Використання паливних елементів для водопостачання будівель

Паливні елементи являють собою дуже ефективний, надійний, довговічний і екологічно чистий спосіб отримання енергії. Паливні елементи, які спочатку застосовувалися лише в космічній галузі, в даний час все активніше використовуються в самих різних областях – як стаціонарні електростанції, автономні джерела тепла та електропостачання будівель, двигуни транспортних засобів, джерела живлення ноутбуків та мобільних телефонів.

У даній статті розглянуті дві будівлі, в яких в якості одного з джерел енергії застосовуються паливні елементи, а отримана теплота використовується, зокрема, в системі гарячого водопостачання будівель.

Паливний елемент (електрохімічний генератор) – пристрій, який перетворює хімічну енергію палива (водню) в електричну у процесі електрохімічної реакції безпосередньо на відміну від традиційних технологій, при яких використовується спалювання твердого, рідкого і газоподібного палива. Пряме електрохімічне перетворення палива дуже ефективно і привабливо з точки зору екології, оскільки в процесі роботи виділяється мінімальна кількість забруднюючих речовин, а також відсутні сильні шуми і вібрації.

З практичної точки зору паливний елемент нагадує звичайну гальванічну батарею. Відмінність полягає в тому, що спочатку батарея заряджена, тобто заповнена «паливом». В процесі роботи «паливо» витрачається і батарея розряджається. На відміну від батареї паливний елемент для виробництва електричної енергії використовує паливо, що подається від зовнішнього джерела.

У будівлях, які розглянути у статті, стоять досить великі установки, номінальною потужністю 100 і 200 кВт відповідно, при цьому використовується і електрична і теплова енергія. Ці елементи засновані на технології PAFC – елементи з електролітом на основі ортофосфорної кислоти (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC).

В цих будівлях паливні елементи не є єдиним джерелом енергії, а комбінуються із зовнішніми джерелами.

Готель Nagoya Sakae Washington Hotel Plaza (Нагоя, Японія)

Готель розрахований на 308 номерів. У цьому готелі діє комбінована система виробництва теплової і електричної енергії на основі паливного елемента. Використаний паливний елемент FP-100 виробництва Fuji Electric номінальною потужністю 100 кВт.

Паливний елемент був введений в експлуатацію у березні 1999 року і показав високу ефективність і надійність, забезпечивши зниження споживання енергоресурсів на 14%. Спалювання природного газу, необхідного для отримання такої ж кількості енергії, збільшило б викиди CO2 на 17%. Загальний ККД установки (при комбінованому використанні теплової та електричної енергії) перевищує 70%.

У даній моделі паливного елемента виробляється два види теплової енергії: високотемпературна у вигляді гарячої води з температурою 90°C і низькотемпературна у вигляді гарячої води з температурою 50°C. Низькотемпературна вода, що виробляється паливним елементом і використовується для попереднього підігріву води, подається в водонагрівач, а високотемпературна вода використовується в якості джерела теплової енергії для опалення, кондиціонування повітря і гарячого водопостачання.

Паливний елемент FP-100 відрізняється відносно низькою вартістю і високою надійністю. Надійність паливного елемента була збільшена шляхом оптимізації структури окремих паливних комірок, підвищення корозійної стійкості охолоджуючих труб, поліпшення технології збереження електроліту (до 40 тисяч годин роботи без будь-якого додавання ортофосфорної кислоти). Для зниження вартості був оптимізований розмір окремих комірок і спрощені деталі каркаса. Для спрощення і зниження ваги системи теплообмінник попереднього підігріву природного газу був інтегрований до складу реформера. Була оптимізована система нейтралізації сірковмісних сполук і чадного газу. Для зменшення експлуатаційних витрат була оптимізована система водоочищення на основі іонообмінних смол.

Габарити установки по висоті дозволяють розміщувати її всередині будівлі, а вага дозволяє здійснювати транспортування на вантажній платформі вантажопідйомністю 15 тонн.

У таблиці 1 наведені технічні характеристики паливного елемента FP-100.

Таблиця 1. Основні технічні характеристики паливних елементів FP-100 і PC25 Model C.

Максимальне навантаження на систему енергопостачання готелю становить 250 кВт, однак у внепіковий період навантаження падає нижче 100 кВт. Отже, для економічного цілодобового використання номінальної потужності паливний елемент повинен забезпечувати передачу надлишкової потужності в енергосистему і оснащуватися запобіжною системою.

