ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ УДАЛЕННЫХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ

Рисунок 1. Схема преобразования первичной энергии в электрическую

Для проведения морфологического анализа мы составили список возможных вариантов исполнения каждого из элементов схемы приведенной на рисунке 1.

1-й элемент — энергия воды, энергия солнца, энергия ветра, энергия химического топлива;

2-й элемент — гидроэлектростанция, солнечная электростанция, ветроэлектростанция, электростанция с использованием двигателя внутреннего сгорания (ДВС), электростанция на топливных элементах;

3-й элемент это повышающие и понижающие трансформаторные подстанции (ТП) они могут использоваться и без них можно обойтись поэтому в морфологическую матрицу запишем — есть ТП или нет ТП;

4-й элемент — линии передачи электрической энергии тоже в матрицу запишем — есть или нет.

Тогда морфологическая матрица будет иметь вид, приведенный в таблице 1. При проведении анализа данных в таблице 1 мы введем следующие ограничения, продиктованные особенностями использования электрической энергии в сельскохозяйственном производстве: источники первичной энергии должны находиться рядом с потребителем, мощность таких источников должна быть в пределах от трех до пятнадцати кВт. Из сказанного можно сделать вывод, что мы должны обеспечивать электрической энергией небольшие подсобные и фермерские хозяйства. Это позволит нам ограничить объем рассматриваемого материала.

Таблица 1.

Морфологическая матрица способов получения и передачи электрической энергии

В качестве примера мы рассмотрим только 2 из 80 вариантов. В первом варианте используются: энергия воды, гидроэлектростанция, повышающие и понижающие ТП, линии передачи электрической энергии. Это всем известная централизованная система производства и передачи электрической энергии. Ее недостатки всем известны. Для выбора второго варианта введем дополнительные ограничения: для снижения потерь электрической энергии исключим из системы линии электропередач и повышающие и понижающие ТП, устройство для преобразования первичной энергии в электрическую не должно иметь движущихся частей для простоты обслуживания. Этим критериям отвечают солнечные электростанции и электростанции на топливных элементах. Они отличаются источниками первичной энергии. У солнечной электростанции это энергия солнца, а у электростанции на топливных элементах используют энергию углеводородного топлива. По данным литературных источников стоимость электрической энергии получаемой от солнечной электростанции выше, чем стоимость электрической энергии вырабатываемой на электростанциях традиционного типа. Поэтому мы остановимся на электростанциях использующих топливные элементы. На этих электростанция получают энергию двух и более видов из первичного источника энергии. Такое производство энергии называется когенерацией. В таблице 2 приведено сравнение между когенерацией и раздельным производством электрической энергии и тепла [5]. Анализ приведенных данных показывает, что общая эффективность производства электрической энергии и тепла составляет около 58 %, а при использовании когенерации, на базе топливных элементов, она составляет около 90 %.

Таблица 2.

Результаты сравнения между когенерацией и раздельным производством электрической энергией и и тепла

Технология когенерации сочетает разные положительные характеристики, которые недавно считались несовместимыми. Наиболее важными чертами технологии когенерации следует признать высочайшую эффективность использования топлива. Удовлетворительные экологические параметры и автономность систем когенерации. Это не просто «комбинированное производство электрической и тепловой энергии», — это уникальная концепция, которая сочетает преимущества когенерации, распределенной энергетики и оптимизации энергопотребления [5].

Когенерация позволяет уменьшить затраты на энергию в несколько раз по сравнению с энергоснабжающими организациями. Уменьшение доли энергии в цене продукции позволит снизить ее стоимость.

Стоимость прокладки линий электропердач и подключение к имеющимся электрическим сетям могут составить сумму, превосходящую затраты на проект когенерации.

Когенерация позволяет избежать бесполезные и экономически неэффективные затраты на средства передачи электрической энергии. При этом исключаются потери при транспортировке электрической энергии потому, что генерирующее оборудование устанавливается рядом с потребителем. Топливом для установок подобного типа может служить природный газ или биогаз вырабатываемый из отходов сельскохозяйственного производства. Преимуществом такого вида топлива является относительная его дешевизна, мобильность и доступность. Н.И. Сазонов еще в 1962 году отмечал, что транспортировка газа по газопроводам в десять—двенадцать раз экономичнее передачи электрической энергии по высоковольтным линиям электропередач [5].

