CC BY
36УДК 621.311:621.316.1
ВНЕДРЕНИЕ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ В СИСТЕМУ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
1 2 3
Муровский С. П. , Купленный В. О. ,_Тараненко Б. И.
1 Академия строительства и архитектуры (структурное подразделение) ФГАОУ ВО «КФУ им. В.И. Вернадского»,
295493 РК г. Симферополь, у. Киевская, 181 , vladskiy1997@mail.ru
2,3_ООО "Пожарная безопасность", г. Симферополь, Российская Федерация, bodianenergy@mail.ru
Аннотация. В работе проанализированы перспективы развития автономных систем электроснабжения промышленных предприятий на базе мини-ГЭС и электрохимических генераторов, направленные на снижение потребления органических видов топлив. Рассмотрено техническое решение, направленное на повышение энергоэффективности предприятия путем внедрения комбинированной автономной системы электроснабжения на базе мини-ГЭС и электрохимических генераторов, позволяющее перераспределять электроэнергию между потребителями внутри предприятия или накапливать ее в системе электрохимической генерации в период минимального потребления.
Ключевые слова: ресурсосбережение, электроснабжение, мини-ГЭС, электрохимический генератор, комбинированные системы промышленного электроснабжения, Крым
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время для Крымского региона энергетическая ситуация является весьма нестабильной из-за недостаточной генерации собственной электроэнергии и нехватки мощности энергомоста, проложенного с материковой части России. С целью обеспечения промышленных предприятий полуострова бесперебойным электроснабжением актуальными является внедрение ресурсосберегающих технологий по экономии традиционных энергоносителей и внедрению комбинированных энергообъектов, использующих энергию возобновляемых источников (ВИЭ).
С целью реализации мероприятий по ресурсосбережению в Крыму принята государственная программа, основные положения которой отражены в ряде документов:
- Закон Республики Крым № 77 - ЗРК «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности в Республике Крым» от 28 января 2015 года [1];
- Приказ № 916 «Об утверждении методических рекомендаций по разработке и реализации региональных и муниципальных программ в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности» от 11 декабря 2014 года [2].
Основные положения данных документов в условиях сложившегося энергетического кризиса легли в основу формирования главной стратегической цели государственной политики Республики Крым, направленной на стабилизацию функционирования экономики, основными задачами которой являются:
- эффективное и рациональное использование энергетических ресурсов;
- поддержка и стимулирование энергосбережения и повышения энергетической эффективности;
- системность и комплексность проведения мероприятий по энергосбережению и повышению энергетической эффективности;
- планирование энергосбережения и повышения энергетической эффективности;
- использование энергетического потенциала с учетом ресурсных, производственно-технологических, экологических и социальных условий.
Исходя из принятого направления развития энергетической политики региона, направленной на ресурсосбережение, и учитывая географические и климатические характеристики Крымского полуострова основное внимание необходимо уделять повышению эффективности эксплуатации традиционных генерирующих объектов и внедрению комбинированных энергосистем на базе ВИЭ.
АНАЛИЗ ПУБЛИКАЦИЙ
Неравномерные режимы работы промышленных предприятий приводят к избытку электроэнергии в сетях и в ночное потребление электроэнергии резко падает. Такой «рваный» режим работы негативно сказывается на межремонтном сроке эксплуатации оборудования электростанций, так как в пиковые часы оборудование работает на предельных режимах и быстрее изнашивается. Для выравнивания режима электропотребления и снижения износа оборудования, практикуется аккумулирование электроэнергии в ночное время
[3].
Современные электроэнергетические системы, используя большие энергетические потоки, остро нуждаются в автономных системах хранения и получения энергии, которые могут накапливать,
сохранять и при необходимости генерировать энергию [4].
В последние годы в большинстве стран мира большое внимание уделяется практическому использованию энергии воды и
электрохимическому преобразованию энергии для промышленного электроснабжения. Теоретические и практические исследования систем альтернативного электроснабжения показывают, что имеются резервы повышения эффективности использования электрохимического преобразования энергии в течение значительной части года за счет повышения энергетических показателей
эффективности аккумулирования энергии. Рост процессов электрохимического преобразования в электрохимических генераторах (ЭХГ)
используемых как приставка к генерирующим мини-ГЭС позволит эффективно использовать выработанную электроэнергию, особенно в период пика потребления, увеличить коэффициент замещения традиционного топлива, уменьшить тепловое загрязнение и объем выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду.
