За последние несколько лет возобновляемая энергетика, в частности ветровая и солнечная из разряда нетрадиционных источников энергии плавно перешли в ряде Европейских стран в разряд традиционных источников энергии. На сегодняшний день стоимость 1 кВт*ч электроэнергии полученной от береговой ветроустановки равна стоимости электроэнергии полученной при сжигании ископаемого топлива.
Однако, главные причины сдерживающие повсеместное использование возобновляемых источников электроэнергии- это их непостоянство в выработке электроэнергии. На сегодняшний день человечество не может эффективно запасать электроэнергию, но есть различные способы по преобразованию электроэнергии в другую форму и дальнейшему использованию. На данный момент широко распространены аккумуляторные батареи (АКБ) и гидроаккумулирующие электростанции для накопления электроэнергии. К основным минусам можно отнести высокую стоимость установки, в случае с АКБ еще и относительная недолговечность. Так же применяют теплоаккумуляторы в различных вариациях , однако преобразовывать электричество в тепло а потом обратно не целесообразно и такие установки используют только для отопления. Другой способ хранения электроэнергии заключается в расходовании излишек электроэнергии для получения водорода электролизом. Полученный водород становиться вторичным энергоносителем. Позволяющий не только длительное время хранить энергию, но и сглаживать неравномерность выработки из возобновляемых источников энергии (ВИЭ).
Для решения проблемы с непостоянством электроснабжения необходимо определить оптимальный способ электрического разложения воды, каким образом можно подготовкой воды улучшить процесс электролиза, а так же составить схему подобной комбинированной установки с максимальным коэффициент полезного действия (КПД), определиться с емкостью где возможно хранить подобное топливо.
Преимущества электролизера с твердым полимерным электролитом
Почему же именно водород? Водород является экологически чистым топливом так как при его сгорании образуется вода, он обладает высокой энтальпией 143,06МДж/кг(у керосина 46МДж/кг) , высокой теплопроводностью, низкой вязкостью, имеет большой срок хранения и обширные отрасли применения. С учетом того, что электроэнергия для электролиза получается из возобновляемых электроустановок (ветровая электростанция (ВЭС), солнечная электростанция (СЭС)) такое топливо становиться полностью экологически чистым. Принципиально принцип работы электролизера состоит в следующем: имеются раздельно помещенные в сообщающиеся сосуды электроды при подачи на них напряжения на каждом из стержней будет выделяться водород и кислород, специальные заборники, которые собирают эти газы и помещают в раздельные баллоны. В данной энергетической системе используются электролизеры с твердополимерным электролитом(ТПЭ) рис.2, так как у них максимальный КПД при электролизе, они более компактны по сравнению с другими видами электролизеров, а так же им не нужен контроль электролита(его уровень и состав).
Из недостатков таких электролизеров выделяют высокую стоимость и необходимость использования обессоленной воды, однако это позволяет увеличить эксплуатационный период до 20 лет. Поскольку вода для электролиза подается дистиллированная необходимо повысить ее электропроводность, для этого используют электрокатализатор содержащий драгметаллы . Применение драгметаллов увеличивает стоимость электролизера, однако около 70% стоимости получаемого водорода- это затраты на электроэнергию. Электролизеры на ТПЭ экономят 20-30% электроэнергии. В таблице 1 показаны основные характеристики основных трех типов электролизеров:
· с щелочным электролитом;
· с твердым полимерным электролитом (ТПЭ);
· с твердым оксидным электролитом (ТОЭ);
У электролизеров с твердо полимерным электролитом есть два режима эксплуатации. Первый- это непосредственно разложение воды на газы. Второй же это получение постоянного напряжения при подачи водорода на анод, а кислород на катод, в результате происходят следующие реакции:
В подобных установках используются ионообменные мембраны чем и отличаются от подобных установок. Ионообменные мембраны являются «твердыми» телами, набухая в воде, мембрана представляет собой «твердый» электролит. Такой электролит обладает рядом важных свойств:
· высокой электропроводностью при достаточной прочности;
· хорошей химической стойкостью в окислительных и восстановительных реакциях;
· низкой газопроницаемостью;
Особенностью предлагаемого генератора водорода является совмещение двух режимов работы:
