Новые разработки в сфере мини-ТЭЦ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Новые разработки в сфере мини-ТЭЦ

Напечатано в журнале

"Электропанорама" №5/2000

Мини-ТЭЦ - это установки, предназначающиеся для использования в многоквартирных и одноквартирных домах, а также на мелких предприятиях. Для жилых домов их мощность составляет от нескольких сотен ватт до 5 кВт. Для малых промышленных предприятий - свыше 5 кВт. Для применения в жилых домах имеется две новые перспективные технологии, способные в среднесрочной перспективе соответствовать требованиям по стоимости и общему КПД при очень незначительной эмиссии вредных веществ в атмосферу: стирлинг-моторы и топливные элементы. В промышленности, предъявляющей более высокие требования к энергии, чем жилой фонд, и нуждающейся дополнительно в технологическом паре, выгоднее использовать небольшие газовые турбины.

Топливные элементы

Топливные элементы представляют собой электрохимические преобразователи типа батареек, но с непрерывной подачей продуктов реакции. Они непосредственно преобразуют поступающие продукты реакции (водород и кислород) в электричество, тепло и воду. В результате этого проявляются такие важные свойства топливных элементов как высокий электрический КПД при полной и частичной загрузке при очень незначительной эмиссии вредных веществ, которая возникает из-за подключения горелочного устройства для подготовки водорода из жидких энергоносителей. При использовании в ТЭЦ кислород получают из окружающего воздуха, а водород - недорого и с минимальной эмиссией - из природного газа. Отсутствие механических компонентов в батарее элементов дает основание ожидать, что они почти не будут нуждаться в техобслуживании и будут иметь продолжительный срок эксплуатации.

· полимерно-электролитические топливные элементы (полимерно-электролитические мембраны (Fuel Cell, РЕМ или PMFC);

· фосфорно-кислотные топливные элементы (фосфорно-кислый Fuel Cell, PAFC);

· топливные элементы из карбонатного сплава (Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC);

· минералокерамические топливные элементы (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC).

Топливные элементы различаются по виду используемого электролита и рабочей температуре (табл. 1).

В принципе можно считать, что низкие рабочие температуры предъявляют низкие требования к материалам относительно выносливости и, напротив, высокие требования к газоподготовке, и дают более низкий КПД. Абсолютно противоположная ситуация у топливных элементов с высокими рабочими температурами. Разработки по применению PAFC и MCFC в мини-ТЭЦ в настоящее время приостановлены. Эти типы обусловливают при холодном пуске переход электролита из твердой в жидкую фазу. Так как в самом малом классе мощностей требуется частое повторение процесса пуска, это приводит к тому, что фаворитами становятся топливные элементы типа РЕМ (ПЭМ) и SOFC с твердым электролитом.

Топливные элементы с полимерно-электролитической мембраной (РЕМ - ПЗМ)

Электролит ПЭМ состоит из тончайшей полимерной пленки. Реакция в элементе эpтого типа протекает при температуре на уровне 80°С, в силу чего возможности использования уходящего тепла ограничены. К качеству топливного газа и его подготовке предъявляются высокие требования. Положительными качествами ПЭМ являются невысокие термические требования к материалу, высокая мощностная плотность и способность к быстрому и холодному пуску. Недостатком является то, что большая мощностная плотность обусловливает работу батареи элементов с высоким давлением. Это создает необходимость в дополнительных механических компонентах, затратах на регулирование и шумовой эмиссии.

теплоэлектроцентраль элемент топливный

Горелка дожига использует избыточный горючий газ стопки элементов для производства тепла, а инвертор преобразует постоянный ток стопки элементов в обычный для домашней электросети переменный ток. Топливные элементы ПЭМ при условии предварительного реформинга достигают электрического КПД порядка 40%.

Топливные элементы с полимерно-электролитической мембраной (SOFC)

Топливный элемент SOFC имеет керамический электролит. Это является его достоинством, так же как и у ПЭМ, из-за многократных процессов пуска. Однако для достижения способности вступать в реакцию и уменьшения теплового напряжения этот элемент нуждается в предварительном подогреве. Рабочие температуры достигают уровня 900°- 1000°С; проводится работа в направлении снижения рабочей температуры до уровня ниже 700°С. Высокая температура создает возможности для работы топливного элемента SOFC на природном газе с энергетически выгодным внутренним реформингом и для использования недорогих катализаторов, не содержащих благородных металлов. Ожидаемый електрический КПД системы составляет порядка 50%.

Для использования в мини-установках для комбинированного производства тепловой и электрической энергии фирма "Зульцер-Хексис" (Sulzer-Hexis) разработала силовую установку для параллельной сетевой работы. Топливный элемент фирмы "Зульцер-Хексис" является удачным вариантом решения проблемы плотности при тепловом расширении по сравнению с обычными стопками элементов. На рис. 2 показана принципиальная схема установки в целом. В классе мощностей от 1 до 3 кВТэл сегодня уже производятся полевые испытания. Элемент SOFC имеет перспективы только для применения в сфере комбинированного производства тепловой и электрической энергии. Из-за отсутствия синергизма с мобильными установками ожидаются меньшие партии по сравнению с ПЭМ. Связанные с этим незначительные резервы снижения затрат должны, с экономической точки зрения, чем-то компенсироваться, например, за счет более высокого КПД или уменьшения затрат на реформинг.

