CC BY
18§
ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА И ТРАНСПОРТ
Топливные элементы
HYDROGEN ENERGY AND TRANSPORT
Fuel cells
РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА ХАРАКТЕРИСТИК
КОМБИНИРОВАННОЙ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ,
_ _ _
ВКЛЮЧАЮЩЕЙ ВЕТРОГЕНЕРАТОР, ЭЛЕКТРОЛИЗЕР,
РЕСИВЕР ВОДОРОДА И БАТАРЕЮ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ*
Н.И. Храмушин, В.А. Ружников
Физико-механический институт им. Г. В. Карпенко НАНУ ул. Научная, 5, Львов, 79601, Украина Тел.: (0322) 65-42-54; e-mail: tkachov@ipm.lviv.ua Государственный научный центр Российской Федерации «Физико-энергетический институт» Обнинск, Калужская обл., 249033, Россия
Аннотация
Расчетными методами проанализированы достоинства и недостатки различных режимов работы комбинированной энергоустановки электрической мощностью 7,5 кВт, включающей ветрогенератор (ВГ), электролизер, ресивер водорода и батарею топливных элементов (БТЭ). В частности, рассмотрен режим работы, когда вся электроэнергия, вырабатываемая ВГ, идет в электролизер для производства водорода, который накапливается в ресивере. Из ресивера водород поступает в БТЭ, обеспечивая ее непрерывную работу и генерацию электрической мощности и тепла для потребителя. Показано, что достоинством этого режима является постоянная работа БТЭ, а недостатком - большая потребная мощность ВГ, а значит, и стоимость всей установки. Рассмотрен также режим работы, когда часть (7,5 кВт) электрической мощности ВГ (если есть ветер и он работает) подается прямо потребителю, а остальная ее часть подается в электролизер для выработки и накопления в ресивере водорода. Когда ВГ не работает (нет ветра), включается БТЭ, которая генерирует электрическую мощность 7 кВт и тепло для потребителя, используя водород из ресивера. Достоинство этого режима - умеренная потребная мощность ВГ и, соответственно, стоимость установки. Недостатки - отсутствие тепла в режиме, когда электроэнергия поступает потребителю прямо с ВГ; необходимость частого включения-выключения БТЭ, что снижает его ресурс.
Разработка планарных твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) и батарей в ГНЦ РФ ФЭИ
ГНЦ РФ ФЭИ занимается разработкой ТОТЭ пла-нарного типа и энергоустановок (ЭУ) на их основе с 1996 г. За это сравнительно небольшое время в условиях ограниченного финансирования был проведен обширный комплекс НИОКР по разработке и исследо-
ванию планарных ТОТЭ и ЭУ на их основе, включающий работы по материалам и технологии ТОТЭ, испытания экспериментальных планарных ТОТЭ и батарей на лабораторных стендах, конструкторские проработки отдельных элементов, батарей и энергоустановки в целом, создание испытательной базы для проведения демонстрационных и ресурсных испытаний ЭУ мощностью до 10 кВт [1,2]. В настоящее время в ГНЦ РФ ФЭИ ведется разработка и совершенствование, в основном, двух технологий планарных ТОТЭ (с точки зрения несущего элемента): с несущим электролитом и с несущим анодом.
ТОТЭ с несущим электролитом. Основой ТОТЭ является планарный газоплотный твердооксид-ный электролит из YSZ толщиной 250...400 мкм, на который с двух сторон нанесены пористые электроды толщиной, как правило, 20.50 мкм: анод (кермет ШО - YSZ) и катод из манганита лантана-стронция La0 85Sr0 15MnO3 (LSM). В ФЭИ разработана технология получения газоплотного YSZ-электролита, которая позволяет получать изделия с высокой ионной проводимостью, стабильностью и воспроизводимостью электрофизических свойств, возможностью формирования электродных покрытий различными способами. С целью отработки конструкции и технологии ТОТЭ на специальном лабораторном стенде были проведены испытания более двухсот единичных элементов этого типа при температурах до 950°С. Максимальная плотность электрической мощности ТОТЭ, достигнутая при этих испытаниях, составила ~ 700 мВт/см2 при рабочей температуре 950°С .
