Новые разработки в сфере мини-ТЭЦ

Размещено на http://allbest.ru

Новые разработки в сфере мини-ТЭЦ

Мини-ТЭЦ - это установки, предназначающиеся для использования в многоквартирных и одноквартирных домах, а также на мелких предприятиях. Для жилых домов их мощность составляет от нескольких сотен ватт до 5 кВт. Для малых промышленных предприятий - свыше 5 кВт. Для применения в жилых домах имеется две новые перспективные технологии, способные в среднесрочной перспективе соответствовать требованиям по стоимости и общему КПД при очень незначительной эмиссии вредных веществ в атмосферу: стирлинг-моторы и топливные элементы. В промышленности, предъявляющей более высокие требования к энергии, чем жилой фонд, и нуждающейся дополнительно в технологическом паре, выгоднее использовать небольшие газовые турбины.

Новые разработки в области газовых турбин с внутренней рекуперацией тепла, параллельной работой генераторов, силовой электроники с регулированием напряжения вне зависимости от скорости вращения позволяют достичь сравнительно высокого КПД при частичной нагрузке вплоть до 10 кВт при незначительной эмиссии и сравнительно небольших инвестиционных расходах.

Топливные элементы характеризуются очень высоким КПД при полной или частичной электрической нагрузке и имеют чрезвычайно низкие показатели эмиссии вредных веществ. Стирлинг-моторы имеют низкий уровень шума и почти не нуждаются в обслуживании, а также характеризуются очень незначительной эмиссией благодаря использованию внешнего непрерывно горящего источника тепла. Эти технологии пригодны для использования в низкоэмиссионных электрогенерирующих отопительных приборах.

Использовать мини-ТЭЦ в одноквартирных и многоквартирных жилых домах, по мнению разработчиков, можно с встроенной отопительной частью для покрытия тепловых пиков и без нее. В любом случае предполагается чрезвычайно большое количество пусков или же работа в условиях неполной загрузки по сравнению с нормальной работой мини-ТЭЦ. Разработки в области топливных элементов сконцентрированы на типах ПЭМ и SOFC. В силовых установках со стирлинг-агрегатами используются различные виды конструкций. мотор турбина рекуперация тепловой

Мини-ТЭЦ сейчас работают на базе газовых моторов и газовых турбин. Нижняя граница электрической мощности, при которой работа ТЭЦ на базе газовых моторов еще представляется целесообразной, составляет модульную величину порядка 5 кВт^эл, а на базе газовых турбин -500 кВт^эл. Для коттеджей и многоквартирных домов или для небольших производств необходимы ТЭЦ значительно более низкой мощности.

Две новые концепции - топливные элементы и стирлинг-моторы - в силу их специфических свойств вселяют надежду, что их можно будет применять в жилом секторе. Эксплуатация на природном газе обеспечивает им практически бесшумную работу и незначительное количество вредных веществ, что делает их применение в жилых и производственных постройках целесообразным как с технической, так и с экологической точки зрения.

Успешный выход на рынок в любом случае предполагает экономическую конкурентоспособность по отношению с сегодняшнему стандарту, т.е. теплоснабжению через отопление в сочетании с полным электроснабжением от сети.

Топливные элементы

Топливные элементы представляют собой электрохимические преобразователи типа батареек, но с непрерывной подачей продуктов реакции. Они непосредственно преобразуют поступающие продукты реакции (водород и кислород) в электричество, тепло и воду. В результате этого проявляются такие важные свойства топливных элементов как высокий электрический КПД при полной и частичной загрузке при очень незначительной эмиссии вредных веществ, которая возникает из-за подключения горелочного устройства для подготовки водорода из жидких энергоносителей.

При использовании в ТЭЦ кислород получают из окружающего воздуха, а водород - недорого и с минимальной эмиссией - из природного газа. Отсутствие механических компонентов в батарее элементов дает основание ожидать, что они почти не будут нуждаться в техобслуживании и будут иметь продолжительный срок эксплуатации.