На рис. 1 наведена схема системи тепло- та електропостачання даного будинку. Паливний елемент підключено до газової магістралі, а також до міської електромережі через захисні пристрої. Це дозволяє у внепікові години, коли навантаження на паливний елемент нижче номінальної, направляти надлишкову електроенергію в міську електромережу, тобто у цей час готель є не споживачем, а виробником електроенергії. Така схема дозволяє використовувати паливний елемент більш ефективно.

Рис. 1. Схема системи тепло- і електропостачання
будівлі готелю з паливним елементом FP-100.

До паливного елемента підключено два водяних контуру – низькотемпературний (50°C) і високотемпературний (90°C). До складу обох контурів входять насоси, теплообмінники, а для охолодження зворотної води використовуються градирні. Низькотемпературний контур використовується для попереднього підігріву води у складі системи гарячого водопостачання. Подальший нагрів здійснюється газовим водонагрівачем.

Високотемпературний контур також використовується в системі гарячого водопостачання, однак він підтримує температуру вже нагрітої води в баку-акумуляторі. Крім цього, високотемпературний контур використовується в якості джерела гарячої води для системи кондиціонування повітря, до складу якої входить абсорбційний чилер/водонагрівач з прямим використанням природного газу потужністю 350 кВт.

У процесі роботи відбувається безперервний моніторинг системи тепло- та електропостачання, що дозволяє враховувати витрати енергії.

Витрата електричної енергії відносно велика і навіть у внепікові години перевищує номінальну потужність паливного елемента. Високотемпературна теплова енергія, що використовується в якості джерела тепла в системі гарячого водопостачання та як джерело гарячої води для абсорбційних чилерів/нагрівачів, практично повністю витрачається рівномірно протягом доби. Низькотемпературна теплова енергія використовується для гарячого водопостачання у внепікові години.

Використання в даному готелі паливного елемента дозволило знизити витрати на тепло- і електропостачання приблизно на 40%. Однак капітальні витрати і витрати на технічне обслуговування в два-три рази вище, ніж при використанні традиційних схем енергопостачання.

Лікарня бази військово-морської авіації (Джексонвілль, США)

У 1993–1994 роках Конгрес США виділив кошти для досліджень в області використання природного газу. Частина цих коштів була спрямована на реалізацію демонстраційної програми застосування паливних елементів Міністерства оборони США «DoD Fuel Cell Demonstration Program».

В рамках цієї програми планувалися придбання, установка і подальший моніторинг в процесі експлуатації паливних елементів на 30 об'єктах, що належать військовому відомству: в госпіталях, навчальних центрах, адміністративних будівлях і т. д. Була розроблена методологія вибору й оцінки застосування таких установок. Ця робота включала в себе контроль виготовлення та встановлення обладнання на обслуговуваному об'єкті, моніторинг роботи обладнання, експлуатацію паливних елементів.

У результаті після проведення наукових досліджень у 1997 році електростанції на паливних елементах, які серійно випускаються (комерційно доступні), були встановлені на 29 об'єктах, що належать Міністерству оборони США, одним з яких став госпіталь бази військово-морської авіації Jacksonville (Джексонвілль, Флорида). В якості одного з джерел енергії був використаний паливний елемент PC25 Model C виробництва ONSI Corporation (зараз United Technologies, Inc.). Цей елемент відноситься до типу PAFC. Технічні характеристики цього елемента наведені в таблиці 1.

Госпітальний комплекс авіабази призначений для обслуговування військовослужбовців та вільнонайманого персоналу. Він складається з дев'яти будівель. Одна з них – восьмиповерхова будівля лікарні, в якій була проведена реконструкція. Вік будівлі на момент реконструкції – 30 років.

Площа лікарні становить 31680 м2. Спочатку лікарня була розрахована на 400 місць, однак пізніше більша частина палат була перетворена в медичні кабінети, призначені для обслуговування амбулаторних хворих, і в даний час місткість лікарні становить 50 пацієнтів. Лікарня функціонує цілодобово, проте пікове навантаження на систему енергопостачання припадає на будні з 7:30 до 16:30. Будівля лікарні виконана із залізобетонних конструкцій. Інші будівлі госпітального комплексу - нова будівля амбулаторії площею 8360 м2, адміністративні будівлі і казарми.

Електропостачання госпітального комплексу здійснюється від міської високовольтної електромережі (напруга 4,16 кВ, підключається через трансформаторну підстанцію). Всередині комплексу використовуються дві електромережі – 480 і 120 В. Резервне джерело енергопостачання – два електричних генератора потужністю по 500 кВт.

Джерело теплопостачання – теплоцентраль. Найбільш великі будівлі госпітального комплексу – лікарні та амбулаторії – розрізняються складом інженерного обладнання. Сполучення з цим обладнанням паливних елементів являло собою досить складну інженерну задачу.