В случае принятия соответствующих законов в России может возникнуть привлекательность использования распределённых генераторов — превращение фермерских хозяйств, и личных подсобных хозяйств в производителей и продавцов электрической энергии. Чем ближе создание рынка электрической энергии с изменяющимися в реальном времени ценами, тем привлекательнее становится такой «дополнительный» бизнес. Он способен, при некоторых условиях, стать даже прибыльнее основного.

Использование когенерации уменьшает затраты на получение энергии, это связано с тем, что кпд производства электрической энергии из первичного топлива увеличивается в два-три раза. При этом потребители получают возможность более эффективного применения тепла, которое можно утилизировать (используя его при сушке, охлаждении, кондиционировании и в других технологических процессах).

Американские эксперты по распределенной энергетике предсказывают, что к 2010 году в США понадобится около 137 000 МВт новых мощностей. Для этих целей потребуется до $ 84 миллиардов на строительство новых электростанций и потребуется до $ 220 миллиардов на строительство новых линий передачи и распределения электрической энергии. Значить в сумме потребуется примерно $ 304 миллиарда. В том случае, если при строительстве новых мощностей использовать распределенную энергетику, то потребуется около $ 168 миллиардов для строительства новых электростанций, а в строительстве линий электропередач нет необходимости.

«Когенерация снижает потребности в новых линиях электропередач — позволяет избежать строительства дорогостоящих и опасных высоковольтных линий над частной собственностью, экологического противоборства. Распределенная энергетика в будущем могла бы уменьшить капитальные вложения на $ 136 миллиардов и уменьшить стоимость новой энергии до 3 центов за кВт» [5]. При использовании когенерационных систем, расположенных рядом с потребителями, исключаются потери электрической энергии при ее транспортировке и преобразовании. Величины электрических потерь в существующих сетях лежат в пределах от пяти до тридцати процентов суммарной мощности.

Исходя из сказанного рассмотрим принцип действия топливного элемента на примере простейшего элемента с протонообменной мембраной (Proton Exchange Membrane, PEM) [1]. Полимерная мембрана, помещена между положительным электродом (анодом) и отрицательным электродом (катодом) вместе с катодным и анодным катализаторами и выполняет функции электролита. На рисунке 2 приведена схема PEM-элемента.

Рисунок 2. Схема топливного элемента с протонообменной мембраной (PEM-элемента)

Протонообменная мембрана (PEM) представляет собой тонкое твердое органическое соединение. Эта мембрана функционирует как электролит: разделяет вещество на положительно и отрицательно заряженные ионы в присутствии воды. Окислительный процесс происходит на аноде, а восстановительный — на катоде. Катод и анод в PEM-элементе сделаны из материала имеющего пористую структуру, которая представляет собой смесь частичек углерода и платины. Платина выступает в роли катализатора, способствующего протеканию реакции диссоциации. Для свободного прохождения через катод и анод водорода и кислорода они выполнены пористыми. Они помещены между двумя металлическими пластинами, которые подводят к катоду и аноду кислород и водород, а отводят воду и тепло, а также электрическую энергию.

На анод сквозь каналы в пластине поступают молекулы водорода, и там происходит разложение молекул на отдельные атомы. Затем в результате хемосорбции в присутствии катализатора атомы водорода, отдавая каждый по одному электрону e–, превращаются в положительно заряженные ионы водорода H+, т. е. протоны. Протоны через мембрану диффундируют к катоду, а поток электронов направляется к катоду через внешнюю электрическую цепь, к которой подключен потребитель электрической энергии.

Кислород, подаваемый на катод, в присутствии катализатора вступает в химическую реакцию с протонами из протонообменной мембраны и электронами из внешней электрической цепи (рисунок 3). В результате этой химической реакции образуется вода. Химические реакции в топливных элементах других типов абсолютно идентична химическим реакциям в топливном элементе с протонообменной мембраной. В любом топливном элементе в виде тепла выделяется часть энергии химической реакции.

