Б.А. Рыбаков (к.т.н.), М.А. Савитенко –
АНО «Водородные технологические решения»
О.А. Сиделев – «Хуасюнь Групп Ру»
В статье приведены основные особенности гибридных электростанций, дано описание автономного гибридного энергомодуля (АГЭМ-1), представлены технические характеристики газопоршневых генераторных установок, которые могут работать на различных видах топлива, включая водородосодержащие газы (ВСГ). Сравнивается энергоемкость аккумуляторных батарей и газобаллонных модулей, заполненных водородом, метаном и смесью природного газа и водорода при различной степени сжатия.
Гибридные электростанции
Понятие «гибрид» в технике обозначает средства, в которых конструктивно и технологически интегрированы положительные свойства прообразов, функционирующих на разных физических принципах, и компенсированы их нежелательные качества.
В энергетике одним из направлений гибридизации является агрегатирование устройств, преобразующих химическую, ветровую, солнечную энергию в электрическую, с целью создания эффективных, надежных, экологически безопасных систем энергообеспечения различных потребителей.
Гибридные структурные и системные технические решения и технологии направлены на кратное повышение топливной эффективности за счет применения бестопливных возобновляемых источников энергии (ВИЭ) и систем аккумулирования энергии.
Состав оборудования гибридной электростанции
Для определения состава оборудования и оптимизации мощностей различных источников энергии, входящих в состав гибридной электростанции, таких как солнечная или ветровая электростанция (СЭС и ВЭС), аккумуляторная батарея (АКБ), система накопления водорода и тепловая электростанция (ТЭС), в АНО «Водородные технологические решения» разработана специализированная программа. Она позволяет определить оптимальные значения установленных мощностей оборудования в зависимости от места расположения, стоимости органического топлива и стоимости обслуживания гибридной электростанции.
Очевидно, что использования ВИЭ в составе оборудования гибридной электростанции позволяет снизить расход органического топлива, что приводит к уменьшению углеродного следа. КИУМ СЭС на территории РФ может достигать значения 0,25, а КИУМ ВЭС – 0,5.
В одних регионах на территории нашей страны целесообразно использовать СЭС, в других, где доля солнечной энергии незначительна, имеется хороший потенциал для сооружения ВЭС. Существуют регионы, где имеет смысл строить и СЭС, и ВЭС.
Недостатками СЭС и ВЭС является зависимость от суточных и сезонных условий. Эти недостатки могут быть частично компенсированы применением накопителей энергии, в частности, аккумуляторных батарей и водородных систем накопления энергии. На сегодня удельная энергоемкость самых современных АКБ не превышает 200 Вт.ч/кг. Анализ различных конфигураций состава оборудования показал, что их целесообразно использовать для сглаживания суточных колебаний энергии, получаемой от СЭС в летнее время.
Удельная энергоемкость водорода существенно выше, чем у АКБ, что позволяет использовать водородные системы хранения энергии для сглаживания пиков производства энергии, производимой ВИЭ.
В ряде стран рассматривается использование водорода для производства электроэнергии с помощью топливных элементов, КПД которых достигает 50%. Но поскольку в настоящее время топливные элементы в России не производятся, мы прорабатываем варианты совместного сжигания природного газа и водорода в котлах, газопоршневых и газотурбинных установках.
Сложность проектирования гибридных электростанций заключается в том, что команда, объединяющая специалистов различных направлений, должна быть готова к совместной работе. И такая команда была создана для разработки прототипа автономного гибридного энергомодуля (АГЭМ-1) установленной мощностью 30 кВт.
Разработка энергомодуля АГЭМ-1
При разработке АГЭМ-1 приходилось применять комплексные конструкторские решения. Целью являлась структурная, техническая и технологическая интеграция в энергомодуле разнородных устройств, обеспечивающих сохранение (и возможное усиление) их положительных свойств при производстве энергии: высокую мощность, топливную эффективность, продолжительное надежное функционирование, безопасную эксплуатацию, экологичность, транспортабельность, но без присущих каждому устройству недостатков.