Силовые установки с топливными элементами

Типы актуальных разработок по мини-установкам приводятся в табл. 2. Корпорация Plug Power разработала для американского рынка концепцию ПЭМ в качестве чистого электрогенератора с целью замены центрального электроснабжения таких крупных потребителей электроэнергии в жилых домах, как кондиционерные системы, без потерь на распределение. Первое полевое испытание работы установок на чистом водороде проводится в США в одном из коттеджей с 1998 г. Тем временем продолжалась разработка установки, работающей на природном газе. В ближайшие два года будут проводиться полевые испытания в г. Нью-Йорк. Для Европы разрабатываются установки с отбором тепловой энергии.

На фирме "Вайлант" продвигается разработка электрогенерирующего отопительного устройства с топливным элементом. В соответствии с проектом целью разработки является устройство, имеющее размеры обычного отопительного котла. Готовятся полевые испытания. Первая серия этих приборов, предназначенных для эксплуатации в маленьких коттеджах, появится на рынке в 2002 году. За ними последуют меньшие приборы для коттеджей. Отопительные приборы с топливным элементом SOFC фирмы "Зульцер-Хексис" в настоящее время проходят полевые испытания в Германии и Швейцарии, в частности, на фирме "Тиссен-газ" в Дуйсбурге и EWE в Олденбурге. Перечень приборов с отопительными элементами приводится в табл. 3.

Стирлинг-моторы

Принцип действия и свойства стирлингового мотора

Принцип действия мотора основывается на замкнутом тепловом процессе с внешним источником тепла, а также отводом тепла. Рабочая среда колеблется вследствие изменения объема между источником тепла и отводом тепла и при этом производит работу на рабочем поршне и вытеснительном поршне (для подачи топлива), которые разделяют два рабочих объема между источником тепла и отводом тепла. Важным признаком стирлинговых моторов является то, что среда во время процесса переливания между рабочими пространствами должна проходить рекуператор, где она попеременно отдает тепло и снова (частично) получает. Возможности применения механических свойств стирлингового процесса многообразны.

Разработка мини-ТЭЦ со стирлинговыни моторани

Табл. 4 дает представление о текущих разработках и их статусе. Компания "Бритиш газ" на основе стирлингового мотора с линейным самобалансным колебателем разработала демонстрационный образец настенного устройства для бытового использования и с 1997 года уже в достаточной мере испытала его. Агрегат используется как соответствующее отопление дома и при этом дополнительно производит ток с электрическим КПД 15%.

Швейцарская фирма "СИГ" (SIG) также разрабатывает агрегат с линейным самобалансным колебателем. Это устройство, предназначающееся как для параллельной работы с внешней сетью, так и изолированной работы (принцип острова), имеет такие расчетные параметры: электрический КПД около 25% и общий КПД более 94% при конденсации уходящих газов. Полевые испытания первых прототипов начаты в феврале 2000 г. фирмы "Сигма" из Норвегии и "Виспер-ген" из Новой Зеландии специализируются на кинематических стир-линговых моторах с кривошипно-шатун-ным механизмом "Сигма" или с криво-дисковым приводом "Виспер-ген".

Планируются полевые испытания агрегатов "Сигма". Полевые испытания агрегатов "Виспер-ген" проводятся с конца 1998 г. в Нидерландах. Новозеландский агрегат, работающий на жидком топливе, был разработан для электроснабжения малых судов и удаленных дачных домов. В Нидерландах фирма "Витрон энерги" (Vietron Energie) продает соответствующие приборы по цене около 20 000 немецких марок. Для бытового применения они были доработаны и встраиваются в котельную систему с теплонакопителем.

Новые компактные газовые турбины для мини-ТЗЦ

Газовые турбины находят широкое применение в производстве электроэнергии в GuD-процессах или как агрегаты пикового тока. Электрический КПД больших установок составляет 35 -38%, характеристики при частичной нагрузке скорее неудовлетворительные. Однако большой срок службы, очень незначительные инвестиционные затраты в мегаваттом диапазоне мощностей, большая доля пригодной для использования энергии уходящих газов и очень небольшая эмиссия вследствие непрерывного горения являются достоинствами этой технологии. Поэтому до настоящего времени было нецелесообразно применять турбины в диапазоне мощностей менее 500 кВтэл. Это стало возможным только в результате комбинации двух мероприятий: рекуперации и обратной подачи части объемного потока уходящего газа в компрессор с одной стороны и прямого присоединения генератора. В сочетании с не зависящим от скорости вращения инвертированием тока посредством силовой электроники достигаются наряду с приемлемыми показателями электрического КПД более 25% и общего КПД более 70% также хорошие показатели КПД при неполной нагрузке. Эти последние параметры имеют решающее значение для использования на небольших объектах.

Шансы утверждения на рынке подобных мини-ТЭЦ существенным образом определяются необходимыми инвестиционными расходами.

Малые газовые турбины уже запущены в серийное производство. Примеры показывают, что имеется отличный потенциал для данного применения при конкурентоспособных инвестиционных затратах и длительном сроке службы. Успех этих установок не заставит себя ждать.

Размещено на Allbest.ru