Рисунок 3. Химическая реакция кислорода и ионов водорода

Движение электронов во внешней цепи представляет собой постоянный ток, который используется для совершения работы. Размыкание внешней цепи или прекращение движения ионов водорода останавливает химическую реакцию. Количество электрической энергии, производимой топливным элементом, зависит от типа топливного элемента, геометрических размеров, температуры, давления газа. Отдельный топливный элемент обеспечивают ЭДС менее 1,16 В. Для получения нужного напряжения можно увеличить размеры топливных элементов, или использовать несколько элементов, соединенных последовательно в батареи. Пример такого решения приведен на рисунке 4.

В батарее топливных ячеек, составляющих топливный элемент, вырабатывается неустойчивый постоянный ток. Он отличается большой силой тока и низким напряжением. Для преобразования его в переменный ток, отвечающий промышленным стандартам, используется инвертор с необходимыми характеристиками. Кроме этого, в состав блока преобразователя напряжения входят различные управляющие устройства и схемы защитной блокировки, позволяющие отключать топливный элемент в случае различных сбоев.

Рисунок 4. Батарея топливных элементов

Почти 40 % энергии топлива, в топливном элементе, может быть преобразовано в электрическую энергию, столько же энергии топлива, может быть преобразовано в тепловую энергию. Ее можно использовать в качестве источника тепла для горячего водоснабжения, отопления и других технологических нужд. Таким образом, суммарный кпд батареи топливных элементов может достигать 80 %.

Другим достоинством этого источника электро- и теплоснабжения является возможность его автоматизации. Для обслуживания топливных элементов, не требуется содержать специально обученный персонал — периодическое обслуживание может осуществляться работниками сторонней эксплуатирующей организации.

В настоящее время известно несколько типов топливных элементов, различающихся составом использованного электролита. Наибольшее распространение получили следующие четыре типа [5]:

1.  Топливные элементы с протонообменной мембраной (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC).

2.  Топливные элементы на основе ортофосфорной (фосфорной) кислоты (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC).

3.  Топливные элементы на основе расплавленного карбоната (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).

4.  Твердотельные оксидные топливные элементы (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC).

Для автономного энергоснабжения фермерских хозяйств и небольших частных подворий необходимы топливные элементы мощностью от 3 до 15 кВт, и при этом имеется возможность использования тепловой энергии, поэтому для этих целей могут использоваться и топливные элементы других типов. В таблице 3 приведены характеристики различных известных топливных элементов.

Таблица 3.

Типы топливных элементов и их характеристики

Одним из перспективных направлений использования в качестве автономных источников энергии топливных элементов является электро- и теплоснабжение небольших фермерских хозяйств и частных подворий при помощи небольших установок мощностью 3…5 кВт. Для оценки эффективности таких решений в США был реализован демонстрационный проект электроснабжения здания экологического центра. Особенность проекта заключается в том, что он не требует специально обученного персонала — оборудование поставляется, монтируется и эксплуатируется сторонней организацией, а не владельцами данного объекта. Для работы топливного элемента с протонообменной мембраной (PEM) необходима вода. Электростанция на базе топливного элемента установлена параллельно основной системе электроснабжения здания и работает при номинальной мощности 2,5 кВт. Она снабжена счетчиком электрической энергии и газовым счетчиком, это позволяет оценить эффективность ее работы. Кроме этого, при помощи телефонной линии установлено модемное соединение топливной электростанции с эксплуатирующей организацией, что позволяет оперативно получать информацию о различных нештатных и аварийных ситуациях требующих вмешательства сервисной службы. Основные характеристики топливного элемента приведены в таблице 4. Выбор места размещения топливной электростанции определялся удобством подключения всех необходимых коммуникаций (газа, воды и электрической энергии).

Таблица 4.

