CC BY
363
УДК 621.311
О ПРИМЕНЕНИИ ЭНЕРГОУСТАНОВОК НА ОСНОВЕ ТВЕРДООКСИДНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
© 2015
Л. Е. Веселое, магистрант Е. В. Крюков, аспирант Е. Н. Соснина, доктор технических наук, профессор кафедры «Электроэнергетика, электроснабжение и силовая электроника» А. П. Шашкин, аспирант Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева,
Нижний Новгород (Россия)
Аннотация. В статье рассмотрены вопросы применения энергоустановок (ЭУ) на топливных элементах (ТЭ), позволяющих обеспечить бесперебойное электроснабжение ответственных потребителей, удаленных от централизованных электрических сетей. Проведен сравнительный анализ характеристик существующих типов ТЭ, показавший, что для широкомасштабного применения в энергетике наиболее перспективны ЭУ на базе твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ).
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (соглашение № 14.577.21.0073 о предоставлении субсидии от 05.06.2014, уникальный идентификатор проекта КРМЕР157714Х0073).
Ключевые слова: ответственные потребители электроэнергии, бесперебойное электроснабжение, топливные элементы, ТОТЭ, гибридные энергоустановки.
Необходимым условием устойчивой работы ответственных электропотребителей является обеспечение их бесперебойного электроснабжения [1, 2], перерыв которого может привести к возникновению угрозы жизни и здоровью граждан, имуществу физических и юридических лиц, государственному или муниципальному имуществу, а также угрозы негативного воздействия на окружающую среду [3].
Наиболее сложной является задача обеспечения бесперебойного электроснабжения энергоудаленных ответственных потребителей, когда строительство отдельного независимого источника электропитания представляется затруднительным с технической и экономической точек зрения [4, 5]. Примерами таких электропотребителей являются воинские части и другие объекты вооруженных сил, объекты горной промышленности, линейные потребители магистральных газопроводов, метеостанции, системы связи и оповещения и другие [6].
Надёжным источником электроэнергии удаленных ответственных потребителей могут стать энергоустановки на основе топливных элементов (ТЭ) [7]. Их отличительной особенностью является использование принципа прямого преобразования химической энергии топлива в электрическую энергию, минуя традиционные стадии преобразования (химическая -тепловая - механическая - электрическая) [8]. В отличие от гальванических элементов, вещества для электрохимической реакции подаются в ТЭ извне [9].
Данные источники вырабатывают электроэнергию непосредственно в результате высокоэффективного «холодного» горения топлива. Благодаря этому экономичность ЭУ на ТЭ почти вдвое выше, чем у традиционных ЭУ, и КПД может достигать 85 % с учетом утилизации тепла. Из-за отсутствия непосредственного химического контакта топлива с окислителем количество вредных выбросов ЭУ на ТЭ почти в 100 раз ниже чем в традиционных ЭУ.
В настоящее время существуют различные типы топливных элементов. Основной является классификация ТЭ по составу электролита (рисунок 1) [10].
Рисунок 1 - Классификация топливных элементов по составу электролита
Щелочные топливные элементы (ЩТЭ) -наиболее изучены - могут иметь КПД до 70 %, и используются на космических станциях с середины 60-х годов. В качестве электролита ЩТЭ используют гидроокись калия. Однако их восприимчивость к загрязнению углеродом требует чистого водорода и кислорода для производства воды, тепла и электроэнергии.
Фосфорнокислотные топливные элементы (ФКТЭ) - наиболее коммерчески доступные ТЭ -производят электроэнергию с КПД более чем 40 % и почти с 85 % КПД тепловой энергии. В качестве электролита ФКТЭ используют жидкую фосфорную кислоту и работают при температурах, близких к 230 °С. Одним из главных преимуществ ФКТЭ является возможность использования в качестве топлива водород-содержащих веществ [11]. ФКТЭ допускают концентрацию угарного газа до 1,5 %, что расширяет выбор применяемых видов топлива.
