Теплові електричні станції на базі паливних елементів
У зв’язку з уповільненням темпу збільшення економічності ТЕС за рахунок модернізації традиційних технологій перетворення хімічної енер — гії палива на електричну в останні роки все більший інтерес викликає використання в енергетиці нетрадиційних технологій, зокрема на основі реалізації електрохімічного процесу перетворення хімічної енергії вуглеводневих палив на електричну енергію на базі паливних елементів. Традиційні технології одержання електричної енергії реалізуються у такій послідовності:
— перетворення хімічної енергії (ХЕ) палива на потенційну енергію (ПЕ) робочого тіла в котлі або камері згорання;
— перетворення ПЕ на кінетичну енергію (КЕ) робочого тіла у сопловому апараті турбіни;
— перетворення КЕ робочого тіла на робочих лопатках турбіни на механічну енергію (МЕ) обертання ротора турбіни;
— пер етвор ення М Е на електричну енер гію (ЕЕ) в електр огенер аторі;
— передача ЕЕ через трансформаторні підстанції (ТП) та лінії електропередач (ЛЕП) споживачам.
У результаті необоротності на всіх проміжних стадіях процесу перетворення енергії мають місце великі втрати роботоздатності, що визначається рівнянням Гюї — Стодоли
AL = T0 AS, (8.6)
де Т0 — температура навколишнього середовища; AS^^ — збільшення ентропії системи в результаті необоротних процесів, що відбуваються в системі.
За AL можна оцінити коефіцієнт утрат роботоздатності за формулою
Ппр = L=x. (8’7)
“кор
T
де L™^ = <31(1 —^0) — максимальна корисна робота; q1 — теплота, що підводиться до робочого тіла і відповідає хімічній енергії палива; Т — максималь — на темпер атур а р обочого тіла.
Для ПТУ коефіцієнт втратроботоздатності може становити 60 % і більше, причому основний внесок дає необоротність процесів теплообміну в котлі (~40 %), теплові втрати в котлі (~9 %), необоротність розширення пари в турбіні (~7 %), необоротність теплообміну в конденсаторі (~4 %).
Якщо використовують паливні елементи, то немає всіх проміжних стадій, крім початкової і кінцевої, тобто ХЕ зразу перетворюється на ЕЕ і тим самим виключаються всі джерела необоротних втрат, що істотно підвищує ККД електрохімічного генератора.
Паливний елемент — електрохімічний пристрій (рис. 8.8), у якому ХЕ палива з достатнім ступенем ефективності перетворюється безпосередньо на електричну у вигляді постійного струму низької напруги. Паливні елементи постійно постачають паливом, вони подібні батареям постійного струму, які працюють безперервно.
©©
Паливний елемент теоретично являє собою пристрій, який складаєть — ся з двох електродів та іонного провідника між ними. У кожному електроді забезпечується розвинена межа поділу трьох фаз: газоподібної (реагентів), твердої (провідника першого роду) ірідкої або твердої (провідника другого роду). Така межа поділу фаз створюється в пористих електро
дах з високорозвиненою поверхнею (до 100 м /г). Щоб прискорити реакцію, у пористі електроди вводять каталізатори (платину та її сплави, нікель, оксиди нікелю, кобальту, лантану та ін.). Електроди мають газові камери, у які підводять і рівномірно розподіляють по електроду реагенти із яких відводять продукти реакції (Н2 О, С02 та ін.) і теплоту.
Паливні елементи можуть бути низько — (до 100 °С), середньо — (100…250 оС) і високотемпературні (500…1 000 °С). З алежно в ід робочої температури застосовуть ті або ті іонні провідники (електроліти) і реагенти (паливо і окиснювач).
За типом електролітів паливні елементи поділяють на п’ять видів: з лужним електролітом, фосфорнокислотним електролітом, твердополімер — ним електролітом, розплавленими карбонатами і твердооксидним елект — р олітом.
Низькотемпературні паливні елементи з лужним і твердим полімер — ним електролітом працюють на водні високої чистоти. Середньо — і високотемпературні паливні елементи (з фосфорнокислотним, розплавленим карбонатним і твердим оксидним електролітами) не потребують особливо чистого палива, яке містить водень. Фосфорнокислотні паливні елементи забезпечують спільну генерацію теплової та електричної енергії. Високотемпературні паливні елементи дозволять у майбутньому використовувати викопні види твердого і рідкого палива з попередньою їх газифікацією.
