Не мог пройти мимо:
Опыт создания энергоустановок на топливных элементах в филиале Крыловского ГНЦ Статья длинная, но интересная, жалко тут спойлер не работает, картинки в оригинальной статье.
Цитата
М.А. Касаткин, нач. отдела главного конструктора направления водородной энергетики филиала «ЦНИИ СЭТ» ФГУП «Крыловский государственный научный центр»
Понятие – «водородная энергетика» сформировалось в середине 1970-х годов. Водородная энергетика - научно-техническое направление, охватывающее проблемы получения, хранения, транспортировки и использования водорода для получения энергии. По мере развития этого направления становились все более очевидными экологические и энергоресурсосберегающие преимущества водородных технологий в различных областях экономики.
Рис.1. Водородо-воздушная батарея твердополимерных топливных элементов номинальной электрической мощностью 50 кВт на испытательном стенде, разработана в филиале «ЦНИИ СЭТ» в 2014 г.
Наблюдаемое в мире в последние десятилетия резкое увеличение интереса к водороду как к горючему и энергоносителю определяется следующими его основными особенностями:
- водород – универсальный вид энергоресурса, он может использоваться в качестве горючего для производства электричества в рабочих циклах различного типа и в качестве энергоносителя для транспортировки в газообразном, жидком и связанном состояниях;
- с использованием водорода возможна аккумуляция электроэнергии;
- среди прочих видов топлива водород отличается наибольшей теплотворной способностью на единицу массы и наименьшим отрицательным воздействием на окружающую среду.
Ключевые термины водородной энергетики
Топливный элемент (ТЭ) – электрохимическое устройство, осуществляющее превращение химической энергии топлива в электрическую, минуя малоэффективные, идущие с большими потерями, процессы горения. Топливный элемент в результате высокоэффективного «холодного горения» топлива непосредственно вырабатывает электроэнергию и является ключевым звеном в энергоустановках, работающих на водородном топливе.
Батарея топливных элементов (БТЭ) – это сборка последовательно соединенных топливных элементов (ТЭ) с концевыми клеммами постоянного тока, конструктивно объединенная коллекторами подачи топлива и окислителя, отвода продуктов реакции и теплоты электрохимической реакции, в которой химическая энергия топлива преобразуется в электрическую энергию.
Электрохимический генератор (ЭХГ) – конструктивная совокупность одной или нескольких батарей топливных элементов (БТЭ) с собственными системами для обеспечения функционирования в составе энергоустановок.
Энергоустановка на топливных элементах (ЭУ с ТЭ) – это энергоустановка, предназначенная для обеспечения электроэнергией (и теплом) стационарных и транспортных, в том числе судовых потребителей, состоящая из батарей топливных элементов (БТЭ), систем хранения, подготовки и подачи топлива и окислителя (воздуха/кислорода), преобразования напряжения и тока, автоматики и контроля, утилизации тепла и реакционной воды, оснащенная системой безопасности и другими системами по назначению.
Воздухонезависимая энергоустановка (ВНЭУ) на топливных элементах – это анаэробная энергоустановка, предназначенная для электропитания потребителей неатомных подводных лодок и подводных аппаратов, обеспечивая их длительное подводное функционирование без всплытия и дозаправки, состоящая из батарей топливных элементов, систем хранения, подготовки и подачи топлива и окислителя (кислорода), преобразования напряжения и тока, автоматики и контроля, утилизации тепла, реакционной воды и продуктов окисления, системой обеспечения взрывопожаробезопасности и другими системами по назначению.
Основными преимуществами ЭУ с ТЭ перед другими генерирующими устройствами, использующими тепловой цикл, по экономическим и потребительским качествам являются:
- значительно меньшие выбросы вредных веществ в окружающую среду;
- значительно меньшие показатели уровня шума и вибрации;
- эффективное использование топлива и высокий КПД;
- низкие затраты на эксплуатацию;
- высокая маневренность и эффективность во всем диапазоне нагрузок.