Ведутся работы по дальнейшему совершенствованию этой технологии, в частности, в направлении дальнейшего снижения внутренних поляризационных и омических потерь в ТОТЭ, что, как мы полагаем, позволит довести плотность электрической мощности до 1000 мВт/см2. Разрабатывается технология создания каталитически активных пористых слоев на границах раздела «электрод-твердый электролит».
Статья поступила в редакцию 18.10.2005. The article has entered in publishing office 18.10.2005.
* Статья была представлена в виде доклада на Второй конференции по возобновляемой энергетики «Энергия будущего», проходившей в Ереване 27-28 июня 2005 г.
Эти технологии защищены 2 патентами и 2 заявками на изобретение и докладывались на ряде международных конференций.
ТОТЭ с несущим анодом и тонкопленочным электролитом. Ведущей тенденцией последних лет является стремление к максимально возможному снижению стоимости изготовления ТОТЭ и батарей за счет удешевления используемых материалов и технологий, что позволило бы в ближайшие несколько лет перейти к коммерциализации ЭУ на ТОТЭ. В настоящее время наиболее перспективным направлением представляется создание батареи на основе планарного ТОТЭ с несущим анодом и тонкопленочным (5...20 мкм) твердым электролитом с рабочей температурой 750 - 800ОС. Переход в эту область рабочих температур позволяет изготавливать почти все основные компоненты батареи ТОТЭ (кроме самого ТОТЭ) из металлических сплавов, что существенно повышает технологичность изготовления батареи и снижает ее стоимость. Основой ТОТЭ в этом случае является сравнительно толстый (до 1000 мкм) анодный диск из кермета ШО - YSZ, на который нанесены тонкие слои твердого электролита (YSZ) и катода (LSM+YSZ). В ГНЦ РФ ФЭИ разработана технология получения анодных дисков на основе кермета ШО - YSZ с регулируемой пористостью и хорошей проводимостью, которая обеспечивает требуемую технологическими нормами последовательность термической обработки при формировании покрытий твердого электролита и катода, возможность формирования многослойного анода («активного слоя» и коллектора). Эта технология обеспечивает повышенную термопрочность ТОТЭ и воспроизводима в промышленном масштабе. Отработка этой технологии началась в ФЭИ сравнительно недавно.
В настоящее время на экспериментальных образцах планарных ТОТЭ с несущим анодом достигнута плотность электрической мощности ~ 300 мВт/см2 при рабочей температуре ~ 800ОС. Ведется дальнейшее совершенствование этой перспективной технологии. На рис.1 (слева) планарный ТОТЭ с несущим анодом и тонкопленочным электролитом.
Справа показана разработанная в ГНЦ РФ ФЭИ металлическая биполярная пластина (БИП), которая является одним из ключевых компонентов батареи пла-нарных ТОТЭ.
.— ,— V
■г
I
*" !т/я
Рис. 1. Планарный ТОТЭ и биполярная пластина конструкции ГНЦ РФ-ФЭИ
Помимо коммутации ТОТЭ в последовательную электрическую цепь, БИП осуществляет герметичное разделение полостей топлива и окислителя, а также подвод топлива и окислителя к электродам ТОТЭ и отвод от них газообразных продуктов электрохимических реакций. Разрабатываемая БИП снабжена газоплотным защитным покрытием и токосъемами с деформируемым контактным слоем, что позволит
обеспечить ее высокую коррозионную стойкость в окислительной среде при высокой температуре и существенно снизить электрические потери при коммутации элементов.
На базе планарного ТОТЭ с несущим электролитом в ФЭИ в 2001-02 гг. создан и испытан ряд 3- и 5-элемен- < тных батарей с диаметром элемента до 60 мм [2]. Ис- н пытания батарей проводились на лабораторном стенде, | продолжительность испытаний около 200 ч, топливо « - водород. При температуре 950оС достигнута макси- я мальная выходная мощность 5-элементной батареи ~ ¡= 30 Вт при средней плотности электрической мощности £ ~ 260 мВт/см2. На рис.2 показана 5-элементная батарея (вместе с теплообменниками). Созданы несколько спе- | циальных стендов для проведения испытаний. ^
Рис. 2. Батарея планарных ТОТЭ с несущим электролитом конструкции ГНЦ РФ ФЭИ перед испытаниями
Основная проблема при испытаниях батарей ТО-ТЭ с несущим электролитом - значительные электрические потери в элементах токосъема и коммутации элементов в батарее. Следует отметить, что и зарубежные разработчики сталкиваются с этой серьезной проблемой.