Создание гибридного энергомодуля потребовало решения следующих задач:
- подбор и согласование технических параметров агрегатов, вырабатывающих энергию, средств преобразования энергии, ее накопления, хранения и передачи потребителю;
- разработка средств автоматического управления, контроля работоспособности и обеспечения безопасности функционирования;
- определение параметров, подлежащих согласованию, таких как мощность, производительность, время непрерывного функционирования, собственное энергопотребление, расход топлива, надежность и безопасность, уровень выбросов вредных веществ, масса и количество блоков, эксплуатационные показатели, транспортабельность наземным, воздушным, речным путем, требования к квалификации персонала;
- разработка системных, схемотехнических решений по сопряжению функционирования агрегатов, средств управления, вспомогательных устройств между собой и с потребителем энергии;
- разработка системы электролиза, получения и компримирования водорода, формирования, накопления и подачи метано-водородной смеси (МВС) для работы газопоршневой установки, расчетное и экспериментальное обоснование эффективных соотношений количества водорода и метана в МВС, определение условий перехода к использованию МВС;
- описание режимов гибридного функционирования агрегатов автономного энергомодуля, показателей производимой энергии и энергообеспечения потребителей, реализованных в алгоритмах автоматической системы управления и контроля работоспособности систем, входящих в состав АГЭМ-1;
- основной режим – работа ГПУ на номинальной мощности с генератором переменного тока требуемых параметров;
- второй режим – работа ГПУ с генератором переменного тока и АКБ на максимальной мощности;
- третий режим – работа ГПУ в схеме с ВЭС и СЭС;
- резервные режимы – обеспечение средств запуска и жизнеобеспечения энергией от ВЭС, СЭС и системы АКБ;
- разработка способов транспортировки и развертывания элементов автономного гибридного энергетического модуля на площадке;
- разработка логистической схемы эксплуатационного и материального обеспечения (топливом, маслом, газом, ремонтными комплектами и др.) энергомодуля в режимах постоянного функционирования и обеспечения энергией при размещении потребителей в удаленных и труднодоступных районах, а также автономных необслуживаемых объектов; временного функционирования и энергообеспечения в районах проведения специальных, чрезвычайных и других мероприятий;
- разработка обоснований для масштабирования свойств, размеров и характеристик АГЭМ (состав потребителей, схемы,расчеты).
В состав оборудования АГЭМ-1 входят следующие элементы (рис.):
- 40-футовый контейнер морского исполнения;
- аккумулятор литий-железофосфатный LiFePO4;
- промышленное зарядное устройство аккумуляторных батарей;
- инвертор гибридный, трехфазный;
- фотоэлектрические модули;
- газовый компрессор;
- электролизер воды;
- модуль водоподготовки;
- воздушный ресивер;
- газопоршневая установка мощностью 30 кВт;
- газовые баллоны;
- АСУ ТП;
- системы: обнаружения газа и пламени; пожаротушения; вентиляции; кондиционирования воздуха; освещения; отопления.
ГПУ мощностью 30 кВт
В процессе работы над созданием АГЭМ-1 была разработана, собрана и испытана газопоршневая установка (ГПУ) на базе двигателя ВАЗ-11186 с генератором переменного тока мощностью 30 кВт.
Особенностью данной установки является ее способность работать на четырех видах топлива – бензин, природный газ, пропан, метано-водородная смесь.
АНО «Водородные технологические решения» планирует разработать и испытать ГПУ единичной мощностью до 200 кВт на базе ДВС российского производства, чтобы определить возможность сжигания метано-водородных смесей с различным содержанием водорода.
При необходимости проектирования и строительства гибридных электростанций большей мощности можно использовать газопоршневые установки китайского производства, которые смогут работать на разных видах топлива.
В табл. 1 и табл. 3 приведены основные технические характеристики ГПУ серии 300, способных работать на биомассе и синтез-газе с содержанием водорода до 50%.
ГПУ с техническими характеристиками, приведенными в табл., могут применяться в качестве базовых и резервных источников энергии, а также в качестве источников генерации для удаленных и изолированных потребителей.
Доставка топливного газа удаленным потребителям может осуществляться как в сжиженном (СПГ), так и в компримированном виде (КПГ). Недостатком использования КПГ является необходимость его подогрева перед редуцированием, поскольку при снижении давления природного газа на 100 кПа его температура снижается примерно на 0,4…0,5 оС (в зависимости от состава газа), что может привести к обмерзанию редуктора и прекращению подачи газа. Этот эффект называется эффектом «Джоуля-Томпсона».
