Исследование влияния вида топлива на энергетические показатели электрохимического генератора в составе когенерационной установки

Представлена универсальная методика, которая даёт возможность рассчитывать: расход синтез-газа и топлива для заданной электрической мощности; температуру в аноде; коэффициент использования топлива; удельные расходы условного топлива по выработке электрической и тепловой энергии; коэффициент полезного действия электрохимического генератора для различных видов природного топлива (метан, уголь, нефтепродукты и др.) и переработанных (метанол, этанол и др.) в синтез-газ с последующим использованием его в ТОТЭ. Исследовано влияние вида топлива: водорода, метана, моторного дизельного топлива, этанола, автомобильного бензина и метанола – на коэффициент использования топлива, удельные расходы на производство электрической и тепловой энергии, коэффициенты полезного действия каталитической горелки, батареи ТОТЭ и электрохимического генератора. 

Общий уровень коэффициента использования топлива для энергетической установки когенерационного типа на основе ТОТЭ с водородным топливом и метаном превосходит уровень современных парогазовых теплоэлектроцентралей, а при использовании дизеля, этанола, бензина и метанола – когенерационных теплоэлектроцентралей на базе двигателей внутреннего сгорания. По максимальному коэффициенту использования топлива и минимальному расходу топлива на производство электрической и тепловой энергии на первом месте находится водород, затем по порядку убывания энергетических показателей следуют метан, дизельное топливо, этанол, бензин и метанол. Показано, что по уровню энергетических показателей самым лучшим топливом является водород, а худшим – метанол. Для водорода коэффициент использования топлива и удельные расходы топлива на производство электрической и тепловой энергии, отпускаемой в тепловые сети, составляют 1; 0,122 кг у.т./кВт·ч и 34 кг у.т./ГДж соответственно, а для метанола – 0,359; 0,475 кг у.т./кВт·ч и 83,7 кг у.т./ГДж. Для других видов топлива упомянутые энергетические показатели лежат между указанными значениями.

электрохимический генератор, коэффициент использования топлива, удельный расход топлива, водород, метан, дизельное топливо, этанол, бензин, метанол

1. Lykova, S.A. Highly efficient hybrid power generation systems based on fuel cells / S.A. Lykova // Thermal Engineering. – 2002. – Vol. 49. – No. 1. – P. 54–60.

2. Sgobbi, A. How far away is hydrogen? Its role in the medium and long-term decarbonisation of the European energy system / A. Sgobbi // International Journal of Hydrogen Energy. – 2016. – Vol. 41. – No. 1. – P. 19–35.

3. Grigor'yants, R.R. Thermodynamic model and analysis of hybrid power installations built around solidoxide fuel cells and gas-turbine units / R.R. Grigor'yants // Thermal Engineering. – 2008. – Vol. 55. – No. 9. – P. 790–794.

4. Dubinin, A.M. Experimental and theoretical study of the effectiveness of the production of hydrogen by steam conversion of methane using circulating fluidized bed technology / A.M. Dubinin [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2016. – Vol. 41. – No. 20. – P. 8433–8437.

5. Dubinin, A.M. Modeling the process of producing hydrogen from methane / A.M. Dubinin // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. – 2013. – Vol. 47. – No. 6. – P. 697–701.

6. Beznosova, D.S. Prospects for using hybrid power installations on the basis of solid-oxide fuel cells integrated with intracycle coal gasification / D.S. Beznosova // Thermal Engineering. – 2011. – Vol. 58. – No. 9. – P. 774–778.

7. Dubinin, A.M. Determining maximum capacity of an autothermal fluidized-bed gas generator / A.M. Dubinin // Thermal Engineering. – 2009. – Vol. 56. – No. 5. – P. 421–425.

8. Shigarov, A.B. Modeling of membrane reactor for steam methane reforming: From granular to structured catalysts / A.B. Shigarov // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. – 2012. – Vol. 46. – No. 2. – P. 97–107.

9. Kurganov, V.A. High-Temperature HeatShielding Panels with Thermochemical Cooling Based on the Reaction of Steam Conversion of Methane / V.A. Kurganov // High Temperature. – 2000. – Vol. 38. – No. 6. – P. 926–937.

10. Lakhete, P. Modeling process intensified catalytic plate reactor for synthesis gas production / P. Lakhete // Chemical Engineering Science. – 2014. – Vol. 110. – P. 13–19.

11. Kurteeva, A.A. Single solid-oxide fuel cells with supporting Ni-cermet anode / A.A. Kurteeva // High Temperature. – 2011. – Vol. 47. – No. 12. – P. 1381–1388.

