Введение
Много было дискуссий по поводу КПД преобразования энергии водорода в полезную работу. И вот решил сделать такую прикидку.
КПД электролиза на сегодня у лучших передовых образцов составляет порядка 80%. Два основных пути сжигания водорода:
- в топливных элементах;
- в камере сгорания с выработкой полезной работы в турбине (высокотемпературная газовая турбина).
Прикидка
Значит, речь идет об электростанции, состоящей из электролизера, системы хранения водорода и кислорода и установке по выработке электроэнергии, на которой этот самый водород будет сжигаться.
В случае варианта 1 КПД электростанции не ниже 50%. Тогда КПД всего комплекса (грубо) 0,8*0,5= 0,4, т.е., 40%. Т.е. с 1МВтч затраченной энергии полезно 0,4МВтч энергии отводимой потребителю.
В варианте 2 водород сжигается в кислороде и полученный пар срабатывает в турбине. Но есть нюансы, связанные с высокой температурой пара, полученного при сжигании водорода в кислороде.
Во-первых, вся система (камера сгорания, подводящий трубопровод к турбине, сама турбина) должны быть выполнены из температуростойких материалов. Во-вторых, первоначальное состояние пара будет в состоянии диссоциации до температуры 1250К. Но в процессе расширения по мере снижения температуры водород будет активно рекомбинировать с кислородом с образованием того же самого пара.
Энтальпия этого пара при давлении, допустим, 6МПа примерно 15000кДж/кг. По сути, это и есть q1, т.е., используемая в цикле теплота. Температура стехиом.горения Н2 3600К. Степень диссоциации при этом 30%. Общий теплоперепад в турбине это разность энтальпий пара на входе и выходе из нее. На входе мы знаем 15000кДж/кг. Конечная энтальпия составит, ну пусть, 2500кДж/кг (теор.процесс берем).
Итого, 12500кДж/кг теплоперепад. Но он будет уменьшен грубо на 10% из-за теплопотерь, пока пар дойдет до турбины. Хотя это много. Но, тем не менее, допустим. Еще надо учесть относительный внутренний КПД турбины, который на таких параметрах вполне примем как минимум 90%.
Итого, 12500*0,9*0,9 = 10125кДж/кг. Тогда КПД электростанции как отношение полезно полученной энергии к подведенной теплоте, т.е., (10125/15000)*100=67,5%. И КПД всего комплекса 0,8*0,675=0,54. Т.е., порядка 50%. Значит, половина электроэнергии конвертируется в полезную от затраченной на электролиз.
Заключение
Но дело не только в одном КПД. Влияют еще и тарифы, режимы и т.д...только при учете всей системы факторов можно получить условия конкурентоспособности по сравнению с прочими генерирующими системами, комплексный КПД которых даже еще выше.
