Расчетная оценка характеристик комбинированной энергоустановки

Государственным научным центром РФ «Физико-энергетический институт» (ГНУ РФ ФЭИ) разработана комбинированная энергоустановка электрической мощностью 7,5 кВт, включающая ветрогенератор (ВГ), электролизёр, ресивер водорода и батарею топливных элементов (БТЭ). Рассмотрены и проанализированы 2 режима работы: первый, когда вся электроэнергия, вырабатываемая ВГ, идет в электролизёр 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. Второй 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 электролизёр 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.

ГНЦ РФ ФЭИ занимается разработкой твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) планарного типа и энергоустановок (ЭУ) на их основе с 1996 г.

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 твердооксидный электролит из YSZ толщиной 250−400 мкм, на который с двух сторон нанесены пористые электроды толщиной, как правило, 20−50 мкм: анод (кермет NiO — YSZ) и катод из манганита лантана-стронция La_{0 85}Sr₀₁₅Mn0₃ (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 °C. Максимальная плотность электрической мощности ТОТЭ, достигнутая при этих испытаниях, составила ~ 700 мВт/см² при рабочей температуре 950 °C.

Ведутся работы по дальнейшему совершенствованию этой технологии, в частности, в направлении дальнейшего снижения внутренних поляризационных и омических потерь в ТОТЭ, что позволит довести плотность электрической мощности до 1000 мВт/см². Разрабатывается технология создания каталитически активных пористых слоев на границах раздела «электрод — твердый электролит».

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 750−800 °С. 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 NiO — 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 NiO — 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 ~ 800 °C. Ведется дальнейшее совершенствование этой перспективной технологии. На рис. 7.1 (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 планарных ТОТЭ.

Рис. 7.1. 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;2002 гг. создан и испытан ряд 3- и 5-элементных батарей с диаметром элемента до 60 мм. Испытания батарей проводились на лабораторном стенде, продолжительность испытаний около 200.

Рис. 7.2. Батарея планарных ТОТЭ с несущим электролитом конструкции ГНЦ РФ ФЭИ перед испытаниями.

Рис. 7.3. Макет батареи на основе планарных ТОТЭ с несущим анодом и металлическими БИП.

[, топливо — водород. При температуре 950 °C достигнута максимальная выходная мощность 5-элементной батареи ~ 30 Вт при средней плотности электрической мощности ~ 260 мВт/см². На рис. 7.2 показана 5-элементная батарея (вместе с теплообменниками). Созданы несколько специальных стендов для проведения испытаний.

Основная проблема при испытаниях батарей ТОТЭ 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 750−800 °С. В настоящее время в ГНЦ РФ ФЭИ ведется разработка такой батареи с числом элементов от 30 до 40 шт. (рис. 7.3). Проведены успешные испытания 5-элементных макетов такой батареи [32].

Помимо работ по основным технологиям собственно ТОТЭ, в ГНЦ РФ ФЭИ разработан также ряд технологий, связанных с созданием батарей ТОТЭ. В частности, 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 планарных ТОТЭ, использующее современные высокопроизводительные технологии: литье на движущуюся ленту (tapecasting), напыление по трафарету (screenprinting) 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 КПД более 95%. К сожалению, из-за недостаточного финансирования эти работы приостановлены.

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.

Принципиальная схема комбинированной энергоустановки (КЭУ) небольшой мощности, включающей батарею топливных элементов (БТЭ), ветрогенератор (ВГ), электролизёр (ЭЛ), ресивер (PC) приведена на рис. 7.4. 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 КПД БТЭ равен:

где H_v — объемная теплота сгорания водорода, кДж/нм³'.

Из соотношения (1) легко получить формулу объемного расхода водорода для БТЭ:

Электрическая мощность электролизёра, производящего поток водорода, будет равна:

где, а — энергопотребление электролизёра, кВт • ч/нм³КПД электролизёра равен:

Так, для, а = 3,9 кВт-ч/нм³ г|_эл = 0,77.

