH. Weinheim. Germany.

53. Малышенко С.П., Пузач С.В. Аккумулирование водорода и тепловой энергии в автономных солнечных и ветровых энергоустановках // Известия РАН. Энергетика. 1997. № 2. С. 52-60.

54. Verbetsky V.N., Malyshenko S.P., Mitrokhin S.V., Solovey V.V., Shmal'ko Yu.F. Metal Hydrides: Properties and practical applications // Review of the works in CIS-countries. International Journal of Hydrogen Energy. 1998. Vol. 23, No. 12. Р. 1165-1177.

55. Malyshenko S.P. Hydrogen Storage R&D in Russia // IPHE International Hydrogen Storage Technology Conference 19-22 June 2005 Lucca, Italy. CD-ROM.

56. Mitrokhin S.V., Romanov I.A. Development of intermetallic compounds for hydrogen supply of PEM fuel cell // 17th World Hydrogen Energy Conference. 2008. Brisbane. Australia. CD-ROM.

57. Dunikov D O, Mitrokhin S.V., Romanov I.A., Borzenko V.I. Development of intermetallic compounds for hydrogen supply systems integrated with Fuel Cells // 18th World Hydrogen Energy Conference. May 16-21, 2010. Essen. Germany. CD-ROM.

58. Borzenko V.I., Dunikov D.O., Malyshenko S.P., Zhemerikin V.D. Experimental investigations of Heat and Mass Transfer Processes in Metal Hydride Porous Bed of Hydrogen Storage and Purification Unit // IPHE International Hydrogen Storage Technology Conference 19-22 June 2005 Lucca, Italy. CD-ROM.

59. Борзенко В.И., Дуников Д.О., Малышенко С.П. Экспериментальные исследования процессов тепломассообмена и динамики сорбции в металло-гидридной системе твердофазного обратимого хранения и очистки водорода // Труды II Международного симпозиума по водородной энергетике. М.: Изд-во МЭИ, 2007. С. 116-119.

60. Borzenko V.I., Dunikov D.O., Malyshenko S.P. Experimental investigations of heat and mass transfer in metal hydride hydrogen storage devices // 17th World Hydrogen Energy Conference. 2008. Brisbane. Australia. CD-ROM.

61. Борзенко В.И., Дуников Д.О., Малышенко С.П. Металлогидридные технологии для энергетики // Труды II Международной конференции «Технологии хранения водорода». 2009. Москва. CD-ROM.

62. Дуников Д.О., Борзенко В.И., Малышенко С.П. Влияние теплопередачи в водородопоглощаю-щих материалах на эффективность работы металло-гидридных устройств хранения водорода // Труды II Международной конференции «Технологии хранения водорода». 2009. Москва. CD-ROM.

63. Borzenko V., Blinov D., Dunikov D. Reversible solid state hydrogen system integrated with PEM fuel cell. Proc. // 18th World Hydrogen Energy Conference. May 16-21, 2010. Essen. Germany. CD-ROM.

64. Dunikov D.O., Borzenko V.I., Malyshenko S.P. Optimization of Heat Transfer in metal hydride reactor // 18th World Hydrogen Energy Conference. May 16-21, 2010. Essen. Germany. CD-ROM.

65. Борзенко В.И., Дуников Д.О., Малышенко С. П. Кризисные явления в металлогидридных устройствах хранения водорода // Теплофизика высоких температур. 2011. Т. 49, № 2. С. 256-264.

66. Malyshenko S.P., Borzenko V.I., Dunikov D.O., Nazarova O.V., Yankov G.G., Artemov V.I., Sung J.S. Modelling of Thermophysical Processes in Me-H Cleaning Systems // Hydrogen Energy Progress XIII. Ed. Z.Q.Mao. T.N. Veziroglu. Beijing. 2000. Vol. 2. P. 1323-1328.

67. Артемов В.И., Яньков Г.Г., Лазарев Д.О., Борзенко В.И., Дуников Д.О., Малышенко С.П. Численное моделирование процессов тепломассообмена в металлогидридных аккумуляторах водорода // Труды 3 Российской конференции по теплообмену РНКТ-3. М.: Изд-во МЭИ, 2002. Т. 5. С. 156-165.

68. Artemov V.I., Lazarev D.O., Yan'kov G.G., Borzenko V.I., Dounikov D.O., Malyshenko S.P. Mathematical modeling of Heat and Mass Transfer in Metal Hydrogen accumulating and purification system // Heat Transfer Research. 2004. Vol. 35, Issue 1&2. P. 140-148.

69. Артемов В.И., Лазарев Д.О., Яньков Г.Г., Борзенко В.И., Дуников Д.О., Малышенко С.П. Влияние неабсорбируемых газовых примесей на процессы теплообмена в металлогидридных устройствах для аккумулирования и очистки водорода // Теплофизика высоких температур. 2004. Т. 42, № 6. С. 972-979.