12. Takeguchi, T. Study on steam reforming of CH4 and C2 hydrocarbons and carbon deposition on Ni-YSZ cermets / T. Takeguchi // Journal of Power Sources. – 2002. – Vol. 112. – P. 588–595.

13. Chen, B. Exergy analysis and CO2 emission evaluation for steam methane reforming / B. Chen // International Journal of Hydrogen Energy. – 2012. – Vol. 37. – No. 4. – P. 3191–3200.

14. Yan, Y. Properties of thermodynamic equilibrium-based methane autothermal reforming to generate hydrogen / Y. Yan // International Journal of Hydrogen Energy. – 2013. – Vol. 38. – No. 35. – P. 15744–15750.

15. Barona, J. Combustion of hydrogen in a bubbling fluidized bed / J. Barona // Combustion and Flame. – 2009. – Vol. 156. – No. 5. – P. 975– 984.

16. Peters, R. Analysis of Solid-Oxide Fuel Cell System Concepts with Anode Recycling / R. Peters [etal.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2013. – No. 38. – P. 6809–6820.

17. Halinen, M. Experimental analysis on Performance and Durability of SOFT Demonstration unit / M. Halinen [et al.] // Fuel Cells. – 2010. – Vol. 10. – No. 3. – P. 440–452.

18. Halinen, M. Effect of anode off-gas recycling on reforming of natural gas for solid oxide fuel cell system / M. Halinen, O. Thomann, J. Kiviaho // Fuel Cells. – 2012. – Vol. 12. – No. 5. – P. 754–760.

19. Мунц, В.А. Исследование характеристик энергетической установки 5 кВт на твердоокисных топливных элементах с паровым риформингом природного газа / В.А. Мунц [и др.] // Теплоэнергетика. – 2015. – № 11. – P. 15–20.

20. Dubinin, A.M. Mini coal-fired CHP plant on the basis of synthesis gas generator (CO + H2) and electrochemical current generator / A.M. Dubinin, S.E. Shcheklein // International Journal of Hydrogen Energy. – 2017. – Vol. 42. – P. 26048– 26058.

21. Дубинин, А.М. Мини ТЭЦ на базе конвертора метана с заторможенным псевдоожиженным слоем и электрохимического генератора / А.М. Дубинин [и др.] // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2017. – № 19–21. – С. 1–11.

22. Shcheklein, S.E. Solid wastes (SW) converting into electric and thermal energy using a gasifier and an electrochemical generator / S.E. Shcheklein, A.M. Dubinin // WIT Transactions on Ecology and the Environment. WIT Press. Energy and sustainability. – 2017. – Vol. 224. – P. 451–462.

23. Final Report. Scale- up of Planar SOFCStack technology for MW-Level combined Cycle System. Submitted to NETL. – Oct. 3, 2003. – 83p.

24. Столяревский, А.Я. Технология получения синтез-газа для водородной энергетики / А.Я. Столяревский // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2005. – № 2. – С. 26–32.

25. Orhan, M.F. Approaches for integrated hydrogen production based on nuclear and renewable energy sources: Energy and exergy assessments of nuclear and solar energy sources in the United Arab Emirates / M.F. Orhan, H. Kahraman, B.S. Babu // International Journal of Hydrogen Energy. – 2017. – Vol. 42. – P. 2601– 2616.

26. Shcheklein, S.E. Methanol Production Based on Direct-Flow Gas Generator and Nuclear Reactor / S.E. Shcheklein, A.M. Dubinin // Atomic Energy. – 2018. – Vol. 124. – No. 2. – P. 91–97.

27. Баскаков, А.П. Нагрев и охлаждение металлов в кипящем слое / А.П. Баскаков. – М.: Металлургия, 1974. – 272 с.

28. Карапетьянц, М.Х. Химическая термодинамика. Изд. 3-е, перераб. и доп. / М.Х. Карапетьянц. – М.: Химия, 1975. – 584 с.

29. Коровин, Н.В. Электрохимическая энергетика / Н.В. Коровин. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 264 с.

30. Собянин, В.А. Высокотемпературные твердоокисные топливные элементы и конверсия метана / В.А. Собянин // Российский Химический Журнал (Журнал Российского химического общества им. Д.И. Менделеева). – 2003. – Т. 47. – № 6. – С. 62–70.

31. Теплофизические свойства веществ / Под ред. Н.Б. Варгафтика. – М.: Госэнероиздат, 1956.

32. Баскаков, А.П. Физико-химические основы тепловых процессов / А.П. Баскаков, Ю.В. Волкова. – М.: Теплотехник, 2013. –173 с.

33. Яковлев, Б.В. Повышение эффективности систем теплофикации и теплоснабжения / Б.В. Яковлев. – М.: Новости теплоснабжения, 2008. – 448 с.