Географическое положение горного Крыма таково, что вся его территория пригодна для развития электроснабжения с использованием мини-ГЭС. Удельные водные ресурсы горной части Крыма в 32 раза превышают ресурсы равнинной части степного Крыма. Степной Крым с удельными водными ресурсами в 3 тыс. м3 в год на 1 км2 практически является бессточной областью. К тому же водные ресурсы рек Крыма резко изменяются от года к году вследствие частого чередования многоводных и маловодных лет. В многоводные годы они могут быть в 2-3 раза больше, а в маловодные - в 2-3 раза меньше, чем в средние по водности годы [5].
Учитывая тот факт, что значительная часть рек Крыма впадает в Черное море, существует актуальность внедрения комбинированных энергосистем, использующих энергию ВИЭ с применением мини-ГЭС для обеспечения автономного электроснабжения совместно с электрохимическими преобразователями энергии, позволяющих экономить дефицитное органическое топливо.
Аккумуляторные батареи, принятые на сегодняшний день в качестве основных автономных источников энергии, зачастую никак не соответствует возросшим требованиям,
предъявляемым к источникам энергии с улучшенными техническими характеристиками. Действительную альтернативу аккумуляторам могут составить ЭХГ. В отличие от химических источников тока в ЭХГ для получения электроэнергии в качестве реагентов принято использовать не металлы и их соединения, а неэлектропроводные вещества, значительно менее дорогостоящие и недефицитные, например, водород, кислород. Вследствие чего ЭХГ по сравнению с аккумуляторами обладают малой материалоемкостью и имеют высокий КПД (60-
80%), обеспечивают стабильную работу при изменении нагрузки, бесшумность, экологическую чистоту и компактность. Перспективы развития таких источников тока, основанных на прямом преобразовании химической энергии в электрическую, и возможности их применения в составе комбинированной системы с ВИЭ дает толчок энергонезависимости для потребителей [6].
В настоящее время рынок предлагает множество различных моделей ЭХГ различающихся по размерам и конструкции, мощности в зависимости от их применения. ЭХГ можно разделить на низкотемпературные с рабочей температурой ниже 100°С, среднетемпературные с рабочей температурой до 300°С, высокотемпературные с рабочей температурой выше 500°С [7].
В ЭХГ на базе топливных элементов с протонно-обменной мембраной в качестве электролита используется полимерная мембрана толщиной примерно 175 мкм (рис. 1). Восстановителем выступает чистый водород, рабочая температура до 100°С. Преимуществами являются компактная конструкция и длительный срок службы, быстрый запуск. К недостаткам такой конструкции можно отнести высокие производственные затраты и сложную систему отвода воды [7].
Рис.1. Внешний вид топливного элемента с протонно-обменной мембраной
В щелочных топливных элементах (рис. 2) используется жидкий электролит (водный раствор КОН). Концентрация КОН может меняться в зависимости от рабочей температуры цикла.
Рис. 2. Внешний вид щелочного топливного элемента
Из преимуществ ЭХГ на базе щелочных топливных элементов можно выделить низкие эксплуатационные расходы, отсутствие
компрессора, быстрая кинетика катодных процессов. Недостатками такой системы является большой размер, высокая чувствительность к
различным примесям в подаваемом водороде и кислороде [8].
Твердооксидные топливные элементы, представленные на рис. 3, являются высокотемпературными с рабочей температурой в диапазоне от 600°С до 1000°С, что позволяет использовать различные типы топлива без специальной предварительной обработки.
Рис. 3. Внешний вид твердооксидного топливного элемента
Для работы с высокими температурами, используемый электролит представляет собой тонкий твердый оксид металла на керамической основе, чаще всего это сплав иттрия и циркония, который является проводником ионов кислорода (О2-). КПД таких ЭХГ является самым высоким из всех рассматриваемых - около 60%. В отличие от других конструкций ЭХГ, высокие рабочие температуры позволяют осуществлять
комбинированное производство тепловой и электрической энергии для получения пара высокого давления с целью повышения суммарного КПД генерации электрической энергии до 70% [9].