Електроенергетична установка з паливним елементом містить такі системи : підготовки палива, генерування енергії на основі паливного елементу і перетворення постійного струму на змінний струм із заданими значеннями напруги і частоти. Надійність роботи паливних елементів передусім визначається правильним вибором системи підготовки палива, яким для високотемпературних паливних елементів можуть слугувати продукти конверсії природного газу і газифікації рідкого палива івугілля.
Пароводяна конверсія метану (риформінг) можлива при температурі 1 300. 1 500 °С. Каталізатори зумовлюють зниження температури проведення цього процесу до 600 °С.
Пароводяна конверсія метану СН4 проходить у дві стадії:
СН4 + Н2 О = СО + ЗН2; (8.8)
СО + Н2 О = СО2 + Н2. (8.9)
Першу стадію проводять в апараті на нікелевих каталізаторах під тиском 1…2 МПа і температурі 600…700 оС. Склад продуктів конверсії при 750 оС: Н2 — 59,4 %; СО — 9,8 %; Н2О — 23 %; СО2 — 7,8 %. Мінімальне відношення пари до СН4, за якого сажа не утворюється і продукти конверсії мають окисно-відновні властивості, дорівнює 1,5 і вище. Конверсію монооксиду вуглецю проводять на залізохромовому каталізаторі при 360…400 °С (перша стадія) і на мідному каталізаторі при 220…250 °С (друга стадія).
Парокиснева конверсія полягає у взаємодії вуглеводнів із сумішшю водяної пари і кисню
СН4 + хН2 О + / (1 — х)02 = СО + (х + 2)Н2. (8.10)
У цьому разі процес не потребує зовнішнього підведення теплоти через стінки реактора. Першу стадію процесу зазвичай проводять при вищій температурі 840…900 оС і тиску до 4 МПа. Ефективний ККД процесу становить 67-70 %.
Найбільших успіхів у використанні паливних елементів досягли фір — ми Westinghouse, GE (США), Siemens AG, ABB (Німеччина), Fuji Electric, Toshiba, Hitachi (Японія) та ін. Так, у Японії, у рамках програми Moon Light Project з 1991 року на одній з електростанцій діє установка потужністю 11 МВт, принципову схему якої показано нарис. 8.9.
Рис. 8.9. Схема енергоустановки на паливних елементах з фосфорно — кислотним елек — тролітом (електростанція Гоі компанії Терсо, Японія) потужністю 11 МВт спільного виробництва фірм IFC і Toshiba |
До складу установки входить ГТУ, яка не виробляє корисної роботи, а потрібна тільки для одержання стисненого повітря, що живить батареї паливних елементів. ККД такої установки дорівнює 41,1 %, аз урахуванням споживання теплоти для цілей теплофікації коефіцієнт використання енергії палива може досягати 73 %.
Можливо також реалізувати енергетичну установку, яка працює за так званим потрійним циклом (рис. 8.10).
Така установка складається з трьох частин: електрохімічного генератора, ГТУ і ПТУ. Комбінація ГТУ і ПТУ, по суті, реалізує цикл БПГУ зі скиданням газів у котел-утилізатор.
Рис. 8.10. Структурна схема ТЕС з потрійним циклом (з електрохімічним генератором, газотурбінною і паротурбінною установками): І — електрохімічний генератор; II — ПТУ; ІІІ — ГТУ; 1 — риформер; 2 — газифікатор; 3 — інвертор; 4 — батарея паливних елементів; 5 — котел — утилізатор; 6 — парова турбіна; 7 — система регенерації; 8 — каме — ра згорання; 9 — компресор; 10 — газова турбіна |
ККД ТЕС, яка працює за потрійним циклом, може досягати 70 % зі зменшенням викидів ЬСо на 40-60 %. Крім того, у десятки разів знижу —
ється bNох, виключається забруднення води і з’являється можливість її генерування. Підвищується надійність роботи устаткування ТЕС (що також є показником екологічної безпеки) у зв’язку з браком термонапруже — них елементів і зменшенням кількості обертових механізмів.
Додатковою відмінною рисою енергоустановок на базі паливних елементів є можливість використання цієї енерготехнології як у системах автономного (децентралізованого енергоспоживання), так і в установках централізованого виробництва теплової та електричної енергії.