Перспективы применения топливных элементов на карьерном автотранспорте Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Перспективность применения электрифицированных систем автотранспорта для работы в глубоких карьерах увеличивается в условиях непрерывно возрастающих цен на жидкое топливо и отработки разведанных его запасов в течение ближайших 20-30 лет. Поэтому оснащение горных предприятий и расположенных рядом городов и поселков, потребляющих тепловую и электрическую энергию мобильными энергоустановками, ориентированными на энергопотребление конкретного предприятия должно осуществляться с использованием когенерационных технологий. Вблизи разрезов или на их борту устанавливаются мобильные теплоэлек-трические станции, работающие на местном топливе и обеспечивающие электроэнергией добывающее предприятие и поставляющее тепло для расположенных вблизи городов и поселков.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Фиделев А. С. Троллейный и дизель-троллейвозный транспорт. - М.: Недра, 1966. - 85 с.

2. Дизель-троллейвозный транспорт на карьерах / В.Л. Яковлев, В.П. Смирнов, Ю.И. Лель, Э.В. Горшков. - Новосибирск: Наука. Сиб. отделение, 1991. - 104 с. ГТТШ

— Коротко об авторах —

Горшков Э.В. - к.т.н., доц., УрГГА, Тарасов А.П. - м.н.с., ИГД УрО РАН.

--© П.И. Тарасов, А.Г. Журавлев,

М.В. Исаков, 2008

УДК 330.341.1:65.01

П.И. Тарасов, А.Г. Журавлев, М.В. Исаков

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА КАРЬЕРНОМ АВТОТРАНСПОРТЕ

ри возрастающем дефиците топливно-энергетичес-ких ресурсов на открытых горных работах в перспективе

318

может выдержать конкуренцию только транспорт, имеющий низкую удельную энергоёмкость. Это прежде всего относится к тем видам карьерного транспорта, у которых низкий коэффициент тары и небольшие затраты на подъём собственной массы. Известно, что автомобильный транспорт имеет незначительные резервы по снижению коэффициента тары. С повышением глубины карьеров и средневзвешенного продольного уклона автодорог автосамосвалы с комбинированной энергоустановкой (КЭУ) позволяет компенсировать часть энергии, затрачиваемой на подъём собственной массы автомобиля, путём её рекуперации.

Применение крутых уклонов автодорог (10-12 %) позволяет форсировать вскрытие месторождений полезного ископаемого, снизить объёмы горно-капитальных работ, а также сократить расстояние транспортирования горной массы с глубоких горизонтов карьера. Расчёты позволили установить, что в карьере глубиной 300 м, имеющем минимальные параметры для размещения погрузочного и транспортного оборудования, изменению продольного уклона спирального съезда от 8 до 12 % при применении автомобилей грузоподъёмностью 75, 110 и 180 т соответствует снижение объёмов дополнительного разноса бортов карьера соответственно на 14,0, 15,7, 17,7 млн т. С ростом глубины карьеров до 400-500 м эти объёмы будут возрастать.

Ведение горных работ с использованием автосамосвалов с КЭУ, в основном, аналогично технологии с дизельными автосамосвалами и отличается возможным сокращением горизонтальных участков в забое и на отвалах, увеличением продольных уклонов на трассе. Эти технологические особенности могут оказать некоторое позитивное влияние на параметры системы разработки с применением автосамосвалов с КЭУ.[1]

На эксплуатируемых автосамосвалах используют в качестве силового агрегата дизельный двигатель. Возможно, использование ГТД в качестве силового агрегата и возможно получение энергии от внешних источников, например, от контактной сети (троллеи), как это реализовано в дизель-троллейвозе.

ГТД - это надежный, легкий двигатель, (1-2 кВт/кг.) прост в эксплуатации, не токсичен, бесшумен, но имеет большой расход топлива при малых мощностях.

Дизельный двигатель требует частых ремонтов, имеет высокую удельную массу (6-10 кг/кВт.), токсичен. Минимальный пре-

319

дел расхода топлива 190 г/кВт-час, при существующих 210 г/кВт-час.

Питание энергосистем самосвала от внешнего источника от контактной сети экономически целесообразно, но карьерные условия не позволяют использовать троллеи на нижних и средних горизонтах, из-за высокой вероятности повреждения при буровзрывных работах, и частым переносом дорог.

Каждый вид первичного двигателя имеет свой преимущества, и недостатки, из-за которых, применение того или иного двигателя становится нерациональным.