Одним из путей решения этой проблемы является создание батареи на основе планарных ТОТЭ с несущим анодом и металлическими БИП на рабочую температуру 750 - 800оС. В настоящее время в ГНЦ РФ ФЭИ ведется разработка такой батареи с числом элементов от 30 до 40 шт. (рис.3). Проведены успешные испытания 5-ементных макетов такой батареи [2].
Рис. 3. Макет батареи на основе планарных ТОТЭ с несущим анодом и металлическими БИП
Помимо работ по основным технологиям собственно ТОТЭ, в ГНЦ РФ ФЭИ разработан также ряд технологий, связанных с созданием батарей ТОТЭ. В час-
Н.И. Храмушин, В.А. Ружников. Расчетная оценка характеристик комбинированной энергоустановки, включающей вет-рогенератор, электролизер, ресивер водорода и батарею топливных элементов
тности, разрабатывается технология специальных стеклоприпоев для пайки топливных элементов и батарей ТОТЭ. Разработана технология и создано устройство для электростатического нанесения тонких пленок электролита и защитных покрытий. Налаживается опытное изготовление керамических элементов пла-нарных ТОТЭ, использующее современные высокопроизводительные технологии: литье на движущуюся ленту (tape-casting), напыление по трафарету (screen-printing) и ряд других. При необходимом финансировании оно может быть быстро развернуто для промышленного производства.
Создается база для проведения демонстрационных и ресурсных испытаний ЭУ. В настоящее время смонтированы элементы стендовой системы «Каскад» для подготовки топлива и подогретого воздуха для испытаний ЭУ мощностью до 10 кВт. Разрабатывается оригинальный преобразователь постоянного тока в переменный (инвертор) для ЭУ с к.п.д. более 95%. К сожалению, из-за недостаточного финансирования эти работы приостановлены.
Расчетные оценки
Одним из интересных и перспективных применений топливных элементов, которые сейчас интенсивно исследуются, является включение их в состав энергоустановок, использующих такие возобновляемые источники энергии, как ветры или приливы. Особенностью этих источников является непостоянство их действия, что сильно затрудняет их использование для энергоснабжения потребителей, требует применения различных аккумулирующих устройств.
Нами сделаны расчетные оценки характеристик комбинированной энергоустановки (КЭУ) небольшой мощности, включающей батарею топливных элементов (БТЭ), ветрогенератор (ВГ) и электролизер (ЭЛ), ресивер (РС), принципиальная схема которой приведена на рис.4. Такая установка могла бы, например, использоваться в качестве автономного источника энергоснабжения в тундре или в горах, где постоянно дуют сильные ветры.
Запишем основные расчетные соотношения:
Электрический к.п.д. БТЭ равен :
Пбтэ = 3600 ^БТЭ / (°н2 ну)
(1)
GH2 = 3600 Ыбтэ / (Пбтэ Ну).
(2)
Электрическая мощность электролизера, производящего поток водорода 0Н2, будет равна:
МЭЛ = а Gн2,
(3)
где а - энергопотребление электролизера, кВт-ч/нм3. К.п.д. электролизера равен:
ПЭЛ = Н / 3600 а . (4)
Так, для а = 3,9 кВт-ч / нм3 пЭЛ = 0,77.
Рис. 4. Структура комбинированной энергоустановки - электрическая мощность ВГ (меняется в зависимости от скорости ветра); 0*и2 - поток водорода от электролизера (меняется в зависимости от мощности ВГ); Ои2 - объемный расход водорода из емкости (определяется электрической мощностью БТЭ); NБТэ - выходная электрическая мощность БТЭ.