Рис. 7.4. Структура комбинированной энергоустановки N%_r — электрическая мощность ВГ (меняется в зависимости от скорости ветра); G^₂ — поток водорода от электролизёра (меняется в зависимости от мощности ВГ); G"₂ — объемный расход водорода из емкости (определяется электрической мощностью БТЭ); N_Kn — выходная электрическая мощность БТЭ Рассчитаем G_Hz и N₃" в зависимости от г|_БХЭ при А)_ьтэ = 7,5 кВт и, а = 3,9 кВт • ч/нм^3.

Результаты расчетов

Таблица 7.1

Как следует из табл. 7.1, при непрерывном режиме работы батареи топливных элементов с заданной электрической мощностью ЛГ_БТЭ = 7,5 кВт при %_тэ = 0,29 (29%) для обеспечения БТЭ топливом (Н₂) необходим электролизёр мощностью не менее 32,7 кВт. Отметим, что при увеличении %_та потребная мощность электролизёра снижается.

В реальности мощность электролизёра должна быть еще выше, так как он будет работать только тогда, когда есть подача электроэнергии от ВГ, т. е. постоянно в течение, например, года. Поэтому величину ЛГ_эл=32,7 кВт следует рассматривать как среднее значение мощности электролизёра за год. Однако чтобы этого достичь, номинальная мощность электролизёра должна быть существенно выше.

Рассмотрим на примерах несколько схем построения КЭУ и их характеристики.

Схема № 1. Вся электроэнергия, вырабатываемая ВГ, идет в электролизёр 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 КПД = 29% в течение года (~ 8800 ч) необходимо (см. табл. 7.1) 8,39 нм³/ч • 8800 ч = 73 832 нм³ водорода.

При этом к электролизёру необходимо подвести 32,7 кВт • 8800 ч = = 287 760 кВт-ч электроэнергии, которую должен выработать ВГ.

Годовую выработку электроэнергии ВГ характеризуют т. н. мощностным фактором (/ (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 1 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 |/ = 0,4, ВГ должен иметь номинальную мощность 32,7/0,4 = 82 кВт. При ]/ = 0,25−0,3 номинальная мощность ВГ будет составлять примерно 110−130 кВт. При этом мы полагаем, что передача энергии от ВГ к электролизёру происходит без потерь. Значения N_Br для различных КПД батареи топливных элементов приведены в последней строке табл. 7.1.

Чтобы обеспечить указанную мощность ветрогенератора, необходимо поставить или один ВГ мощностью 100−130 кВт, или 10−11 испанских ветроустановок ВК-12 компании «Вогпау» номинальной мощностью по 12 кВт, или, например, 7−8 российских ветроустановок, 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 «Вогпау» мощностью 12 кВт стоит 11 733 евро. Оценочная удельная стоимость электролизёра —1000 долл, за 1 нм³/ч, т. е. электролизёр производительностью — 8,4 нм³/ч может стоить примерно 8400 долл.

Обзор мировых данных по энергоустановкам на твердополимерных топливных элементах (см. например доклад В. Н. Фатеева «Топливные элементы с твердополимерным электролитом: проблемы и перспективы», ИАЭ им. Курчатова, 2000 г.) показывает, что в ближайшие несколько лет их цена может снизиться до 1000−1500 долл, за 1 кВт установленной мощности, т. е. это означает, что цена установки в 7,5 кВт составит 7500−11 250 долл. 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-201У 01 емкостью 20 м³ при давлении 10 атм может вместить 200 нм³ водорода, которых хватит всего 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'.

Схема № 2. Часть энергии ВТ (если есть ветер и он работает) подается прямо потребителю (7,5 кВт), а остальная ее часть подается в электролизёр для выработки и накопления в ресивере водорода. Когда ВГ не работает (нет ветра), включается БТЭ, которая генерирует электрическую (7,5 кВт) и тепловую мощность для потребителя, используя водород из ресивера.

Положим, что i = 0,4. Упрощая ситуацию, будем считать, что 40% времени в году ВГ работает на номинальной 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 электролизёра, чтобы произвести водорода на 5280 ч работы БТЭ при мощности 7,5 кВт в период отсутствия ветра, т. е. 5280 • 8,39 = 44 299 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 -1−172 766) электроэнергии, а его номинальная мощность должна составлять 61 кВт (197 141/3250). 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 ВГ, необходимость частого включения-выключения БТЭ, что снижает его ресурс.