На основе проведенного аналитического исследования можно сделать вывод, что основным фактором внедрения ресурсосберегающих технологий в систему электроснабжения промышленных предприятий является разработка и внедрение комбинированных энергосистем на базе мини-ГЭС и ЭХГ.
ЦЕЛЬ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ
Целью работы является повышение энергоэффективности комбинированных систем электроснабжения с применением мини-ГЭС и ЭХГ для условий Крымского полуострова с целью внедрения ресурсосберегающих технологий в систему электроснабжения промышленных предприятий.
Для разработки технических решений по повышению энергоэффективности систем автономного электроснабжения, направленных на внедрение ресурсосберегающих технологий, с целью снижения потребления органических видов топлив, а именно применение мини-ГЭС и ЭХГ, был проведен анализ гидрологических параметров горных рек Крыма по данным многолетних наблюдений; обоснован выбор рациональной конструкции мини-ГЭС и ЭХГ с учетом особенности территории размещения объекта. Учитывая требования государственной программы по энергосбережению традиционных
энергоносителей, предлагаемые технические решения являются весьма актуальными для автономного электроснабжения промышленных предприятий Крымского региона.
В качестве объекта для разработки технических решений автономного электроснабжения промышленного предприятия был выбран завод по производству пенобетонных блоков установленной мощностью 60 кВт, расположенный в с. Танковое Бахчисарайского района. Так как Бахчисарайский район является не только индустриальным центром, но и заповедной зоной и в нем сосредоточен значительный культурный и научный потенциал Крыма, то технические решения по электроснабжению завода направлены на снижение потребления органических видов топлив и как следствие уменьшения выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух, что являются приоритетными и актуальными.
План местности с размещением завода по производству пенобетонных блоков в с. Танковое представлен на рис. 4 [10].
Рис. 4. План местности с размещением завода по производству пенобетонных блоков в с. Танковое
Основополагающим фактором при выборе данного объекта послужило наличие реки с подходящим среднегодовым расходом воды, а также наличие свободных площадей, где планируется установка комбинированной энергосистемы для автономного энергоснабжения предприятия. Анализ данных по среднегодовому стоку реки Бельбек позволил обосновывать выбор места установки мини-ГЭС в районе завода. Показатель среднегодового расхода в 2,75 м3/с (рис. 5) сходен с соответствующими показателями малых рек для таких стран как Германия и Австрия для которых разработаны и приняты к реализации программы по обеспечению электроснабжения зданий и сооружений с применением мини-ГЭС.
Для выбранного района строительства завода была применена энергосхема состоящая из трех бесплотинных водоворотно-всесезонных мини-ГЭС (БВВмГЭС). Учитывая данные среднемесячного расхода реки Бельбек (рис. 5), расчет
вырабатываемой электрической мощности одной мини-ГЭС проводим по формуле (1) [11]:
Рэл = О-н-я-п
где: Рэл - электрическая мощность, кВт; О - среднемесячный расход, м3/с; Я - ускорение свободного падения; П - КПД мини-ГЭС; Н - напор.
(1)
в
2,5
§ 1
2,75 2,75
1,5
0,5 0
0,5 0,6 I |||
2,08
пз га га ®
1,5
1,8
1,1
1,3
1,2
0,5
III
I- Л .О Л л
и о. о. о. о. С ю й Ю
со <
¡= Ь О
I Л -р
01 о и
о
Рис. 5. График среднемесячного расхода реки Бельбек
Результаты расчета выработки электроэнергии представлены в табл. 1 и построена графическая зависимость среднемесячной выработки электроэнергии на мини-ГЭС (рис. 6).