Топливные элементы с полимерной мембраной (ПТЭ) в качестве электролита используют полимерную мембрану толщиной 0,2-0,7 мм. Восстановителем выступает чистый водород, причем максимально допустимая доля примесей окиси углерода составляет 10-100 мг/кг [12]. ПТЭ обладают высоким выходом мощности (примерно 0,7 Вт на ячейку мембраны) и наиболее распространены: используются почти у 100 % всех автомобилей, работающих на водороде, в качестве первичных и резервных источников энергии, в портативной электронике. По технологии ПТЭ изготовлены около 75 % всех стационарных ЭУ мощностью до 10 кВт, работающих на водороде. Установленная мощность крупных ЭУ достигает до 300 кВт.
Топливные элементы на основе расплавленного карбоната (РКТЭ) функционируют при высоких температурах (около 600-700 °С). Такие рабочие температуры позволяют использовать топливо непосредственно в самой ячейке. Время запуска РКТЭ значительно, что не позволяет оперативно регулировать выходную мощность, поэтому основная область их применения - крупные стационарные источники тепловой и электрической энергии. Они отличаются высокой эффективностью преобразования топлива (электрический КПД составляет до 60 %). Широкое промышленное использование технологии обуславливают три фактора: электрохимические процессы в РКТЭ не требуют использования дорогих катализаторов; в качестве топлива может использоваться целый ряд натуральных и синтетических топлив; высокие температуры протекания процессов не требуют наличия дополнительного риформера для преобразования топлива.
Недостаток РКТЭ заключается в том, что они не могут работать на чистом водороде, а высокие температуры и химические реакции могут привести к коррозии и ускорить процесс износа элементов конструкции.
Анализ характеристик существующих типов ТЭ показывает, что для широкомасштабного применения
в энергетике наиболее перспективны ЭУ на базе твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) [13].
Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) имеют твердый керамический электролит [14-16]. Отличие от рассмотренных ранее видов заключается в высоких температурах реакции (650-1000 °С) и применяемом топливе - синтез-газе, который производится из любых ископаемых - угля, нефти, природного газа (метана) или из синтезированных углеводородов, биогаза. КПД электрохимического преобразования с учетом тепловой энергии может достигать 85 % [17].
ТОТЭ применяются в основном для стационарных ЭУ мощностью от 1 кВт и выше. Основной сферой применения этой технологии считается производство источников электрической и тепловой энергии для различных жилых, административных и прочих помещений [18]. Некоторые компании ведут разработки систем для промышленного использования. ТОТЭ широко применяются в качестве первичных и портативных резервных источников энергии большой емкости [19]. В последнее время ведутся разработки по использованию ТОТЭ в автомобильной промышленности, однако, в отличие от ПТЭ речь идет только о вспомогательных системах, а не о двигателе. Совместно с ПТЭ технология активно используется в малых стационарных приложениях (10-15 % производимых ЭУ). В крупных стационарных приложениях есть опыт производства коммерческих ЭУ мощностью 1 МВт.
ТОТЭ перспективны с точки зрения конструктивно-компоновочных решений, технологичности изготовления и эксплуатации. Энергоустановки на ТОТЭ обладают автономностью, минимальным обслуживанием, высоким ресурсом работы [20].
Чтобы данные ЭУ стали экономически конкурентоспособными на рынке, необходимо преодолеть ряд технических и технологических проблем и, в первую очередь, снизить рабочую температуру ТОТЭ до 500-600 оС, обеспечив при этой температуре высокую ионную проводимость используемых твердых электролитов.
Ведущими мировыми фирмами-
производителями ЭУ на ТОТЭ являются «Cummins-SOFCo», «Delphi-Battelle», «General Electric», «Siemens-Westinghouse Power Corporation», «Acumen-trics», «FuelCell Energy», «Solid Cell», «Horizon Fuel Cell Technologies», «BloomEnergy» и другие.
В России работы в данном направлении ведутся в Российском федеральном ядерном центре - ВНИИ технической физики им. академика Е. И. Забабахина (г. Снежинск), Уральском отделении Российской академии наук (г. Екатеринбург), ФГБОУ ВПО «НИУ
«МЭИ», НИЦ «Курчатовский институт», ООО «Уральская производственная компания» и других научно-исследовательских организациях [20].
