Новые разработки в сфере мини-ТЭЦ
Напечатано в журнале
"Электропанорама" №5/2000.
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 оответствовать 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.
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 кВтэл, а на базе газовых турбин -500 кВтэл. 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).
| PEM ( ПЕМ ) | PAFC | MCFC | SOFC | |
| электролит | фторированная полимерная пленка | фосфорная кислота | расплав карбоната | со стсабилизированным иттрием диоксидом циркония |
| рабочая температура, °С | 700-1000 | |||
| системный КПД, % | 50-60 | 50-60 |
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.