Следует обратить внимание на то, что карьерный транспорт в течение смены работает по одному циклу (движение порожняком по отвалу - спуск в карьер - движение по забою порожняком - загрузка - движение по забою с грузом - подъем - разгрузка). Движение самосвала без груза по горизонтальной плоскости не требует больших энергозатрат. При движении на подъем в грузовом направлении энергопотребление двигателя максимально, а при движении вниз высвобождается потенциальная энергия, запасенная при движении в грузовом направлении.

В современных системах электропривода карьерных автосамосвалов, энергия электродинамического торможения рассеивается на тормозных резисторах в виде тепла.

Однако, если запасти эту энергию, то её хватит для питания силовых и вспомогательных цепей порожнего самосвала при движении от места разгрузки до места погрузки.

320

Техническое решение - у типичного самосвала заменить дизельный двигатель на легкий и не токсичный ГТД, комбинированный с аккумулятором энергии. При использовании ГТД -снижается загазованность карьера и повышается надежность энергосиловых систем самосвала. При малом потреблении система питается от Аккумулятора энергии, когда использование ГТД не рационально (общая масса установок ГТД + аккумулятор не превышает массу дизеля такой же мощности). При такой конфигурации энергосиловой установки экономия топлива может достигать 20 % от расхода дизельного двигателя той же мощности [2].

В качестве аккумулятора энергии можно использовать маховик, суперконденсатор, электролитический аккумулятор, электрохимический генератор.

При использовании маховика, из-за высокой скорости вращения высока вероятность разрыва маховика и большой гироскопический момент воздействует на раму, эти недостатки могут привести к серьезной аварии. Уклоны ограничивают при-менение электролитических аккумуляторов, для которых большое значение имеет уровень электролита.

Источники малой мощности, которые можно работают по накопительному принципу (маховик, суперконденсатор, электролитический аккумулятор) не могут дать больше энергии, чем в них запасено. В реальных условиях эксплуатации весьма вероятны режимы, когда запасенная энергия расходуется не рационально и её

321

может не хватить на технологические операции, следовательно, появится необходимость запускать ГТД преждевременно. С этой точки зрения такой накопитель-гене-ратор, как топливный элемент является весьма перспективным для применения в КЭУ.

Топливный элемент - химический источник тока, в котором активные вещества поступают к электродам извне; это прямой преобразователь химической энергии в электрическую, в котором реакция электрохимического окисления протекает без расхода вещества электродов и без расхода электролита. Исходными реагентами служат компоненты химического топлива - горючее и окислитель, обладающие запасом энергии химической связи, которая преобразуется в энергию постоянного электрического тока. Принципиальное отличие процесса электрохимического окисления от горения: все стадии химической реакции горения при активном столкновении молекул в смеси горючего и окислителя протекают одновременно во всех элементарных объемах области, занятой компонентами топлива с взрывом и выделением тепловой энергии. В ТЭ стадии суммарной токообразующей реакции так же одновременны, но локализованы в различных областях внутреннего пространства топливного элемента, и в отличие от указанной реакции электрохимическое окисление является управляемым процессом. Химическое уравнение суммарной токообразующей реакции имеет такой же вид, как и при горении.

В технической литературе наибольшее распространение получила классификация ТЭ по типу электролита. В настоящее время практическое применение нашли пять типов ТЭ, основные характеристики которых приведены в табл. 1.

Исходя из данных в приведенных в таблице, можно сделать вывод, о том, что для применения на карьерных автосамосвалах наиболее подходят твердополимерные ТЭ. Твердополимерные ТЭ не подвержены влиянию оксидов углерода, содержащихся в выхлопном газе ГТД, и малочувствительны к вибрации и уклонам, из-за отсутствия электролита.

Электрохимический генератор - это 2 и более соединенных между собой и согласованных топливных элементов, для совместного производства энергии. Основные данные приме-няемых на практике топливных элементов приведены в табл. 2.

322

Таблица 1

Основные характеристики ТЭ [3]

Тип Рабочие КПД % Исп. реагенты Применение

элемента температуры, °С Электрический суммарный топливо окислитель

Щелочные ТЭ 20-120 30-35 40-60 Чистый водород Кислород, воздух (без СО2) Спецтехника, электромобили, автономное электропитание

Твердополи-мерные ТЭ 30-160 30-35 50-70 Водород, метанол и др. Воздух Спецтехника, электромобили, портативная аппаратура, децентрализованное энергоснабжение

Фторокислые ТЭ 150-200 37-42 70-80 Продукты конверсии метана Воздух Стационарные источники электро- и тепло - снабжение.