Сравнительные характеристики энергоустановок на топливных элементах с энергоустановками машинного типа (дизельные или турбинные приводы генераторов) представлены таблице 1.
Таблица 1
Разработки филиала «ЦНИИ СЭТ» в области водородной энергетики
Нашим предприятием выполняются исследования и разработки в части топливных элементов и конверсии углеводородных топлив, завершающиеся созданием технологий и опытных образцов батарей топливных элементов, блоков и модулей электрохимических генераторов, высокоэффективных конверторов углеводородного топлива, а также энергоустановок киловаттного и мегаваттного класса.
Филиал «ЦНИИ СЭТ» обладает передовой стендово-испытательной базой, позволяющей осуществлять полный спектр испытаний судового и общепромышленного электрооборудования всех типов. Экспериментально-исследовательская и стендовая база направления водородной энергетики (НВЭ) позволяет проводить исследования и комплексные испытания ЭУ с ТЭ различного назначения и мощности, а также отдельных элементов, комплектующих и блоков ЭУ с ТЭ (мембранно-электродные блоки, БТЭ, конверторы и топливные процессоры, агрегаты тепломассообмена, блоки преобразования электроэнергии, автоматики и управления). Опытно-промышленное производство НВЭ оснащено уникальным оборудованием, ориентированным на полный цикл изготовления энергоустановок на основе твердополимерных (ЭУ с ТПТЭ) и твердооксидных топливных элементов (ЭУ с ТОТЭ) различного назначения и мощности, в том числе уникальным оборудованием для изготовления мембранно-электродных блоков по собственным технологиям.
Наше предприятие имеет многолетний опыт создания энергоустановок на основе топливных элементов, в том числе специального назначения, располагает современной опытно-производственной и испытательной базами. Мы осуществляем комплексное проектирование, изготовление и опытную отработку энергоустановок на основе низкотемпературных (60-80 С0) твердополимерных топливных элементов и высокотемпературных (800-1100 0С) твердооксидных топливных элементов различного назначения и мощности. Наша организация осуществляет проектирование и изготовление всех базовых компонентов энергоустановок: топливных элементов, батарей топливных элементов, электрохимических генераторов, конверторов углеводородного топлива, а также энергоустановок на топливных элементах (в т.ч. воздухонезависимых) в целом. История создания образцов энергоустановок на топливных элементах коллективом направления водородной энергетики представлена на рис. 2.
Рис. 2. История создания образцов энергоустановок на топливных элементах коллективом направления водородной энергетики
На протяжении этих лет на предприятии проводились научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, связанные с развитием водородной энергетики:
- в 1991 г. создан опытный образец ЭУ с ТЭ первого поколения мощностью 130 кВт для морского объекта, образец сдан межведомственной комиссии и рекомендован к внедрению;
- в 2002 г. создан действующий демонстрационный образец ЭУ с ТЭ второго поколения для морского объекта, большей мощности и более совершенный по основным характеристикам и конструкции;
- в 2004 г. разработаны аванпроекты энергоустановки на топливных элементах для обеспечения резервного электропитания (РЭУ) мощностью 5 кВт и энергоустановки для автономного энергоснабжения потребителей электроэнергией и теплом (ЭТГ) мощностью 10 кВт по заказу РАН;
- в 2007 г. совместно с ФГУ РНЦ «Курчатовский институт» реализован проект по созданию макетного образца модульной энергоустановки на твердополимерных топливных элементах с модулем 10 кВт по Государственному контракту с ФАНИ (рис. 3);
- в 2009 г. в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» создан опытный образец электротеплогенератора (ЭТГ-10) на твердополимерных ТЭ электрической мощностью 10кВт (рис. 3);