70. Артемов В.И., Лазарев Д.О., Яньков Г.Г., Бор-зенко В.И., Дуников Д.О., Малышенко С.П. Основные факторы, ограничивающие скорость сорбции водорода в металлогидридных системах хранения // Труды Международного симпозиума по водородной энергетике. Москва, 1-2 ноября 2005 г. М.: Изд-во МЭИ, 2005. С. 121-126.

71. Artemov V.I., Borovskih O.V., Lazarev D.O., Yankov G.G., Borzenko V.I., D.O. Dunikov. Mathematical model and 3d numerical simulation of heat and mass transfer in metalhydride reactors // 17th World Hydrogen Energy Conference. 2008. Brisbane. Australia. CD-ROM.

72. Борзенко В.И., Дуников Д.О., Малышенко С.П. Металлогидридный патрон для хранения водорода. 2008. Патент на полезную модель № 80702.

73. Борзенко В.И., Дуников Д.О., Малышенко С.П., Белинский В.С., Превезенцев В.В. Модульный патрон с гофрированной внешней поверхностью для хранения водорода. 2008. Патент на полезную модель № 81568.

74. Борзенко В.И., Дуников Д.О., Малышенко С.П. Модульный металлогидридный реактор для хранения и очистки водорода. 2009. Патент на полезную модель № 91152.

75. Petukhov V.A., Naboko I.M. and Fortov V.E. Explosion hazard of hydrogen-air mixtures in the large volumes // International Journal of Hydrogen Energy. July 2009. Vol. 34, Issue 14. P. 5924-5931.

76. Набоко И.М., Петухов В.А., Солнцев О.И., Гусев П.А. Управление горением гомогенных газовых смесей // Химическая физика. 2006. Т. 25, № 4. С. 4-13.

77. Набоко И.М., Бублик Н.П., Гусев П.А., Петухов В.А., Солнцев О.И. Горение и взрыв водородно-воздушной смеси в условиях, моделирующих элементы объемов загазованных помещений // Химическая физика. 2009. Т. 28, № 5. С. 26-33.

78. Азатян В.В., Набоко И.М., Петухов В.А., Гусев П.А., Мержанов А.Г., Рубцов Н.М., Солнцев О.И., Фортов В.Е., Цветков Г.И. Химическое подавление взрыва смеси водорода с воздухом в условиях кумуляции при интенсивном инициировании горения // ДАН. 2004. Т. 394, № 1. С. 61-64.

79. Golovastov S.V., Golub V.V., Baklanov D.I., Bazhenova T.V., Ivanov M.F., Laskin I.N., Semin N.V., Volodin V.V. Experimental and numerical investigation of hydrogen gas auto-ignition // International Journal of Hydrogen Energy. Vol. 34, Iss. 14. P. 5946-5953.

80. Голуб В.В., Котельников А.Л., Баженова Т.В., Володин В.В., Петухов В.А., Головастов С.В. Перфорированное сопло к газовому клапану. Патент РФ № 71723, 2008.

81. Голуб В.В., Котельников А.Л., Володин В.В., Петухов В.А., Головастов С.В., Тарасенко И.Н. Сопло к газовому клапану с отверстиями в заглушке для поперечного выброса газа. Патент РФ № 86997, 2009.

82. Малышенко С.П. Перспективы развития производства и потребления жидкого водорода // Применение криогенных топлив в перспективных летательных аппаратах. Материалы V научно-технической конференции ВВИА им. Н.Е. Жуковского. М.: 2000. С. 83-87.

83. Малышенко С.П., Кунис И.Д., Домашенко А.М., Борисов В.Д. Критические технологии создания криогенной наземной инфраструктуры // Применение криогенных топлив в перспективных летательных аппаратах. Сборник докладов VI научно-технической конференции ВВИА им. Н.Е. Жуковского. М.: 2002. С. 34-36.

84. Малышенко С.П. Основные направления и экологическая эффективность использования водородных технологий в народном хозяйстве // Там же. С. 60-64.

85. Малышенко С.П., Назарова О.В., Хабачев Л.Д., Шарыгин В.С. Энергоэкономические предпосылки организации производства товарного электролитического водорода в России // Изв. РАН. Энергетика. 1996. № 5. С. 31-40.

86. Трухний А.Д., Изюмов М.А., Поваров О.А., Малышенко С.П. Основы современной энергетики. Т. 1. Современная теплоэнергетика. М.: Изд. дом МЭИ, 2008.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (95) 2011

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Малышенко С. П.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Малышенко С. П.

JIHT RAS research and development in the field of hydrogen energy technologies

Текст научной работы на тему «ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКИ ОИВТ РАН В ОБЛАСТИ ТЕХНОЛОГИЙ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ (К 50-ЛЕТИЮ ОИВТ РАН)»