Имеющиеся недостатки пока не позволяют широкомасштабно применять ЭУ на основе ТОТЭ для электроснабжения потребителей. Необходимо проведение исследований, направленных на оптимизацию работы данных ЭУ, изучение особенностей функционирования и управления ими. В Нижегородском государственном техническом университете им. Р. Е. Алексеева разрабатывается интеллектуальный гибридный источник электроэнергии, состоящий из электрохимического генератора на базе ТОТЭ, высокоёмкой никель-кадмиевой аккумуляторной батареи, ёмкостного накопителя и активно-адаптивной системы управления.
Разработка ЭУ на основе ТОТЭ и применение их в системах электроснабжения приведет к повышению эффективности, надежности и длительности бесперебойного электроснабжения ответственных потребителей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гарганеев А. Г. Системы аварийного электроснабжения ответственных потребителей переменного тока : учебное пособие. М. : Томский политехнический университет, 2009. 228 с.
2. Соснина Е. Н., Крюков Е. В., Веселов Л. Е. О применении энергоустановок на основе ТОТЭ для электроснабжения ответственных потребителей // Сборник научно-технических статей «Актуальные проблемы электроэнергетики». Нижний Новгород. 2014. С. 58-61.
3. Правила устройства электроустановок (ПУЭ 6 и 7 издания, все действующие разделы). Новосибирск : Сибирское университетское издательство, 2014. 464 с.
4. Сомов С. И. Состояние исследований, разработок и практического применения твердооксидных топливных элементов // Твердооксидные топливные элементы и энергоустановки на их основе. Черноголовка. 2010.
5. Колодкина Н. Н., Завиваев Н. С. Экономия электроэнергии - это реальность? // Социально-экономические проблемы развития муниципальных образований : материалы XIII международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых. Княгинино : НГИЭИ. 2009. С. 180-182.
6. Проект технического регламента «О безопасности при нарушениях электроснабжения» [Электронный ресурс]. URL: http://www.rosteplo.ru/Npb_files /npb _shablon.php?id=1026 (дата обращения 10.12.2014).
7. Липилин А. С. Роль твердооксидных топливных элементов в стратегии развития энергетики // Альтернативная энергетика и экология. 2009. № 9.
8. ГОСТ 15596-82. Источники тока химические. Термины и определения. Введ. 01.07.1982. М. : Изд-во стандартов, 2005. 14 с.
9. Хорошев В. Г. Разработка, изготовление и поставка опытного образца электрохимического генератора на основе высокотемпературных твердооксидных топливных элементов // Твердооксидные топливные элементы и энергоустановки на их основе. Черноголовка. 2010.
10. Бредихин С. И. Разработка элементной базы ТОТЭ планарной конструкции // «Топливные элементы и энергоустановки на их основе». Черноголовка. 2013.
11. Синяк Ю. В. Перспективы применения водорода в системах децентрализованного электро- и теплоснабжения // Проблемы прогнозирования. 2007. № 3. С. 42-59.
12. Иванчёв С. С., Мякин С. В. Полимерные мембраны для топливных элементов: получение, структура, модифицирование, свойства // Успехи химии. 2010. № 79 (2). С. 117-134.
13. Коровин Н. В. Топливные элементы. Химия. М. : Энергоатомиздат, 1998. 264 с.
14. Киселев И. В. Повышение энергетической эффективности твердооксидных топливных элементов и обоснование их применения для энергоснабжения потребителей малой мощности: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва : ФГБОУ ВПО «НИУ МЭИ». 2013. 20 с.
15. Чистые технологии. Портал «Cleantech.ru». Сравнительный анализ различных видов топливных элементов - Статья от 24.08.2007 [Электронный ресурс]. URL: http://www.cleandex.ru /articles/2007 /08/24/ fuelcell-comparative (дата обращения 10.12.2014).