Таблица 1
Среднемесячная выработка электроэнергии на одной БВВмГЭС
Месяц Расход Выработка
среднемесячный, О, м3/с электроэнергии, Рэл, кВт-ч
Январь 0,5 5,15
Февраль 0,6 6,18
Март 1,5 15,45
Апрель 2,75 28,32
Май 2,75 28,32
Июнь 2,08 21,42
Июль 1,5 15,45
Август 1,8 18,54
Сентябрь 1,1 11,33
Октябрь 1,3 13,39
Ноябрь 1,2 12,36
Декабрь 1,05 11,03
Рис. 6. График среднемесячной выработки электроэнергии одной БВВмГЭС
Мини-ГЭС содержит заглубленный в вихревой поток вертикальный корпус ротора, разделенный на барабаны со смещенными по окружности лопастями для равномерной работы. Лопасти делятся три вида: внутренние створчатые, поворотные ступенчатые и флюгерные. Флюгерные лопасти вращаются в обратном направлении от барабанов, так как работают на встречной ветви потока. Передача вращения в одном направлении осуществляется за счет устройства, взаимосвязанного с центральным валом ротора и мультипликатором. Все части и механизмы закрепляются в корпусе, который является основой крепления конструкции в вихревом потоке. Примененная конструкция мини-ГЭС позволяет увеличить мощность и может быть установлена в потоке воды на различной глубине. Проведенные расчеты показывают, что прибавка в конструкцию БВВмГЭС флюгерной лопасти, берущей силу со встречной ветви потока, дает увеличение суммарной площади лопасти под нагрузкой на 30-35%, соответственно настолько же и КПД. В целях улучшения энергоэффективности БВВмГЭС предлагается применение водозаборов для повышения расходных характеристик реки на 30% (рис. 7).
План размещения блока БВВмГЭС на реке Бельбек и энергоблока ЭХГ на территории завода представлен на рис. 7.
Рис. 7. План-схема размещения блока БВВмГЭС на реке Бельбек
Анализ полученных графических зависимостей среднемесячной выработки электроэнергии говорит о преимуществах применения мини-ГЭС для автономного электроснабжения промышленных предприятий в горных районах Крыма.
С целью выравнивания режима электропотребления и снижения износа оборудования предприятия, предлагается аккумулирование излишков электроэнергии в ночное время. Проведенные теоретические исследования систем электрохимического преобразования энергии показывают эффективность их применения в течение значительной части года как приставка к генерирующим мини-ГЭС. С целью подтверждения данной гипотезы по повышению мощности системы, использующей энергию ВИЭ, был разработан экспериментальный стенд на основе
макетного образца ЭХГ состоящего из: электролизера, емкостей хранения газов (Н2 и О2), топливного элемента. Принципиальная схема макетного образца ЭХГ представлена на рис. 8.
— ¡V,- Элехтралнер "..■
Н^Ь
1
тэ
ттг
Рис. 8. Принципиальная схема разработанного макетного образца ЭХГ
На рис. 9 представлен внешний вид разработанного варианта топливного элемента на основе протонно-обменной мембраны и макетный образец лабораторно-исследовательской установки ЭХГ.
Рис. 9. Макетный образец топливного элемента на основе протонно-обменной мембраны и лабораторно-исследовательской установки ЭХГ
Исходя из проведенных испытаний лабораторно-исследовательской установки ЭХГ и полученных вольт-амперных характеристик (рис. 10), можно сделать вывод о целесообразности применения ЭХГ совместно с мини-ГЭС с целью повышения энергоэффективности автономных систем электроснабжения.
Рис. 10. Вольт-амперная характеристика испытаний лабораторно-исследовательской установки ЭХГ
Проведенные теоретические исследования и испытания лабораторно-исследовательской
установки ЭХГ позволили разработать схемное решение автономной энергосистемы на базе ВИЭ в составе мини-ГЭС и ЭХГ (рис. 11).