- с использованием полученного опыта производства основных агрегатов, оборудования и комплектующих на основе унифицированных батарей БТЭ-84 в 2009 г. создана демонстрационная резервная энергоустановка РЭУ-5 электрической мощностью 5 кВт (рис. 3) и макетный образец автомобильной энергоустановки АЭУ-20 мощностью 20 кВт;
- в 2011 г. завершен проект «Разработка технологии гибридной судовой энергетической установки мощностью от 250 до 2500 кВт на основе высокоманевренного низкотемпературного электрохимического генератора с твердополимерными топливными элементами (ЭХГ с ТПТЭ)», в результате которого создан демонстрационный образец гибридной энергоустановки на твердополимерных топливных элементах «МГЭУ-60» (рис. 3);
Рис.3 Созданные в филиале «ЦНИИ СЭТ» образцы ЭУ с ТПТЭ
- 2014 г. предприятием выполнена ОКР «Разработка отечественной технологии создания батарей топливных элементов с протонообменной мембраной и энергоустановок на их основе, работающих на природном газе и воздухе», основным результатом которой стал опытный образец БТЭ с ПОМ единичной мощностью до 5 кВт (БТЭ-П) для энергоустановок киловаттного класса (рис. 4);
Рис. 4 Батарея твердополимерных топливных элементов БТЭ-П мощностью 5 кВт
- на основе БТЭ-П создан демонстрационный образец блочно-комплектной энергоустановки на топливных элементах БКЭУ-ЭХГ электрической мощностью 5,0 кВт, работающий на природном газе и предназначенный для автономного электроснабжения объектов нефтегазовой отрасли, объектов связи и др. Это совместный проект филиала «ЦНИИ СЭТ» и ОАО «НИПОМ» в интересах ПАО «Газпром». Демонстрационные испытания БКЭУ-ЭХГ прошли в декабре 2014 г. на территории филиала «ЦНИИ СЭТ» с участием специалистов различных структур ПАО «Газпром», КБ проектантов судов и показали соответствие полученных технических характеристик ЭУ с ТЭ требованиям технического задания (рис. 5).
Рис. 5 Демонстрационный образец блочно-комплектной энергоустановки на топливных
элементах БКЭУ-ЭХГ электрической мощностью 5,0 кВт, работающий на природном газе
Таким образом, на предприятии создан научно-технический задел и организовано опытно-промышленное производство для реализации крупных проектов ЭУ с ТЭ в судостроении. ОКР «Разработка технологии создания электрохимической энергоустановки мегаваттного класса для судов и морских объектов, эксплуатируемых в акваториях и прибрежных зонах с повышенными экологическими требованиями», шифр «ГЭУ-Шельф», по сути является продолжением ранее проводимых работ и органично сочетает достижения предыдущих периодов и современные разработки, полученные в ходе выполнения работ по проекту с учетом мировых достижений в области совершенствования энергетических установок, предназначенных к использованию на судах различного назначения и для энергообеспечения морских газодобывающих сооружений с высокой экономичностью и экологической чистотой при комфортном уровне шума.
18 марта 2015 г. на стенде направления водородной энергетики филиала «ЦНИИ СЭТ» ФГУП «Крыловский государственный научный центр», находящемся на территории «Приморской учебно-научной базы СПбГМТУ» в г. Приморске Ленинградской области, состоялись государственные приемочные испытания опытного образца батареи на основе твердополимерных топливных элементов (ТПТЭ) БТЭ-50 электрической мощностью 50 кВт, (рис. 6, 7).
Рис. 6 Батарея твердополимерных топливных элементов БТЭ-50, работающая на водороде и воздухе
Рис. 7 Испытания БТЭ-50 в условиях, имитирующих бортовую качку
В развитие наиболее эффективной технологии конверсии углеводородного топлива на борту подводной лодки на предприятии изготовлены и испытываются конверсионные элементы на основе мембран из палладиевого сплава для извлечения водорода из зоны реакции конвертора. Разработанный конвертор на их основе пройдет апробацию в составе энергоустановки в рамках проекта по заданию ПАО «Газпром», после чего данная технология может быть рекомендована для внедрения (рис. 8, 9).
