Курочкин С.В., Кулешов Н.В.

Национальный исследовательский университет «МЭИ», Россия

ИНТЕГРАЦИЯ ВОДОРОДНОГО ЦИКЛА НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ С ВОЗОБНОВЛЯЕМЫМИ ИСТОЧНИКАМИ

При развитии северных регионов России, а они составляют почти треть территории Российской Федерации, сегодня остро стоит вопрос о бесперебойном энергоснабжении. Направление, связанное со строительством систем на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ), может дать возможность не только обеспечить потребителей электричеством в изолированных и удаленных энергорайонах, но и значительно уменьшить экологическую нагрузку на районы Крайнего Севера. В данной работе в качестве примера рассмотрена возможность энергообеспечения потребителей, находящихся в условиях, приближенных к северо-востоку Кольского полуострова. Предполагается, что все объекты расположены в труднодоступных районах, а их энергоснабжение осуществляется от каскада Серебрянских ГЭС по одноцепной ЛЭП. В случае аварии на линиях электропередач идёт полное обесточивание потребителей, происходит переподключение на резервное питание от аварийного дизель-генератора. Возможна установка ветрогенераторов на естественных возвышенностях вдоль береговой линии в непосредственной близости от населённых пунктов, что существенно упростит их обслуживание в отличие от офшорных ветропарков. В данном районе преобладают ветра со среднегодовой скоростью ветра 8 м/с [1]. Однако, для энергоустановок, выполненных на основе ВИЭ, до сих пор остаётся нерешённой проблема несогласованности графиков подвода и потребления энергии, при этом установка должна постоянно обеспечивать гарантированную генерацию электроэнергии в необходимом количестве. Для решения данной проблемы активно ведутся разработки технологии аккумулирования электроэнергии в водородном цикле, суть которой заключается в накоплении водорода при избыточной генерации электроэнергии и последующем использовании накопленного водорода для сглаживания «пиков и провалов» в графике энергопотребления. На рисунке 1 изображен суточный разрез нагрузки энергопотребителя (ЭП). В первой зоне вся электроэнергия вырабатывается ветроэнергетической установкой (ВЭУ), при этом часть неиспользуемой электрической энергии (Э) идёт на питание щелочного электролизёра воды. В третьей зоне генерация происходит только за счёт работы электрохимического генератора (ЭХГ) на основе водородно-кислородных топливных элементов, а во второй зоне за счёт совместной работы ВЭУ и ЭХГ.

Рисунок 1. Режим работы энергокомплекса на основе ВИЭ

Ветровая энергия характеризуется неравномерной и труднопредсказуемой энергоотдачей, поэтому из-за постоянного изменения скорости ветра ВЭУ может перейти в пульсационный режим генерации электрической мощности. Можно выделить два режима работы: с временным превышением генерируемой ВЭУ мощности и её недостатком. В первом случае в работу включается щелочная электролизная установка высокого давления, на которую подается электрическая энергия мощностью :

, (1)

где-мощность ветроэнергетической установки (кВт); -нагрузка потребителя (кВт).

Продукты электролиза воды (водород и кислород) высокого давления поступают в систему хранения без дополнительной стадии компримирования. Расчёт запасенного водорода в системе хранения производился по формуле:

, (2)

где - объём запасённого водорода (м³);- начальный объём водорода в хранилище (м³); -произведённый объём водорода (м³).

Использование электролизёра под высоким давлением (до 150 атм) позволяет увеличить КПД данной системы, не затрачивая энергию на привод компрессора и последующую подачу в топливный элемент [2]. При переходе системы в режим с недостатком генерируемой электрической мощности необходимо включать в работу ЭХГ, мощность которого определяется как разность мощностей потребления и ВЭУ:

, (3)

где - мощность, вырабатываемая ЭХГ (кВт); - нагрузка ЭП (кВт);

- мощность, вырабатываемая ВЭУ (кВт).

