Системы резервного энергоснабжения на основе мобильного генератора водорода

В большинстве областей современной деятельности общества электроснабжение обязано быть постоянным. Непрерывное электроснабжение крайне важно для надежной и безопасной работы сельскохозяйственных предприятий, коммунального хозяйства, армии, медицинских и детских учреждений, крупных общественных объектов, телекоммуникационных систем, центров обработки данных, инфраструктуры нефтегазовых месторождений, атомных электростанций (АЭС), мощных турбогенераторов в ТГК, торгово-развлекательных центров, высотных офисных зданий и других объектов в различных отраслях промышленности.

Источники электроэнергии, обеспечивающие непрерывное электроснабжение, называются резервными. Это могут быть различные устройства, такие как UPS – гарантированный источник питания на основе аккумуляторных батарей. Резервными источниками также могут быть различные виды электрогенераторов. Реализация непрерывного гарантированного электроснабжения может быть осуществлена различными схемами - основное условие, чтобы электроснабжение происходило из двух и более независимых источников.

При прерывании поставки электроэнергии от основных источников резервные источники запускаются автоматически, через АВР (Автоматическое Включение Резерва) или вручную с помощью обслуживающего персонала. В качестве резервных источников питания могут использоваться микротурбины, электрогенераторы различной мощности с приводом от газотурбинных, газопоршневых или дизельных силовых агрегатов. Основное отличие резервных силовых агрегатов от электростанций, предназначенных для промышленного производства электроэнергии, – это ограничение по времени использования. Резервные установки, за редким исключением, не предназначены для длительной эксплуатации.

Целью данного исследования является разработка технических решений, направленных на повышение надежности энергоснабжения и снижение экологической нагрузки на окружающую среду с использованием водородных технологий аккумулирования энергии.

Возможности водородного топливного генератора

Рассмотрим явление, которое происходит при погружении цинкового электрода в раствор сернокислого цинка (ZnSO4). Молекулы воды стремятся окружить положительные ионы цинка в металле. В результате действия электростатических сил положительные ионы цинка переходят в раствор сернокислого цинка. Большой дипольный момент воды способствует этому переходу. Рядом с процессом растворения цинка происходит обратный процесс возвращения положительных ионов цинка в цинковый электрод при достижении ими электрода в результате теплового движения. При определенном потенциале металла наступает динамическая равновесная ситуация, то есть два встречных потока ионов (от электрода в раствор и наоборот) будут одинаковыми. Этот равновесный потенциал называется электрохимическим потенциалом металла относительно данного электролита.

Важное техническое применение гальванических элементов заключается в аккумуляторах, где вещество, расходуемое при отборе тока, накапливается на электродах при пропуске тока от внешнего источника (при зарядке). Использование аккумуляторов в энергетике затруднено небольшим запасом активного химического топлива, что не позволяет производить электроэнергию непрерывно в больших объемах. Кроме того, аккумуляторы характеризуются низкой удельной мощностью.

Большое внимание в различных странах уделяется непосредственному превращению химической энергии органического топлива в электрическую энергию в топливных элементах. В этих энергетических преобразователях можно достичь более высокой эффективности, чем в тепловых машинах.

Преимущества и недостатки использования резервных источников питания на основе генераторов водорода

Преимущества:

• Экологичность: Процесс производства энергии с использованием водорода не вызывает выбросов углекислого газа, что делает его экологически чистым источником энергии.
• Эффективность: Генераторы водорода обладают высоким коэффициентом полезного действия (КПД) при превращении химической энергии водорода в электрическую энергию.
• Мобильность: Подвижные генераторы водорода могут использоваться в удаленных или труднодоступных местах, где отсутствует электрическая инфраструктура.
• Быстрота обслуживания: Заправка топливных элементов водорода осуществляется быстро, обеспечивая быстрое восстановление работы генератора после разряда.
• Вариативность: Водород можно получать из различных источников, таких как вода, биомасса, природный газ и другие.

Недостатки использования мобильных генераторов водорода:

• Расходы: Существующие технологии производства водорода могут быть затратными, влияя на экономическую целесообразность мобильных генераторов.
• Инфраструктурные ограничения: Отсутствие инфраструктуры для производства, хранения и распределения водорода может ограничивать доступность и широкое использование мобильных генераторов.
• Энергетическая плотность: Объем и вес водорода на единицу энергии меньше по сравнению с традиционными видами топлива, что может требовать больших хранилищ для длительной работы генератора.
• Безопасность: Водород является легковоспламеняющимся газом, требующим специальных мер предосторожности для безопасного хранения и использования.
• Ограниченные технологии хранения: Существующие методы хранения водорода могут быть сложными и требовать дополнительных усилий для обеспечения безопасности.
• Зависимость от источников топлива: Производство водорода часто требует энергии, частично поступающей из источников, таких как природный газ, что может сказаться на устойчивости и экологической чистоте процесса.

Проведя анализ между преимуществами и недостатки резервных источников питания на основе мобильных генераторов водорода, можно сделать вывод, что мобильные генераторы водорода предлагают экологически чистый и подвижный источник энергии, однако, существуют проблемы, связанные с экономической эффективностью и инфраструктурой, которые могут ограничивать их распространение и использование.

Перспективы электрохимии

Топливные элементы обладают рядом преимуществ, таких как высокий коэффициент полезного действия, низкая токсичность, отсутствие шума, модульная конструкция, позволяющая собирать установки большой мощности из нескольких топливных элементов, разнообразие первичных видов топлива и широкий диапазон мощности. Внедрение их на рынок ограничено в первую очередь высокой стоимостью электроэнергии и ограниченными ресурсами. Твердополимерные топливные элементы имеют наибольший ресурс – от 2 до 5 тысяч часов работы, при сроке службы от 20 до 30 тысяч часов.

Что касается коммерциализации электрохимических генераторов на топливных элементах, около 100 компаний участвуют в демонстрационных испытаниях, достигнута установленная мощность в 50 МВт. Потребность в децентрализованной стационарной энергетике (мощность электрохимических генераторов от 5 кВт до 10 МВт) составляет 100 тысяч МВт за 10 лет. Сейчас 1 кВт установленной мощности стоит более 3 тысяч долларов, а приемлемая цена – 1 тысяча долларов. Таким образом, необходимо значительное снижение стоимости стационарных топливных элементов и десятикратное снижение стоимости топливных элементов для транспорта.