Методика расчёта режимов электрохимических энергоустановок с твёрдооксидным электролитом
Аннотация
Энергоустановки на топливных элементах (ЭУ/ТЭ) рассматриваются в качестве одной из ключевых технологий энергетики будущего. Наравне с машинными технологиями электрогенерации (газотурбинными, дизель-генераторными и парогазовыми установками, установками с двигателем Стирлинга и др.) они также могут использоваться в когенерационных установках, реализующих процесс совместной выработки электрической и тепловой энергии. Областью применения топливных элементов в России может стать распределённая электрогенерация, включая автономное энергоснабжение потребителей на базе сетевого и сжиженного природного газа, сжиженных углеводородных газов, а также возобновляемых источников энергии, особенно в когенерационных режимах. Предложена методика расчета режимов энергоустановки на топливных элементах в предположении, что входящие в состав топлива горючие элементы полностью окисляются, превращаясь в инертные газы. Определение расхода продуктов до и после реакций, соответственно на входе и на выходе ЭУ/ТЭ, основано на использовании метода материального баланса. Расчёт материального и энергетического балансов топливных элементов выполнен на примере ЭУ/ТЭ типа SOFC с твёрдооксидным электролитом при прямой внутренней конверсии метана, а также при работе на чистом водороде в комплексе с ветроэнергетической установкой. Оценена возможность аккумулирования энергии в накопителях водорода.
Учитывая самые высокие электрический и когенерационный КПД, перспективными для когенерационной электроэнергетики считаются твёрдооксидные ЭУ/ТЭ с использованием в качестве топлива (восстановителя) природного газа (метана) и в качестве окислителя — атмосферного кислорода (воздуха). Определён необходимый расход метана и воздуха в предположении 21%-го содержания в нём кислорода. Расчет потенциальной мощности топлива проведён при электрической мощности установки 15 МВт и тепловой нагрузке — 6 МВт в когенерационном режиме. Указанная тепловая мощность через сетевой подогреватель СП отводится от блока топливных элементов ЭУ/ТЭ для дальнейшего использования. Накопитель водорода может быть выполнен в виде газгольдера или баллонного типа. Очевидно, что системы хранения газообразного водорода под давлением просты и не требуют специального оборудования для извлечения газа из хранилища.
Литература
2. Бредихин С.И. и др. Стационарные энергетические установки с топливными элементами: материалы, технологии, рынки. М: Изд-во НТФ «Энергопрогресс», 2017.
3. Коровин Н.В. Топливные элементы и электрохимические энергоустановки. М.: Изд-во МЭИ, 2005.
4. Батенин В.Г. Баранов Н.Н. Создание новых видов автономных энергоустановок на основе методов прямого преобразования энергии // Известия РАН. Серия «Энергетика». 1997. № 2. С. 3—27.
5. Das Erste Europaische 250-kW-PEM-Brennstoff-Zel-lenprojekt // Elektrizitatswirtschaft. 2000. V. 15. Pp. 58—62.
6. Smith D. Large Utilities Tom to Solid Oxide Systems. Dartford: Modern Power Systems. Germany Suppl., 2000. Pp. 27—30.
7. Полинг Л. Общая химия. М.: Мир, 1974.
8. Канарёв Ф.М. Начала физхимии микромира. Т. 1, 2. Краснодар: Изд-во Кубанского гос. аграрного ун-та, 2009.
---
Для цитирования: Цгоев Р.С. Методика расчёта режимов электрохимических энергоустановок с твёрдооксидным электролитом // Вестник МЭИ. 2020. № 4. С. 42—48. DOI: 10.24160/1993-6982-2020-4-42-48.
#
1. Popel' O.S., Tarasenko A.B., Filippov S.P. Energoustanovki na Osnove Toplivnykh Elementov: Sovremennoe Sostoyanie i perspektivy. Teploenergetika. 2018; 12:5—23. (in Russian).
2. Bredikhin S.I. i dr. Statsionarnye Energeticheskie Ustanovki s Toplivnymi Elementami: Materialy, Tekhnologii, Rynki. M: Izd-vo NTF «Energoprogress», 2017. (in Russian).
3. Korovin N.V. Toplivnye Elementy i Elektrokhimicheskie Energoustanovki. M.: Izd-vo MEI, 2005. (in Russian).
4. Batenin V.G. Baranov N.N. Sozdanie Novykh Vidov Avtonomnykh Energoustanovok na Osnove Metodov Pryamogo Preobrazovaniya Energii. Izvestiya RAN. Seriya «Energetika». 1997;2:3—27. (in Russian).
5. Das Erste Europaische 250-kW-PEM-Brennstoff-Zellenprojekt. Elektrizitatswirtschaft. 2000;15:58—62.
6. Smith D. Large Utilities Tom to Solid Oxide Systems. Dartford: Modern Power Systems. Germany Suppl., 2000:27—30.
7. Poling L. Obshchaya Khimiya. M.: Mir, 1974. (in Russian).
8. Kanarev F.M. Nachala Fizkhimii Mikromira. T. 1, 2. Krasnodar: Izd-vo Kubanskogo Gos. Agrarnogo Un-ta, 2009. (in Russian).
---
For citation: Tsgoev R.S. A Procedure for Calculating the Operation Modes of Electrochemical Power Installations with Solid Oxide Electrolyte. Bulletin of MPEI. 2020;4:42—48. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2020-4-42-48.