Необходимость решать вопросы экологии и желание производить полезную энергию рационально и щадя окружающую среду дали толчок развитию различных технологий топливных элементов, в том числе и для мини-ТЭЦ с использованием жидких энергоносителей, К ним относятся:

· полимерно-электролитические топливные элементы (полимерно-электролитические мембраны (Fuel Cell, РЕМ или PMFC);

· фосфорно-кислотные топливные элементы (фосфорно-кислый Fuel Cell, PAFC);

· топливные элементы из карбонатного сплава (Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC);

· минералокерамические топливные элементы (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC).

Топливные элементы различаются по виду используемого электролита и рабочей температуре (табл. 1).

В принципе можно считать, что низкие рабочие температуры предъявляют низкие требования к материалам относительно выносливости и, напротив, высокие требования к газоподготовке, и дают более низкий КПД. Абсолютно противоположная ситуация у топливных элементов с высокими рабочими температурами. Разработки по применению PAFC и MCFC в мини-ТЭЦ в настоящее время приостановлены. Эти типы обусловливают при холодном пуске переход электролита из твердой в жидкую фазу. Так как в самом малом классе мощностей требуется частое повторение процесса пуска, это приводит к тому, что фаворитами становятся топливные элементы типа РЕМ (ПЭМ) и SOFC с твердым электролитом.

Топливные элементы с полимерно-электролитической мембраной (РЕМ - ПЗМ)

Электролит ПЭМ состоит из тончайшей полимерной пленки. Реакция в элементе эpтого типа протекает при температуре на уровне 80°С, в силу чего возможности использования уходящего тепла ограничены. К качеству топливного газа и его подготовке предъявляются высокие требования.

Положительными качествами ПЭМ являются невысокие термические требования к материалу, высокая мощностная плотность и способность к быстрому и холодному пуску. Недостатком является то, что большая мощностная плотность обусловливает работу батареи элементов с высоким давлением. Это создает необходимость в дополнительных механических компонентах, затратах на регулирование и шумовой эмиссии.

Для ПЭМ требуется устройство предварительной газоподготовки, включающее в себя удаление серы и Shift-конвертор для оксидации вредного для стопки топливных элементов СО, так что загрязнение горючего газа должно быть сокращено до минимума.

На рис. 1 показана схема полной силовой установки с топливными элементами в том виде, в каком она разработана фирмой "Вайлант" для параллельной работы с сетью. Система в целом дополняется горелкой дожига (форсажной камерой), теплоносителем (теплопередачей) для отбора полезного тепла и инвертором (преобразователем постоянного тока в переменный).

Горелка дожига использует избыточный горючий газ стопки элементов для производства тепла, а инвертор преобразует постоянный ток стопки элементов в обычный для домашней электросети переменный ток. Топливные элементы ПЭМ при условии предварительного реформинга достигают электрического КПД порядка 40%.

Топливные элементы с полимерно-электролитической мембраной (SOFC)

Топливный элемент SOFC имеет керамический электролит. Это является его достоинством, так же как и у ПЭМ, из-за многократных процессов пуска. Однако для достижения способности вступать в реакцию и уменьшения теплового напряжения этот элемент нуждается в предварительном подогреве. Рабочие температуры достигают уровня 900°- 1000°С; проводится работа в направлении снижения рабочей температуры до уровня ниже 700°С. Высокая температура создает возможности для работы топливного элемента SOFC на природном газе с энергетически выгодным внутренним реформингом и для использования недорогих катализаторов, не содержащих благородных металлов. Ожидаемый електрический КПД системы составляет порядка 50%.

Для использования в мини-установках для комбинированного производства тепловой и электрической энергии фирма "Зульцер-Хексис" (Sulzer-Hexis) разработала силовую установку для параллельной сетевой работы. Топливный элемент фирмы "Зульцер-Хексис" является удачным вариантом решения проблемы плотности при тепловом расширении по сравнению с обычными стопками элементов. На рис. 2 показана принципиальная схема установки в целом.