СШ 0,4 кВ
п[]1М[1И[[т>
-О77У-
Рис. 11. Схемное решение автономной энергосистемы промышленного предприятия в составе мини-ГЭС и ЭХГ: Г1-Г3 - асинхронный, трехфазный генератор, А1-А6 - автоматический выключатель, Пр - полный управляемый полупроводниковый 3-х фазный преобразователь в составе выпрямителя (В) и инвертора (И), НЭ -накопитель энергии в составе блока топливных элементов (ТЭ), электролизера (Э), баллонов с Н2 и О2 и емкости сбора реакционной воды (Б)
В рассматриваемой энергосистеме
предусмотрена работа автономной сети электроснабжения предприятия и соединение с единой сетью. Автономная часть предполагает установку трех блоков мини-ГЭС с асинхронными, трехфазными генераторами, которые при скольжении s от 0,01 до 0,15 генерирует частоту тока 50 Гц. При превышении скольжения s>0,15, в турбине предусматривается ограничение частоты вращения. С целью аккумулирование излишков электроэнергии в ночное время и при избыточной выработке на мини-ГЭС предусмотрена установка накопителя энергии на базе ЭХГ, который при разряде вырабатывает электроэнергию и после преобразования выдает в сеть предприятия.
В энергосистеме предусмотрено два режима работы: на мини-ГЭС вырабатывается мощность больше мощности потребления предприятием, избыток мощность идет на заряд ЭХГ;
мощность выработки на мини-ГЭС меньше потребляемой мощности предприятия, в работу включается ЭХГ и генерирует недостающую мощность.
ВЫВОДЫ:
1. Проведена оценка гидрологического потенциала рек Крыма, позволившая определить место размещения промышленного предприятия и оценить выработку электроэнергии на мини-ГЭС 2. Проанализирован рынок представленных моделей ЭХГ, имеющих различия по размерам и конструкции, мощности в зависимости от применения.
2. Проведены экспериментальные исследования разработанной модели ЭХГ на базе «водород-кислородного» топливного элемента показавшие целесообразность применения ЭХГ совместно с мини-ГЭС с целью повышения энергоэффективности автономных систем электроснабжения.
3. Предложенное схемное решение автономной энергосистемы промышленного предприятия в составе мини-ГЭС и ЭХГ в качестве накопителя избыточной электроэнергии позволит выравнивать режим электропотребления и снизить износ оборудования предприятия.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Закон Республики Крым «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности в Республике Крым» №77 - ЗРК от 28.01.2015 г. / Правительство Республики Крым. -Крым, 2015. - 19 с.
2. Приказ «Об утверждении методических рекомендаций по разработке и реализации региональных и муниципальных программ в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности» №916 от 11.12.2014 г. / Правительство Республики Крым.- Крым, 2014.25 с.
3. Сокут Л. Д. Возможности повышения эффективности солнечных электростанций в объединенной электрической сети за счет применения накопителей энергии [Текст] / Л. Д. Сокут, А. С. Муровская, А.Н. Курзо // Сборник статей Международной научно-практической конференции «Внедрение результатов инновационных разработок: проблемы и перспективы» (Пермь, 08.02.2017 г.). - В 2 ч. Ч.1 / Уфа: Омега сайнс, 2017. - С.70-73.
4. Муровский С.П. Расчет параметров накопителей энергии для солнечных электростанций при включении их в объединенную энергосеть [Текст] / Л. Д. Сокут, С.П. Муровский, В.П. Лесик // Международный научный журнал «Символ науки», № 02-2/2017/ - В 2 ч. Ч 2. - Уфа: АЭТЕРНА, 2017. -С. 74-77.
5. Поверхностные водные объекты Крыма. Справочник. - Симферополь: Рескомводхоз АРК, 2004. - 113 с.
6. Коровин Н.В. Топливные элементы и электрохимические энергоустановки. - М.: Издательство МЭИ, 2005. - 280 с.
7. Аваков В.Б., Зинин В.И., Ландграф И.К. Автономные энергоустановки на основе высокотемпературных электрохимических
генераторов для промышленных и коммунальных объектов // Теплоэнергоэффективные технологии. -1997. - № 4. - С. 25-29.
8. Тарасенко А.Б., Школьников Е.И., Водородный цикл и другие способы буферного аккумулирования электроэнергии для энергоустановок на солнечных батареях: сравнительный технико-экономический анализ. / Тезисы докладов Второй Международной конференции «Технологии хранения водорода», (г. Москва, 28-29 октября 2009 г.) // М.: Издательство МЭИ, 2009. - С. 43-44.