Рассчитаем Ои2 и ЫЭЛ в зависимости от ПБТЭ при NБТЭ = 7,5 кВт и а = 3,9 кВт-ч / нм3 (Таблица).
Таблица. Результаты расчетов
^БТЭ, кВт 7,5 7,5 7,5 7,5
ПБТЭ 0,29 0,35 0,40 0,45
GH2 нм3/ч 8,39 6,95 6,08 5,4
^ЭЛ , кВт 32,7 27,1 23,7 21,1
Номинальная электрическая мощность ветрогенератора NBr при у = 0,4, кВт 82 68 59 53
где: Ну - объемная теплота сгорания водорода кДж/ нм3.
Из соотношения (1) легко получить формулу объемного расхода водорода для БТЭ:
Как следует из таблицы, при непрерывном режиме работы батареи топливных элементов с заданной электрической мощностью ^БТЭ = 7,5 кВт при ПБТЭ = 0,29 (29%) для обеспечения БТЭ топливом (Н2) необходим электролизер мощностью не менее 32,7 кВт. Отметим, что при увеличении ПБТЭ потребная мощность электролизера снижается.
В реальности мощность электролизера должна быть еще выше, так как он будет работать только тогда, когда есть подача электроэнергии от ветрогенератора, т.е. постоянно в течение, например, года. Поэтому величину ЫЭЛ = 32,7 кВт следует рассматривать как среднее значение мощности электролизера за год. Однако, чтобы этого достичь, номинальная мощность электролизера должна быть существенно выше.
Рассмотрим на примерах несколько схем построения КЭУ и их характеристики.
Схема №1. Вся электроэнергия, вырабатываемая ветрогенератором, идет в электролизер для производства водорода, который затем поступает в ресивер и там накапливается. Из ресивера водород поступает в БТЭ, обеспечивая ее непрерывную работу БТЭ генерирует электроэнергию (7,5 кВт) и тепло для потребителя.
Для непрерывной работы БТЭ мощностью 7,5 кВт с к.п.д. = 29% в течение года ( ~ 8800 ч ) необходимо (см. табл.) 8,39 нм3/ч • 8800 ч = 73 832 нм3 водорода. При этом к электролизеру необходимо подвести 32,7
кВт ■ 8800 ч = 287 760 кВт-ч электроэнергии, которую должен выработать ВГ.
Годовую выработку электроэнергии ветрогенера-тором характеризуют т.н. мощностным фактором у (Capacity factor), т.е. отношением фактически выработанной энергии за год к тому ее количеству, которое ВГ мог бы выработать при непрерывной работе на номинальной мощности в течение года. По литературным данным у обычно составляет 0,25-0,30. Наилучшее значение у достигает ~ 0,4 (по данным American Wind Energy Association, 1998).
Таким образом, чтобы за год выработать 287 760 кВт-ч электроэнергии даже при у = 0,4, ВГ должен иметь номинальную мощность 32,7 / 0,4 = 82 кВт. При у = 0,25 - 0,3 номинальная мощность ВГ будет составлять примерно 110 - 130 кВт. При этом мы полагаем, что передача энергии от ВГ к электролизеру происходит без потерь. Значения ЫВТ для различных к.п.д. батареи топливных элементов приведены в последней строке таблицы.
Чтобы обеспечить указанную мощность ветрогене-ратора, необходимо поставить или один ВГ мощностью 100-130 кВт, или 10-11 испанских ветроустановок ВК-12 компании «Bornay» номинальной мощностью по 12 кВт, или, например, 7-8 российских ветроуста-новок, производимых АО «Торнадо» (г. Истра, Московская область) мощностью по 16 кВт. Очевидно, последние два варианта вряд ли приемлемы.
Сделаем стоимостные оценки этой схемы (по российским и иностранным источникам, а также материалам из Интернета: EWEA, Publications, THE ECONOMICS OF WIND ENERGY).
Удельная стоимость ветрогенераторов (или удельные капитальные затраты) оценивается величиной ~1000 Евро за 1 кВт установленной мощности. Например, ветрогенератор «Bornay» мощностью по 12 кВт стоит 11 733 Евро.