В работе [3] был проделан анализ и рассмотрены основные элементы автономного энергокомплекса, работающего с использованием водородного цикла. Однако в этой работе при расчёте электрохимической установки разложения воды не было учтено и проанализировано влияние переходных процессов при её кратковременном включении, или работы установки в режиме переменной нагрузки. Электролизёр должен отвечать требованиям высокой маневренности, поэтому нужно сократить время переходных процессов. При увеличении электрической нагрузки электролизёра и его перехода к производству большего объёма водорода, часть затраченной на его работу электрической энергии пойдёт на его нагрев. Это обстоятельство необходимо учитывать при создании модели поведения щелочного электролизёра, так как велика вероятность рассогласования данных теоретически посчитанного и реально полученного объёма произведённого водорода и кислорода. Ниже приведена формула для расчёта мощности, потребляемой электролизёром:

, (4)

где -напряжение на электролизной ячейке (В); -число электронов в суммарной электрохимической реакции разложения; кА·ч/н·м³-число Фарадея.

Формула (4) учитывает затраты электроэнергии на генерацию компримированных газов непосредственно на выходе электролизёра. Для проведения процесса электролиза воды под давлением получен новый полимерный диафрагменный материал, устойчивый к перепадам давления с высокой химической и термической стойкостью к горячим концентрированным растворам щелочи [4]. Исследован метод модифицирования электродов высокоэффективными катализаторами анодных и катодных процессов [5]. На основе полученных данных кафедрой Химии и электрохимической энергетики НИУ «МЭИ» создан и испытан щелочной электролизёр с энергозатратами не более 4,5 кВт·ч на нормальный кубический метр водорода [6]. Преимуществом разработанного электролизера является его способность работать в режиме переменных нагрузок при больших плотностях тока, что позволяет более эффективно выбирать пиковые избытки электрической энергии. Работа электролизной установки в режиме кратковременных включений при различных плотностях тока повышает эксплуатационные нагрузки, что значительно снижает ресурс установки. Благодаря проведённым лабораторным исследованиям новой элементной базы и использованию элементов конструкции с нулевым зазором удалось сохранить ресурс установки при быстром выходе на заданный уровень мощности в момент пуска и обеспечению широкого диапазона производительности для сглаживания пиковых нагрузок потребителя.

В рассмотренном энергокомплексе генерация электроэнергии идёт за счёт совместной работы ВЭУ и водородной электрохимической системы. К несомненным достоинствам такой системы, по сравнению с широко распространёнными и применяемыми электрохимическими аккумуляторами, можно отнести отсутствие необходимости в разработке специальных технологий утилизации, а, в сравнении с дизельными генераторами, значительная экономия экологически вредных горюче-смазочных материалов.

Литература.

1. В.А. Минин. Ресурсы ветровой энергии Мурманской области и возможности их промышленного использования / Фил. КНЦ РАН - Центр физ.-техн. проблем энергетики Севера : Кольс. науч. центр РАН, 2005 - 48 с.

2. Н.В. Кулешов, В.Н. Кулешов, Ю.А. Славнов. Электрохимические технологии в энергетике [Текст] / Н.В. Кулешов (и др.), – М.: Издательство МЭИ, 2017 г. – 112 с.

3. Виссарионов В.И., Дорошин А.Н., Кацай А.В., Дорошина А.В. Методика расчета энергетического комплекса для тепло и электроснабжения автономного потребителя на базе возобновляемых источников энергии. Эффективное антикризисное управление. 2012;(2):82-90.

4. N. V. Kuleshov, V. N. Kuleshov, S. A. Dovbysh, et al. “Polymeric Composite Diaphragms for Water Electrolysis with Alkaline Electrolyte” // Russian Journal of Applied Chemistry, -2016, -Vol. 89, -No. 4, -pp. 505-509.

5. V. N. Kuleshov, N. V. Kuleshov, S. A. Dovbysh, et al. “High-perfomance composite cathodes for alkaline electrolysis of water” // Russian Journal of Applied Chemistry.-2017. – Vol. 90. -No 3. – pp. 389-392.

6. Kuleshov V.N., Kuleshov N.V., Grigoriev S.A., Udris Y.Y., Millet P., Grigoriev A.S. “ Development and characterization of new coating for application in alkaline water electrolysis” // Int. Journal of Hydrogen Energy, 41 (1), pp. 36-45, 2016.