В отличие от природного газа, водород при снижении давления нагревается. Эту его особенность можно использовать для предотвращения обмерзания редуктора, подмешав к природному газу необходимое количество водорода.
В табл. 2 приведены результаты расчета изменения температуры газа при снижении давления метана (СН4), водорода (Н2) и смеси метана и водорода (СН4+Н2). Как видно из таблицы, при снижении давления 100%-го метана с 2 МПа до 150 кПа температура снижается на 8,54 оС, а температура 100%-го водорода повышается на 0,55 оС.
При массовой концентрации водорода в смеси, равной 30%, при снижении давления с 2 МПа до 150 кПа температура ВСГ снизится на 0,69 оС. То есть, температура ВСГ снижается в 12 раз медленнее. Подмешивание водорода к природному газу снижает выбросы в атмосферу СО2. Чем больше доля водорода в смеси с природным газом, тем меньше выбрасывается в атмосферу углекислого газа.
Исследования сжигания смеси метана и водорода в газопоршневой установке, которые были проведены на экспериментальной площадке ОИВТ РАН по заказу АНО «Водородные технологические решения», показали, что при увеличении доли водорода в смеси снижаются выбросы в атмосферу оксидов азота (NOx).
Газобаллоные модули (ГБМ) с метано-водородной смесью при давлении 20 МПа
Рассмотрим вариант доставки водородосодержащего газа (ВСГ) удаленному потребителю энергии в 10-, 20- и 40-футовых газобаллонных контейнерах. В табл. 4 показано, сколько тепловой энергии может содержаться в таких модулях в зависимости от концентрации водорода в смеси при давлении 20 МПа.
Недавно появилось сообщение, что в Китае разработан накопитель электрической энергии (АКБ) энергоемкостью 6,5 МВт.ч, который размещается в 20-футовом контейнере (TENER). Для сравнения: энергоемкость АКБ MEGAPACK, разработанного командой Илона Маска, не превышает 3,9 МВт.ч.
Из табл. 4 видно, что в 20-футовом газобаллонном модуле, заполненном водородом при давлении 20 МПа, запас тепловой энергии равен 7,54 МВт.ч, что выше, чем запас электрической энергии в самом современном накопителе электроэнергии. При увеличении давления в газовых баллонах запас тепловой энергии будет увеличиваться.
В табл. 5 приведено сравнение значений тепловой энергии, определенной по высшей теплоте сгорания, водорода и метана, хранящихся в 10- и 20-футовых контейнерах, а также в передвижном автомобильном газовом заправщике (ПАГЗ) при давлении 40 МПа. Из табл. следует, что энергоемкость 20-футового ГБМ существенно выше, чем энергоемкость АКБ TENER.
Из табл. 4 и 5 видно, что при одинаковом давлении в ГБМ с увеличением доли метана в смеси водорода и метана растет энергоемкость топлива. Это обусловлено более высокой плотностью метана по сравнению с водородом. При этом увеличивается и масса модуля. Этот фактор необходимо учитывать при оценке расходов на транспортировку топливных модулей удаленным потребителям.
Чтобы сделать корректное сравнение между АКБ и ГБМ со смесью природного газа, необходимо учесть преобразование тепловой энергии ВСГ в электрическую энергию.
При значении КПД газопоршневой установки 40% из 20-футового ГБМ, заполненного смесью (50 % СН4 +50% Н2) можно получить 15,5 МВт.ч электрической энергии, что более чем в два раза превышает запас энергии АКБ TENER.
Выводы
1.Гибридные электростанции обеспечивают надежное энергоснабжение потребителей с минимальным расходом органических видов топлива и, соответственно, с минимальными выбросами парниковых газов.
2.Подмешивание водорода к природному газу снижает выбросы оксидовазота и углерода.
3.Поставка газобаллонных модулей, заполненных природным газом или смесью природного газа с водородом, удаленным и изолированным потребителям энергии является перспективным направлением.
4.При повышении экологических требований к энергоустановкам, сжигающим органические виды топлива, будут востребованы газопоршневые установки, способные работать на смеси природного газа и водорода.