Оценочная удельная стоимость электролизера ~1000 $ за 1 нм3/ ч, т.е. электролизер производительностью ~ 8,4 нм3/ч может стоить примерно 8400 $.
Обзор мировых данных по энергоустановкам на твердополимерных топливных элементах (см., например, доклад В.Н.Фатеева «Топливные элементы с твер-дополимерным электролитом: проблемы и перспективы», ИАЭ им. Курчатова, 2000 г.) показывает, что в ближайшие несколько лет их цена может снизиться до 1000-1500 $ за 1 кВт установленной мощности, т.е. это означает, что цена установки в 7,5 кВт составит 7 500 - 11 250 $ США.
К сожалению, мы не смогли найти данных по стоимости ресиверов водорода, однако полагаем, что емкости для хранения водорода под давлением стоят недешево.
Что касается вместимости ресиверов для аккумуляции водорода, то, например, стандартный ресивер ВЭУ-20 1У 01 емкостью 20 м3 при давлении 10 атм может вместить 200 нм3 водорода, которых хватит все-
го на 24 ч (200/8,39) работы БТЭ, что, конечно, мало. Стандартный ресивер емкостью 80 м3 при давлении 9 атм может вместить 720 нм3 водорода на 86 ч работы БТЭ.
Например, для обеспечения работы БТЭ в течение недели требуется 1400 нм3 водорода, т.е. 7 ресиверов < емкостью 20 м3 или 2 ресивера емкостью 80 м3. н
Схема № 2. Часть энергии ветрогенератора (если | есть ветер и он работает) подается прямо потребите- Cen лю (7,5 кВт), а остальная ее часть подается в элект- ñ ролизер для выработки и накопления в ресивере во- | дорода. Когда ВГ не работает (нет ветра), включается н БТЭ, которая генерирует электрическую (7,5 кВт) и «É тепловую мощность для потребителя, используя водород из ресивера. ^
Положим, что у = 0,4. Упрощая ситуацию, будем § считать, что 40% времени в году ВГ работает на номи- ® нальной мощности (8800 ч ■ 0,4 = 3520 ч), а остальные 60% (5280 ч) - простаивает ввиду отсутствия ветра. Таким образом, за 3250 ч работы ВГ должен выработать 7,5 кВт ■ 3250 ч = 24 375 кВт-ч электроэнергии для потребителя и такое количество электроэнергии для электролизера, чтобы произвести водорода на 5280 ч работы БТЭ при мощности 7,5 кВт в период отсутствия ветра, т.е. 5280 ■ 8,39 = 44299 нм3. Это количество электроэнергии равно 172 766 кВт-ч (44 299 ■ 3,9). Таким образом, за 3250 ч ВГ должен произвести 197 141 кВт-ч (24 375 + 172 766) электроэнергии, а его номинальная мощность должна составлять 61 кВт (197 141 / 3 250). Это почти в два раза меньше, чем в случае схемы № 1.
И в заключение отметим достоинства и недостатки обеих рассмотренных схем.
Схема №1. Достоинство - постоянная работа БТЭ с генерацией необходимого количества электричества и тепла для потребителя, недостаток - большая потребная мощность ВГ, а значит и стоимость всей установки.
Схема №2. Достоинство - умеренная потребная мощность ВГ и, соответственно, стоимость установки, недостаток - отсутствие тепла в режиме, когда электроэнергия поступает потребителю прямо с ветрогене-ратора, необходимость частого включения-выключения БТЭ, что снижает его ресурс.
Литература
1. Gulevich A., Mezheritsky G., Ruzhnikov V., Khramushin N. Status of Planar SOFCs Development
at the IPPE. In proceedings of the 5th European Solid ■<
Oxide Fuel Cell Forum, Lucerne (Switzerland), 2002, Í
V.2, p.760. I
2. Gulevich A., Ruzhnikov V., Khramushin N. ^ Planar SOFCs and Stacks at the IPPE. In proc. of the | International Symposium «Solid Oxide Fuel Cell VIII», с Paris (France), 2003, p.963. |
6 0