· режим стабилизации давления водорода на входе потребителя (для работы с лабораторными и промышленными потребителями, имеющими в своем составе средства поддержания заданного расхода газа);
· режим стабилизации расхода водорода на входе потребителя (для газоаналитических приборов, не имеющих в своем составе средств поддержания заданного расхода водорода);
Применение солнечных вакуумных коллекторов
Давление позволяет производить электролиз при более высокой температуре. Что в свою очередь повышает общую эффективность так как разложение воды осуществляется под действием не только электроэнергии, но и тепла. Для оптимальной работы температура электролита должна быть 350-370 К. При электролизе происходит нагрев электродов, что увеличивает температуру электролита. Но можно повышать температуру электролита предварительно нагрев воду в солнечном коллекторе. Использование вакуумного коллектора (рис.3) наиболее оправданно, так как он эффективно и равномерно нагревает воду целый год (график 1). Из-за своей конструкции такие коллекторы обладают большей стойкостью к внешним загрязнениям(снег, листья, пыль), простотой установки(подсоединение осуществляется без прямого контакта с рабочей жидкостью). В случае неисправности какой либо из трубок вакуумного коллектора ее легко заменить не выводя из строя всю систему. У такого коллектора незначительные потери тепла, поскольку есть вакуумная прослойка которая находиться между внешней и внутренней стеклянной трубкой. На рис.3 видно строение вакуумной трубки, где вакуумная прослойка даёт возможность сохранить около 93 % улавливаемой тепловой энергии. Рабочая жидкость испаряется при 30 и принимает тепло вакуумной трубки впоследствии отдовая тепло чистой обессоленной воде используемой в электролизере. Благодаря этому при температуре окружающей среды -7 вода во втором контуре нагревается до +30. В теплое время года максимальная температура нагрева воды достигает 300, на графике 1 показана зависимость тепловой производительности по месяцам года для плоского и вакуумного коллекторов.
Комбинированная энергетическая система
Схема комбинированной системы на основе возобновляемой и водородной энергии представлена на рис.4. Электроэнергия с солнечных панелей или ветроустановок приходит в управляющий блок, который необходимое количество электричества подает на нагрузку, а оставшуюся часть на электролизер. Произведенные газы закачиваются в раздельные ресиверы. Дальнейшее сжижение водорода не эффективно так как требует больших затрат, а так же чистый водород может храниться достаточно долго. Далее в темное время суток или в безветренную погоду водород и кислород поступают из ресиверов в водородный генератор, для сжигания и получение электроэнергии
Хранение водорода
Хранение газообразного водорода на сегодняшний день не представляет особых трудностей. Водород помещенный в баллон может быть использован как топливо для топливного элемента с дальнейшим использованием в различных сферах. Запасаться небольшое количество водород может в специальных баллонах предназначенных для него, так как такой баллон имеет достаточные прочностные характеристики. Новые разработки в области материаловедения открыли новое поколение газовых баллонов, эти баллоны состоят из тонкой пластиковой оболочки покрытой снаружи композитным пластиком, углеродным волокном. Подобные баллоны способны хранить водород под давлением до35-69 МПа. Высокое давление позволяет уменьшить площади занимаемые водородом при его хранении, а так же при транспортировке. Опыты показывают, что водород может длительное время храниться без значительных потерь.
Заключение
Эффективнее использовать подобную энергетическую систему в районах с частыми перебоями электроснабжения. Несмотря на относительно высокую стоимость переход на водород значительно снизит загрязнение окружающей среды и глобальное потепление. Водород составляет практически 90% вселенной, научиться эффективно его получать и запасать является важной задачей. Энергетическая стратегия России до 2035 г предполагает ввод в эксплуатацию новых мощностей на основе возобновляемых источников энергии, а так же развитие научно-технической базы. Использование комбинированной электроэнергетической системы на основе возобновляемой и водородной энергетики не только даст импульс к развитию ВИЭ, откроет перспективы к дальнейшему развитию водородной энергетики, но и экономически и экологически целесообразно. Например концепция Smart-Grid в будущем предполагает объединение трех систем: электрической, топливной и тепловой. Водород же станет связующим звеном между этими системами по мнению международного энергетического агентства(рис 5).