Расплавлено-карбонные ТЭ 600-700 54-50 70-80 Продукты конверсии углеводородов, био-газ Воздух Стационарные источники электро- и тепло - снабжение

Твердооксидные ТЭ 700-1000 50-60 70-80 Метан, Продукты конверсии углеводородов, биогаз Воздух Стационарные и мобильные источники электро - и тепло -энергии

Таблица 2

Теоретические значения удельных показателей ТЭ для идеализированныш ЭХГ [4]

Химические реагенты Напряжение элемента, В Расход массы на единицу генерируемой энергии г/МДж Энергия на еденицу массы топлива кДж/кг

Горючее Окислитель Топливо

Н2 - О2 0,9 10,6 9,6 102,2 9750

СзИ8 - О2 0,8 27 91,6 118,6 8460

ЫН3 - О2 0,7 83,4 116,6 200 5000

N^4 - О2 0,9 91,6 91,6 183,2 5450

Ы2Н4 - н2о 0,9 91,6 197,6 289 3470

Примечание: Реальный удельный расход топлива в 1.5-2 раза, а его удельная энергия снижается в 1.5 - 2 раза, по сравнению с соответствующими теоретическими данными, приведенными в таблице.

При использовании электрохимического аккумулятора как накопителя энергии в КУЭ, следует отметить следующие положительные и отрицательные стороны.

Положительные стороны:

^ Высокая эффективность — при использовании электрической энергии КПД установки составляет 30-50 %.

^ Доступность и низкая стоимость топлива — в стационарных топливных элементах обычно используется доступный и дешевый природный газ (необходимый для работы водород вырабатывается из топлива непосредственно в топливном элементе); кроме природного газа может использоваться чистый водород и любое водородсодержащее сырье: газ, аммиак, метанол, бензин, и т. д.

^ Экологичность — при использовании в качестве топлива чистого водорода продуктом реакции является только вода (водяной пар); при использовании других видов топлива возможно незначительное выделение других газов, например, оксидов углерода и азота.

^ Масштабируемость — в отличие, например, от двигателей внутреннего сгорания, КПД топливных элементов остается постоянным в любом диапазоне вырабатываемой мощности; малые установки столь же эффективны, как и большие; мощность установок может быть увеличена простым добавлением отдельных элементов.

^ Надежность и долговечность.

^ Низкий уровень шума при работе.

^ Простота эксплуатации — топливные элементы практически не нуждаются в обслуживании.

Отрицательные стороны:

324

^ низкая мощность разряда; ^ низкая приемистость;

^ топливный элемент не является самостоятельной ячейкой, для непрерывной работы требуется установка ТЭ в единый корпус, и системы питания и равномерного охлаждения. ^ высокая сложность согласования ТЭ в ЭХГ; ^ высокая стоимость, обусловленная штучным производством и использованием драгоценных материалов, прогнозируемая стоимость 1,5-3 тыс. долларов за кВт. [3]

Внедрение электрохимического генератора в горное производство (карьерный автосамосвал) жестко ограничено, из-за технического несовершенства конструкции, малого срока службы, ненадежности высокой стоимости современных топливных элементов. Когда ТЭ достигнут необходимого технического уровня, их можно будет использовать не только в качестве вспомогательной, но и качестве основной энергосиловой установки на карьерном автосамосвале.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Тарасов П.И. Условия и перспективы применения комбинированных энергосиловых установок на карьерных автосамосвалах / П.И. Тарасов, Ю.А. Бах-турин, А.В. Глебов, Г.Е.Ковалёв// Энергосбережение на карьерном автомобильном транспорте, материалы международного научно-технического семинара 24-26 июля 2003 г. Екатеринбург. ИГД УрО РАН, 2003. С.-249-263.

2. Тарасов П. И. О создании комбинированных энергосиловых установок для карьерных автосамосвалов / П.И. Тарасов, А.Г. Журавлев //Проб-лемы карьерного транспорта. Материалы VIII международной научно-практической конференции, 20-23 сентября 2005 г. - Екатеринбург: УрО РАН 2005. С 183-186.

3. Груздев А.И. Состояние и перспективы развития производства высокотехнологичных автономных источников электрической энергии в России. / И.А. Груздев // Электрохимическая энергетика том 6 номер 2 2006 г.

4. Бут. Д.А. Накопители энергии / Д.А. Бут, Б. Л. Алиевский, С.Р. Мизюрин, П. В. Васюкевич//Энергоатомиздат Москва 1991. н'.иа

— Коротко об авторах -

Тарасов П.И., Журавлев А.Г. - к.т.н., ИсаковМ.В. - м.н.с.,

ИГД УрО РАН.

--© А.П. Долженков, 2008

325