В классе мощностей от 1 до 3 кВТэл сегодня уже производятся полевые испытания. Элемент SOFC имеет перспективы только для применения в сфере комбинированного производства тепловой и электрической энергии.

Из-за отсутствия синергизма с мобильными установками ожидаются меньшие партии по сравнению с ПЭМ. Связанные с этим незначительные резервы снижения затрат должны, с экономической точки зрения, чем-то компенсироваться, например, за счет более высокого КПД или уменьшения затрат на реформинг.

Силовые установки с топливными элементами

Типы актуальных разработок по мини-установкам приводятся в табл. 2. Корпорация Plug Power разработала для американского рынка концепцию ПЭМ в качестве чистого электрогенератора с целью замены центрального электроснабжения таких крупных потребителей электроэнергии в жилых домах, как кондиционерные системы, без потерь на распределение.

Первое полевое испытание работы установок на чистом водороде проводится в США в одном из коттеджей с 1998 г.

Тем временем продолжалась разработка установки, работающей на природном газе. В ближайшие два года будут проводиться полевые испытания в г. Нью-Йорк. Для Европы разрабатываются установки с отбором тепловой энергии.

На фирме "Вайлант" продвигается разработка электрогенерирующего отопительного устройства с топливным элементом. В соответствии с проектом целью разработки является устройство, имеющее размеры обычного отопительного котла. Готовятся полевые испытания. Первая серия этих приборов, предназначенных для эксплуатации в маленьких коттеджах, появится на рынке в 2002 году. За ними последуют меньшие приборы для коттеджей. Отопительные приборы с топливным элементом SOFC фирмы "Зульцер-Хексис" в настоящее время проходят полевые испытания в Германии и Швейцарии, в частности, на фирме "Тиссен-газ" в Дуйсбурге и EWE в Олденбурге. Перечень приборов с отопительными элементами приводится в табл. 3.

Стирлинг-моторы

Стирлинговый мотор нагретого газа восходит к изобретению Роберта Стирлинга (Великобритания), сделанному в 1816 году. С конца 80-х годов во всем мире проводится усиленная разработка стирлинговых моторов небольшой мощности с целью их использования в мини-ТЭЦ. Некоторые из них применяются в демонстрационных установках и при полевых испытаниях мини-ТЭЦ.

Принцип действия и свойства стирлингового мотора

Принцип действия мотора основывается на замкнутом тепловом процессе с внешним источником тепла, а также отводом тепла. Рабочая среда колеблется вследствие изменения объема между источником тепла и отводом тепла и при этом производит работу на рабочем поршне и вытеснительном поршне (для подачи топлива), которые разделяют два рабочих объема между источником тепла и отводом тепла.

Важным признаком стирлинговых моторов является то, что среда во время процесса переливания между рабочими пространствами должна проходить рекуператор, где она попеременно отдает тепло и снова (частично) получает. Возможности применения механических свойств стирлингового процесса многообразны.

В мини-ТЭЦ в качестве источника тепла можно использовать тепло уходящих газов от отопительной установки. Остающееся тепло уходящих газов, равно как и тепло от теплоотвода могут далее отводиться для целей отопления, а избыточная механическая мощность может использоваться для производства электроэнергии. Это обеспечивает высокий общий КПД и теоретически также высокий электрический КПД.

Однако на практике высокий электрический КПД не достигается. Сложности с его получением возникают из-за теплопереноса как на горячем, так и на холодном конце, а также на рекуператорах, требующих больших площадей переноса и достаточного времени переноса. На практике достигается электрический КПД порядка 35%, причем на небольших агрегатах прослеживается тенденция скорее к 15%.

Для мини-ТЭЦ решающее значение имеет очень высокий общий КПД. Электрический ток возникает как побочный продукт при производстве тепла. Прочими достоинствами стирлингового мотора являются низкие показатели вредных веществ внешнего горения, работа мотора с низким уровнем шума, а также потенциально большой срок службы при незначительном техобслуживании.

