Энергетика

Автономные водородные энергоустановки

Водородные энергетические установки, работающие с использованием ВИЭ, имеют благоприятные экономические перспективы для энергоснабжения автономных потребителей. Большинству автономных потребителей энергии нужны небольшие мощности (от нескольких сотен ватт до нескольких десятков киловатт), причем для многих из них стоимость энергоустановки не является главным фактором; наиболее важными оказываются показатели надежности, длительного ресурса, низких текущих эксплуатационных затрат. Этим требованиям отвечают автономные энергоустановки, работающие с использованием ВИЭ.

Сегодня большинство стационарных автономных источников энергоснабжения создаются преимущественно на базе ДВС и электрогенераторов, позволяющих вырабатывать электроэнергию и тепло. Достоинством таких установок являются отработанность технологии и относительно невысокая стоимость оборудования, а существенными недостатками являются необходимость завоза продукции, высокие эксплуатационные затраты и экологическое воздействие на окружающую среду.

В последние годы все большее применение находят экологически чистые автономные источники энергии на основе солнечных фотоэлектрических и ветровых установок или их комбинации. Непостоянство солнечной и ветровой энергий по времени осложняет проблему создания полностью автономных энергосистем, обеспечивающих гарантированное энергоснабжение потребителя. В связи с этим такие установки оснащаются аккумуляторами электроэнергии, размеры и стоимость которых при мощности даже в несколько киловатт могут оказаться чрезмерно большими. Кроме того, имеются проблемы, связанные с эксплуатацией таких аккумуляторов. В силу сказанного нередко предпочтение отдается гибридным энергоустановкам, сочетающим использование ВИЭ и традиционных, выполненных на базе ДВС. Применение водорода в рассматриваемых энергоустановках в качестве аккумулятора энергии и промежуточного теплоносителя существенно улучшает эксплуатационные показатели.

Принципиальная схема работы автономной энергоустановки приведена на рисунок 6.

Основные компоненты системы автономного энергоснабжения
Рис. 6 Основные компоненты системы автономного энергоснабжения

Для обеспечения высокой энергетической эффективности системы автономного энергоснабжения энергия, вырабатываемая первичным ее источником, напрямую направляется потребителю I. В периоды генерирования энергии, избыточной для потребителя, она запасается системой аккумулирования II. При дефиците энергии, вырабатываемой первичным источником, аккумулированная энергия от вторичных источников направляется потребителю, покрывая имеющийся дефицит III.

Система аккумулирования энергии может быть построена на базе накопителя водорода (рисунок 7).

Схема водородного накопителя
Рис. 7 Схема водородного накопителя

В этом случае избыток генерируемой электроэнергии направляется на электролиз воды для получения водорода и кислорода, которые накапливаются в ресиверах. Хранение этих газов, в отличие от аккумулирования электроэнергии в соответствующих батареях, может осуществляться практически без потерь и сколь угодно долго. При дефиците электроэнергии, вырабатываемой солнечной и (или) ветровой установкой, водород и кислород направляются в батарею топливных элементов, производящую недостающее потребителю электричество.

Включение в состав рассматриваемой автономной энергоустановки водородного накопителя позволяет обеспечить более надежное и большее по емкости аккумулирование энергии, чем это возможно с электрохимическими аккумуляторами.

Повышение эффективности и безопасности водородных систем

В системах типа «электролизная установка—топливный элемент» (ЭЛУ–ТЭ) электроэнергия хранится в виде сжатых кислорода и водорода, которые производят в электролизной установке путем разложения воды. При необходимости снова получить электроэнергию эти газы направляются в топливный элемент, где происходит электрохимическая реакция и вырабатывается электричество (рисунок 7).

Схема водородного накопителя
Рис. 7 Схема водородного накопителя

Основными недостатками, сдерживающими использование подобных энергетических установок (ЭУ), являются их сравнительно низкий КПД и взрывоопасность в нештатных ситуациях.

Причиной относительно невысокой эффективности преобразования электроэнергии в системах ЭЛУ–ТЭ является значительное количество тепла, выделяющегося при работе этих агрегатов. В современных электролизерах на производство 1 м3 водорода затрачивается в среднем около 5 кВт · ч электроэнергии и при этом выделяется примерно 2 кВт · ч тепла. В связи с этим совместная работа даже в идеальном случае не слишком эффективна, несмотря на высокие КПД ЭЛУ и ТЭ (∼60%):

формула

С учетом же потерь энергии на собственные нужды КПД подобных энергетических установок составит около 25–30%.

Повысить эффективность совместной работы ЭЛУ и ТЭ можно, сохраняя в системе тепло, выделяющееся при работе установок. Накопленное тепло можно использовать на собственные нужды и для снабжения внешних потребителей.

При работе систем ЭЛУ–ТЭ с ВИЭ (солнце, ветер) рабочий цикл ЭУ оказывается практически произвольным. В связи с этим возникает необходимость обеспечить минимальное время выхода ЭЛУ и ТЭ на рабочий режим. Введение в состав системы дополнительного теплового аккумулятора (теплоизолированной емкости с водой) позволит накапливать тепло, выделяемое работающим агрегатом, и в нужный момент использовать это тепло для пускового разогрева неработающего агрегата. Вода, будучи теплоносителем, будет одновременно служить и рабочим телом ЭЛУ.

Принципиальная схема такой ЭУ приведена на рисунке 8. В данной схеме теплоизолированная емкость с водой выступает связующим звеном по теплу между системами терморегулирования ЭЛУ и ТЭ. Благодаря этому неработающий агрегат можно поддерживать при рабочей n(или близкой к рабочей) температуре. Кроме того, запасенное тепло можно использовать для снабжения внешних потребителей тепла.

Принципиальная схема ЭУ
Рис. 2.23. Принципиальная схема ЭУ: 1 — ЭЛУ с системой терморегулирования (2); 3 — ТЭ с системой терморегулирования (4); 5, 6 — баллоны с водородом и кислородом; 7 — емкость с реакционной водой; 8 — теплоизолированная емкость с водой

Водород и кислород в ЭУ приходится хранить при высоком давлении в баллонах, расположенных в непосредственной близости друг от друга. Такие ЭУ должны быть безопасными для потребителя. В кислородо-водородных ЭУ в качестве средства взрывозащиты целесообразно использовать реакционную воду. Вода является эффективным средством для подавления ударных волн.

Взаимодействуя с водной преградой, взрывная волна тратит свою энергию на дробление воды и ее испарение. А поскольку эти процессы достаточно энергоемкие, сила взрыва существенно снижается.

Количество воды mв, необходимое для демпфирования взрыва ЭУ, можно определить из соотношения

формула

где E — энергоемкость ЭУ; Qв — теплота испарения воды.

В формуле не учтены энергозатраты на дробление воды и ее нагрев до температуры кипения, поскольку они существенно меньше теплоты испарения воды.

Реализовать водяную защиту можно с помощью разделительных перегородок, заполненных водой. Прочность таких перегородок должна быть меньше прочности корпуса установки. В случае взрыва в ЭУ газовых баллонов такие перегородки разрушаются в первую очередь, а вода распыляется внутри установки, поглощая при этом в процессе распыления и испарения значительную часть энергии взрыва.

Таким образом, в кислородо-водородных ЭУ вода может служить одновременно рабочим компонентом для получения газов, теплоносителем и средством взрывозащиты.