16. Современная химия. Портал «himki-vaz.ru». Новый электролит для твердооксидных топливных элементов. [Электронный ресурс]. URL: http://himki-vaz.ru/ ximicheskaya -otrasl/al-ternativnoe-toplivo/novyi-elektrolit-dlya-tverdooksidnyx-toplivnyx-elementov.html (дата обращения 10.12.2014).
17. Плотников Н. С. Топливные элементы. Особенности использования // Энергетика и ЖКХ. 2013. С. 26.
18. Бродач М. М., Шилкин Н. В. Использование топливных элементов для электроснабжения зданий // АВОК. 2004. № 2. С. 52-60.
19. Таранов М. А., Медведько А. Ю. Возобновляемые энергоносители для автономного энергообеспечения // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2008. № 8. С. 2-3.
20. Плотников Н. С. Перспективы применения
твердооксидных топливных элементов в автономной энергетике // Энергетика и ЖКХ. 2013. С. 28.
21. Липилин А. С. ТОТЭ и энергосистемы на их основе. Состояние и перспективы // Электрохимическая энергетика. 2007. Т. 7. № 2. С. 61-72.
APPLICATION OF POWER INSTALLATIONS BASED ON SOLID OXIDE FUEL CELLS
© 2015
L. E. Veselov, master E. V. Kryukov, postgraduate student E. N. Sosnina, doctor of technical sciences, professor of the chair «Electric power engineering, power supply and power electronics»
A. P. Shashkin, postgraduate student Nizhny Novgorod State Technical University n. a. R. E. Alekseev, Nizhny Novgorod (Russia)
Annotation. The paper deals with the application of power installations based on fuel cells allowing to provide uninterrupted power supply to significant consumers remote from centralized electric networks. A comparative analysis of the characteristics of the existing types of fuel cells showed that power installations based on solid oxide fuel cells (SOFC) are the most promising for large-scale applications in the energy sector. Work is executed with financial support of the Ministry of Education and Science of Russia (agreement No. 14.577.21.0073 for a grant from 05.06.2014, the unique identifier of the project is RFMEFI57714X0073).
Key words: significant consumers of electricity, uninterrupted power supply, fuel cells, SOFC, hybrid power installations.
УДК 608.1
СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ЖИЛОГО КОМПЛЕКСА
© 2015
С. С. Валиев, студент 4 курса направления подготовки «Информационные системы и технологии» С. В. Кривоногов, преподаватель кафедры «Информационные системы и технологии» Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, Княгинино (Россия)
Аннотация. Статья посвящена современным энергосберегающим технологиям, которые используются для комфортного проживания. Описаны способы реализации и указаны основные направления развития современных энергосберегающих технологий. Рассказано про управление системой «умный дом». Описано одновременно комфортное и экономное освещение при помощи диммеров. Даны основные типы современных выключателей. Описано дистанционное управление электроустановочными изделиями и то, чем отличаются розетки и выключатели различных производителей. Даны способы соединения проводки с механизмом выключателей и розеток в системе «умный дом». Показан дизайн современных выключателей и розеток. Расписаны принципы управления диммерами. Даны основные технологии, направленные на более эффективное и рациональное использование энергетических и топливных ресурсов. Указаны принципы работы сенсорного светорегулятора, датчика движения, перекрестных выключателей, а также достоинства и недостатки интеллектуального управления всеми конструкциями жилого помещения. Описаны принципы энергоэффективного управления освещением, потреблением воды, микроклиматом. Подробно описана технология KNX, указаны ее преимущества, недостатки, способы применения. Даны принципы управления системой «умный дом» при помощи технологии KNX. Рассмотрены принципы обеспечения корректировки параметров работы системы с применением различных датчиков, которые фиксируют текущие показатели микроклимата в помещениях дома, а также средства для управления в виде переключателей и панелей. Дана концепция «интеллектуального здания», указаны возможности, технологии, принципы создания коммуникационных систем, оборудование автоматизации. Сделаны выводы по современному состоянию развития энергосберегающих технологий на основе управления «умный дом». Описаны примерные экономические обоснования внедрения этой системы.