Рис. 8 Конвертор паровой конверсии углеводородного топлива с извлечением водорода из зоны реакции
Рис. 9 Детали конверсионного элемента
В 2016 г. совместно с ИФТТ РАН успешно завершена разработка масштабируемой технологии изготовления ТОТЭ планарной конструкции и концепции создания энергетических установок с ТОТЭ различного назначения и структуры, включая гибридные. В результате созданы батареи твердооксидных топливных элементов мощностью 500 Вт и ЭУ с ТОТЭ мощностью 500-2000 Вт. Достоинствами твердооксидных батарей и ЭУ на их основе являются:
- высокий коэффициент использования энергии углеводородного топлива до 85%;
- отсутствие драгметаллов в конструкции мембранно-электродных блоков;
- возможность использования в ТОТЭ синтез-газа (природного газа) без глубокой очистки.
Рис. 10. Сборка батареи ТОТЭ и ЭУ с ТОТЭ в сборе
Интерес к использованию энергоустановок с ТЭ в судостроении связан с их уникальными свойствами, такими как:
- высокая эффективность батарей ТЭ с ТПТЭ (КПДэл. > 60% на номинальной нагрузке), КПДэл. > 80% имеют ЭУ с ТОТЭ в комбинированном цикле с утилизацией тепла;
- экологическая чистота и безопасность (выхлопы от конвертора углеводородного топлива на порядок ниже выхлопов от ДВС, выхлопы от ЭХГ отсутствуют);
- возможность быстрого маневрирования при изменении нагрузки;
- низкие вибро-шумовые характеристики (ВШХ);
- длительный необслуживаемый период (1 раз в год);
- дистанционное управление и полная автоматизация.
В развитие идеи использования технологий водородной энергетики в различных областях хозяйственной деятельности для стационарных и транспортных объектов предприятием был предложен межвидовый подход к внедрению энергоустановок на топливных элементах на основе автономного функционального модуля (рис. 11).
Рис. 11 Межвидовый подход к облику базового энергомодуля на основе твердополимерных топливных элементов
Предлагаемый подход позволит в полной мере использовать накопленный на предприятии опыт и научно-технический задел в области водородной энергетики и сосредоточить государственные ресурсы на создание транспортных и стационарных ЭУ с ТЭ на основе единого автономного базового энергомодуля с использованием опытно-экспериментальной базы и опытно-промышленного производства направления водородной энергетики филиала «ЦНИИ СЭТ». После ввода в эксплуатацию нового стендового комплекса водородной энергетики в Ленинградской области производственные мощности предприятия позволят обеспечить промышленный выпуск энергоустановок на топливных элементах киловаттной и мегаваттной мощности. Для эффективного использования оборудования опытно-экспериментальной базы предприятия и расширения круга научно-технических задач в интересах отечественных и зарубежных заказчиков планируется создание «Центра коллективного пользования водородной энергетики». Это позволит создавать и отрабатывать новые образцы энергоустановок на топливных элементах с привлечением заинтересованных научных организаций и предприятий независимо от ведомственной принадлежности (рис. 12).
Рис. 12 Центр коллективного пользования по разработке технологий водородной энергетики и ЭУ с ТЭ
Заключение
На основе базового энергомодуля возможно организовать промышленное производство энергоустановок для применения в судостроении, в авиации, на железнодорожном и автотранспорте, для малой стационарной распределенной энергетики, энергообеспечения объектов нефтегазового комплекса и в жилищно-коммунальном хозяйстве. Практическая реализация межвидового подхода позволит значительно сократить сроки внедрения новой высокоэффективной экологически безопасной и чистой водородной энергетики для энергообеспечения объектов военного и гражданского назначения за счет консолидации сил и средств различных министерств, ведомств, предприятий промышленности и научных организаций.
) есть такая экзотика, более нигде в мире.
Особенно микроавтобусы...