9. Андреев В.М., Забродский А.Г., Когновицкий С.О., Интегрированная энергоустановка с накопителем энергии на основе водородного цикла / Международный журнал «Альтернативная энергетика и экология» АЭЭ №2 (46), 2007. - С.99-105.
10. Электронный ресурс: http://poluostrov-krym.com/goroda/bahchisaray/klimat-bahchisaraya
11. Муровский С.П. Разработка эффективной системы автономного энергоснабжения удаленных объектов на основе нетрадиционных возобновляемых источников энергии. / С.П. Муровский, П.Н. Кузнецов // Строительство и техногенная безопасность.- 2012.- № 43.- С. 122126.
REFERENCES
1. The law of the Republic of Crimea "On energy saving and increasing energy efficiency in the Republic of Crimea" №77 - ZRK dated 28.01.2015 of the Government of the Republic of Crimea. - Crimea, 2015. -19 S.
2. Order "On approval of methodological recommendations for the development and implementation of regional and municipal programs in the field of energy saving and improving energy efficiency" No. 916 dated 11.12.2014 / the Government of the Republic of Crimea.- Crimea, 2014.- 25 C.
3. Sokut L. D. the possibility of increasing the efficiency of solar power plants in the United electric network through the use of energy storage [Text] / L. D. Sokut, A. S. Morawska, A. N. Curso // Collection of articles of International scientific-practical conference "Introduction of results of innovative development: problems and prospects" (Perm, G. 08.02.2017). - 2 h H 1 / Ufa: omega Sainz, 2017. - P. 70-73.
4. Murawski S. P. Calculation of parameters of energy storage for solar power plants when you include them in the merged grid [Text] / L. D. Sokut, S. P. Muravsky, V. P. Lesik // international scientific journal "science Symbol", No. 02-2/2017/ - 2 h, CH 2." - Ufa: AETERNA, 2017. - Pp. 74-77.
5. Surface water bodies of the Crimea. Reference. -Simferopol: Resolvethis ARC, 2004. - 113 C.
6. Korovin N. In. Fuel cells and electrochemical power plant. - M.: Publishing MEI, 2005. - 280 p.
7. Avakov, V. B., Zinin V. I., Landgraf I. K. Autonomous power plant based on high temperature electrochemical generators for industrial and municipal
facilities // Teploenergoeffektivnye technology. - 1997. -No. 4. - S. 25-29.
8. Tarasenko A. B., Shkolnikov E. I., Hydrogen cycle and other methods of the buffer storage of electricity for power plants with solar cells: a comparative techno-economic analysis. / Abstracts of the Second International conference "Technologies for hydrogen storage", (Moscow, 28-29 October 2009) // M.: Publishing house of MPEI, 2009. - Pp. 43-44.
9. Andreev V. M., Makarov A. G., Kognovitsky S. O., Integrated power plant with energy storage based on
the hydrogen cycle, international journal "Alternative energy and ecology" AEE No. 2 (46), 2007. - P. 99-105.
10. Electronic resource: http://poluostrov-krym.com/goroda/bahchisaray/klimat-bahchisaraya
11. Murawski S. P. development of an effective system of Autonomous power supply of remote objects based on renewable energy. / S. P. Murawski, P. N. Kuznetsov // Construction and industrial safety.- 2012.-No. 43.- P. 122-126.
Murovskiy S.P., Kuplenniy V.O., Taranenko B.I.
IMPLEMENTATION OF RESOURCE-SAVING TECHNOLOGIES IN SYSTEM OF POWER
SUPPLY OF INDUSTRIAL ENTERPRISES
Summary. The article analyzes the development prospects of Autonomous power supply systems of industrial enterprises on the basis of mini-hydro and electrochemical generators to reduce the consumption of fossil fuels. Considered the technical decisions aimed at improvement of energy efficiency by introducing combined. Autonomous power supply systems on base of mini-hydro and electrochemical generators, allowing redistributing the power between consumers within the enterprise or accumulating it in the system of electrochemical generation at times of low consumption.
Key words: resource saving, electricity, mini-hydro, electrochemical generator, the combined system of industrial power supply, Crimea