Разработка мини-ТЭЦ со стирлинговыни моторани

Газовые турбины находят широкое применение в производстве электроэнергии в GuD-процессах или как агрегаты пикового тока. Электрический КПД больших установок составляет 35 -38%, характеристики при частичной нагрузке скорее неудовлетворительные.

Однако большой срок службы, очень незначительные инвестиционные затраты в мегаваттом диапазоне мощностей, большая доля пригодной для использования энергии уходящих газов и очень небольшая эмиссия вследствие непрерывного горения являются достоинствами этой технологии.

Поэтому до настоящего времени было нецелесообразно применять турбины в диапазоне мощностей менее 500 кВт^эл. Это стало возможным только в результате комбинации двух мероприятий: рекуперации и обратной подачи части объемного потока уходящего газа в компрессор с одной стороны и прямого присоединения генератора.

В сочетании с не зависящим от скорости вращения инвертированием тока посредством силовой электроники достигаются наряду с приемлемыми показателями электрического КПД более 25% и общего КПД более 70% также хорошие показатели КПД при неполной нагрузке. Эти последние параметры имеют решающее значение для использования на небольших объектах.

Небольшие газовые турбины в настоящее время разрабатываются многими производителями, такими, к примеру, как Allied Signal Engines, Northern research & Engineering Corp., Turbec, Capstone Turbine и Bowman. Образцовыми считаются разработки фирм Capstone и Bowman, фирма Bowman предлагает свою газовую турбину с переменной рекуперацией для приспособления к разным тепловым потребностям в кл

ассе величин 45 кВтдл. Планируется также вариант на 60 кВт^эл. Газовая турбина фирмы Capstone дооборудована фирмой ГАЗ (GAS) для потребителей тепла на европейском рынке. Этот агрегат имеет мощность более 28 кВт^эл при КПД около 26% и общем коэффициенте использования свыше 70%. Агрегат может при неполной нагрузке развивать мощность до 10 кВт^эл при КПД менее 18%. Используемая температура уходящих газов составляет от 250 до ЗОО°С.

Примеры исполнения малых мини-ТЭЦ демонстрируют достаточно высокое развитие. В целом можно отметить больший интерес к мини-ТЭЦ, основанным на топливных элементах. Это объясняется их более высоким электрическим КПД, которого можно достичь даже в диапазоне неполной нагрузки и с небольшими капиталовложениями, а также тем финансовым толчком к их разработке, который исходит от автомобильной промышленности. Особенно топливные элементы ПЭМ имеют большой потенциал для снижения затрат.

Таким образом, топливные элементы располагают хорошим соотношением выполняемой работы и инвестиционных затрат. Однако именно по топливным элементам эти затраты пока что очень велики. Предполагаемый потенциал по снижению затрат еще только предстоит реализовать.

Здесь стирлинговые агрегаты, по крайней мере в среднесрочной перспективе, имеют преимущество. В силу того, что их технология изготовления сопоставима с технологией изготовления традиционных моторов внутреннего сгорания, их потенциал по снижению затрат легче рассчитать.

Однако здесь особенно в недорогих, простых решениях достигается более низкий электрический КПД порядка 15 - 20%. Преимущество заключается в возможности их сочетания с модифицированными отопительными установками домов, а также в низких показателях эмиссии вредных веществ, уровня шума и необходимости техобслуживания.

Шансы утверждения на рынке подобных мини-ТЭЦ существенным образом определяются необходимыми инвестиционными расходами. Малые газовые турбины уже запущены в серийное производство. Примеры показывают, что имеется отличный потенциал для данного применения при конкурентоспособных инвестиционных затратах и длительном сроке службы. Успех этих установок не заставит себя ждать. Напечатано в журнале "Электропанорама" №5/2000.

Источники

1. Журнал "Электропанорама" №5/2000.

2. "Демо LTD" ,www.at-eat.com

Размещено на Allbest.ru