Применение водорода, полученного воздушной конверсией моторного дизельного топлива в электрохимическом генераторе

Широкое распространение в нашей стране дизель-электрических генераторов, обусловлено необходимостью резервирования ответственных потребителей энергии и частных домовладений, в случаях потери централизованного энергоснабжения.   Большая территория страны, освоение дальневосточных и арктических территорий также приводит к необходимости использования дизель-электрических генераторов и организации  поставок больших объёмов дизельного топлива в эти удаленные регионы. В отличие от стационарных ТЭС такие автономные электростанции практически не имеют систем очистки продуктов сгорания, имеют низкие КПД, высокие удельные расходы топлива, высокую себестоимость производства энергии, имеют ограниченный моторный ресурс и нуждаются в постоянном техническом обслуживании.

В тоже время, современный уровень развития прямых методов преобразования химической энергии топлива в электрический ток на  основе электрохимических генераторов, позволяет создать автономную электростанцию, работающую на традиционных видах топлива, лишённую указанных недостатков. В данной статье рассмотрена инновационная технология комбинированного производства электрической и тепловой энергии с использованием предварительной конверсии дизельного топлива в синтез газ, с последующей подачей его на высокотемпературный электрохимический генератор.     Разработана    схема  полного технологического цикла установки - включая воздушную конверсию    дизельного топлива в синтез газ и дальнейшего использования его в ТОТЭ и котле - утилизаторе.

Методами  физико-химического моделирование и составления энергетических балансов горелки, батареи ЭХГ и котла - утилизатора определены  основные энергетические характеристики установки: электрический  КПД батареи ТОТЭ, химический КПД горелки, температура в аноде ТОТЭ, ЭДС планарного элемента, доля водорода, окисленного в аноде ТОТЭ, удельные расходы дизельного топлива на производство электрической и тепловой энергии.

Показано, что удельный расход дизтоплива на производство электрической энергии  114 гр/кВт∙ч (162 гр.у.т./кВт∙ч), а тепловой 31,7 кг/ГДж (45,1 кг у.т./ ГДж, 189 кг у.т./ Гкал).  Удельные расходы топлива соответствуют хорошей ТЭЦ и более чем в 3 раза ниже современных дизель-электрических станций равной мощности.

1. Шпильрайн Э.Э., Малышенко С.П., Кулешов Г.Г. Введение в водородную энергетику.-М.: Энергоатомиздат, 1984.

2. Pilar Lisbona, Luis M. Romeo Enhanced coal gasification heated by unmixed combustion integrated with an hybrid system of SOFC/GT//International Journal of Hydrogen Energy, Volume 33, Issue 20, October 2008, P. 5755-5764.

3. Promes E.J.O., Woudstra T., Schoenmakers L., Oldenbroek V., Thallam Thattai A., Aravind P.V. Thermodynamic evaluation and experimental validation of 253 MW Integrated Coal Gasification Combined Cycle power plant in Buggenum, Netherlands//Applied Energy, Volume 155, 1 October 2015, P.181-194.

4. Солодова Н. Л., Черкасова Е. И., Салахов И. И., Тутубалина В. П. Водород - энергоноситель и реагент. Технологии его получения // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. – 2017. – Т. 19. – № 11-12. – С. 39-50.

5. Филимонова А. А.,Чичиров А. А.,Чичирова Н. Д.,Филимонов А. Г., Печенкин А. В. Перспективы развития водородной энергетики в Татарстане// Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. –2020.–Т..22.– № 6, С. 79-91.

6. Мунц В.А., Волкова Ю.В., Плотников Н.С., Дубинин А.М., Тупоногов В.Г., Чернышов В.А. Исследование характеристик энергетической установки 5 кВт на твёрдооксидных топливных элементах с паровым риформингом природного газа// Теплоэнергетика. 2015. № 11. С. 15-20.

7. Дубинин А.М., Щеклеин С.Е. Угольная мини-ТЭЦ на основе газогенератора и электрохимического генератора//Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология. 2017. № 7-9 (219-221). С. 60-74.

8. Peters Roland, Deja Robert, Blum Ludgen, Pennanen Jari, Kiviaho Jari, Hakala Tuomas Analysis of solid oxide fuel cell system concepts with anode recycling// International Journal of hydrogen energy. 38(2013) pp.6809 – 6820.

9. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей. Под ред. А.С. Орлина и м.Г. Круглова. М.Машиностроение,1983.372 с.

10. Баскаков А.П. Нагрев и охлаждение металлов в кипящем слое. М. Металлургия,1974,272 с.

11. Коровин Н.А. Топливные элементы и электрохимические установки // М. Изд-во МЭИ. 2005. 145 c.

12. Баскаков А.П., Дубинин А.М., Тупоногов В.Г. О механизме паровой газификации угля // Промышленная энергетика. 2008. № 4.С. 40-42.

13. Баскаков А.П., Волкова Ю.В. Физико-химические основы тепловых процессов // М. Теплотехник. 2013.173 с.

14. Zhao Yingru, Sadhukhan Jhuma, Lanzini Andrea, Brandon Nigel, Shah Nilay Optimal integration strategies for a syngas fuelled SOFC and gas turbine hybrid// Journal of Power Sources, Volume 196, Issue 22, 15 November 2011, P. 9516-9527.

15. Baskakov A.P., Volkova J.V., Plotnikov N.S. Optimum chemical regeneration of the gases burnt in solid oxide fuel cells // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2014. – № 87(4). P. 763-778.

16. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. М. изд. МЭИ. 2001, с. 422.

17. Щеклеин С.Е., Дубинин А.М. Исследование влияния вида топлива на энергетические показатели электрохимического генератора в составе когенерационной установки//Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология. 2018. № 16-18 (264-266). С. 12-22.