Характеристики топливного элемента «SU-1»

Электростанция на базе топливного элемента «SU-1» вырабатывает переменный электрический ток напряжением 120/240 В и частотой 60 Гц. Кроме этого, энергоснабжение данного здания может осуществляться от централизованной электрической сети в случае сбоев в работе топливной электростанции или при превышении максимально допустимой нагрузки; для автоматического отключения топливноэлектростанции в схему управления включено защитное реле.

Электростанция на базе топливного элемента комплектуется установкой мембранной очистки воды (обратного осмоса). Эта установка располагается в техническом помещении и предназначена для очистки технической воды, подаваемой к топливному элементу. Для предотвращения замерзания воды водопровод снабжен подогревом. В схему управления электростанции на базе топливного элемента входит модем, при помощи которого, по обычной телефонной линии, устанавливается связь с эксплуатирующей организацией.

В таблице 4 приведены экономические показатели данного проекта. По данным, приведенным в литературных источниках [4; 5], была произведена оценка экономических показателей проекта. Среднегодовая производительность электростанции на базе топливного элемента составляет 19 710 кВт ч. На стоимость вырабатываемой энергии влияет стоимость первичного топлива и воды. Расчёты показали, что стоимость 1 кВт ч произведенной электроэнергии без учета затрат на обслуживание и амортизацию оборудования составляет $ 0,0766 за 1 кВт ч в США при стоимости воды $ 0,4465 за 1000 л и стоимости природного газа $ 0,2048 за 1 м³.

Мы провели расчеты для России, и при стоимости воды 37,02 руб. за м³, а природного газа 4,33373 руб. за м³ стоимость 1 кВт ч электрической энергии составила 1,65 руб. Если учесть затрат на обслуживание и амортизацию оборудования стоимость за 1 кВт ч в России составит примерно 2,50 руб.

Особенностью работы фермерских хозяйств является наличие органических отходов, растительного материала, навоза из которых можно получать биогаз. Его можно использовать вместо природного газа для работы электростанций на базе топливных элементов. По данным литературных источников [1…4] 1 м³ биогаза стоит примерно 1,9 рубля. Если в качестве источника энергии использовать биобиогаз, то стоимость электрической энергии полученной от электростанции на базе топливного элемента составит 0,75 рубля за 1 кВт ч. С учетом затрат на обслуживание и амортизацию оборудования стоимость за 1 кВт ч в России составит примерно 1,15 руб., что почти в три раза меньше стоимости электрической энергии, поставляемой электроснабжающими организациями. Это без учета того, что в данном проекте не используется тепловая энергия. Однако этот опыт может быть интересен для сельского хозяйства нашей страны, поскольку в ряде регионов стоит проблема дефицита и высокой стоимости электрической энергии, и в то же время имеются запасы относительно дешевого природного газа и возможность получения биогаза.

Направлением нашей дальнейшей работы будет разработка проекта биогазовой установки совмещенной с электростанцией на базе топливного элемента для энергоснабжения фермерского хозяйства.

Список литературы:

1. Биогаз — [Электронный ресурс] — Режим доступа — URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/Биогаз#.D0.91.D0.B8.D0.BE.D0.B3.D0.B0.D0.B7_.D0.B2_.D0.A0.D0.BE.D1.81.D1.81.D0.B8.D0.B8 (дата обращения 16.02.2013).

2. Биогаз «Возобновляемые источники энергии» — [Электронный ресурс] — Режим доступа — URL: http://re.buildingefficiency.info/biogas/#i-6 (дата обращения 16.02.2013).

3. «Ведрусса» семейный экологический журнал — [Электронный ресурс] — Режим доступа — URL: http://vedrussa.org.ua/двигатели-работающие-на-биогазе (дата обращения 16.02.2013).

4. Возобновляемые энергоносители для автономного энергообеспечения — Статья — Журнал «Механизация и электрификация сельского хозяйства» — № 8 — Страница 2—3. Таранов М.А. и Медведько А.Ю.

5. Использование топливных элементов для энергоснабжения зданий М.М. Бродач, Н.В. Шилкин, журнала «АВОК» № 2 2004 — [Электронный ресурс] — Режим доступа — URL: http://www.abok.ru/for_spec/articles. php?nid=2340(дата обращения 20.03.2013