В будівлі лікарні є три основні системи – споживача теплової енергії. Це система гарячого водопостачання, система опалення та автоклави для стерилізації медичних інструментів (технологічні потреби). Процес стерилізації інструменту вимагає безпосереднього використання перегрітого пару під великим тиском, що не може бути забезпечено паливними елементами. В системі опалення будівлі лікарні використовуються три контури водяного опалення, підключених до джерела теплопостачання (теплоцентралі) за допомогою пароводяних теплообмінників, розташованих у різних місцях. Підключення до теплообмінників паливних елементів досить складне; крім цього, опалення в розглянутому приміщенні відбувається протягом 3–4 місяців у році. Найбільш ефективно використання тепла паливних елементів в системі гарячого водопостачання (ГВП) будівлі.

Інженерне обладнання знаходиться в технічному приміщенні, розташованому частково в будівлі лікарні, а частково в окремому приміщенні, прибудованому до лікарні. Частина обладнання розташовується безпосередньо на відкритому повітрі. В технічному приміщенні встановлені три водонагрівача, два чилера, насоси, паропроводи та подібне обладнання. В ході реконструкції було додано ще одне приміщення, в якому розміщується чилер, бак-акумулятор місткістю 5670 л. З південного боку технічного приміщення, зовні, розташовується різне електрообладнання, а також два аварійних електрогенератора.

Теплоцентраль є джерелом теплової енергії для опалення і гарячого водопостачання (ГВП) будівлі лікарні, а також забезпечує паром технологічні потреби (стерилізацію хірургічного інструменту). В системі ГВП для приготування гарячої води використовуються три водонагрівача, два з них підігрівають воду до температури 60°C (ця вода використовується в приміщеннях лікарні), а один – до температури 82°C (для кухні).

Розрахункова температура опалювального періоду – 0°C, температура періоду охолодження – 34°C.

Система опалення – водяна. Джерело теплової енергії – пар від теплоцентралі. Три пароводяних теплообмінника розміщені в будівлі лікарні. Температура води, що подається, – від 49 до 82°C, температура зворотної води – від 43 до 77°C в залежності від температури зовнішнього повітря. Система опалення використовується з кінця листопада до середини березня.

Паливний елемент змонтований на відкритому повітрі біля східної стіни технічного приміщення, в якому розташовані чилер і бак-акумулятор. Таке розміщення дозволяє мінімізувати довжину комунікацій: довжина трубопроводу гарячої води складає приблизно 20 м, довжина електричного силового кабелю приблизно 18 м. Спочатку планувалося підведення природного газу від демонтованої сміттєспалювальної печі, і довжина газової магістралі повинна була становити 45 м, проте потім вдалося зменшити довжину газової магістралі до 9 м (рис. 2).

Рис. 2. Схема розміщення паливного елемента
і комунікацій в лікарні авіабази.

Електрична енергія, що виробляється в паливному елементі, подається в лікарняну електромережу при напрузі 480 В через панель управління, розташовану в технічному приміщенні. Вихідна потужність паливного елемента становить 200 кВт. За розрахунками цього достатньо для нормального функціонування будівлі лікарні (пікове навантаження становить 1,2 МВт), однак у разі перевищення максимального навантаження або у випадку аварійної ситуації будівля лікарні може бути підключена до основної системи електропостачання бази за допомогою трансформатора (2500 кВ·А).

Гаряча вода подається до палат і туалетів (температура води становить 60°C), а також до кухні (температура води 82°C). Водорозбірна арматура в палатах і туалетах оснащена вбудованим захистом від опіків дуже гарячою водою. У відповідності з рекомендаціями ASHRAE, добова потреба в гарячій воді палат оцінюється в 70 л на одне ліжко-місце. В середньому щодня в лікарні перебуває 45 пацієнтів, і розрахункове навантаження на систему гарячого водопостачання палат і туалетів становить близько 5,9 кВт. Добова потреба в гарячій воді кухні оцінюється в 9 л на приготування однієї порції їжі, а на добу готується близько 600 порцій. Розрахункове навантаження на систему гарячого водопостачання кухні становить 13,2 кВт. Таким чином, загальне теплове навантаження відносно невелике, проте економічний ефект від використання паливного елемента досить високий у зв'язку з високою вартістю вироблення пари в теплоцентралі. Паливний елемент виробляє воду з температурою 60°C, тому перед подачею води на кухню її додатково підігрівають до температури 82°C.

Паливний елемент повністю покриває навантаження на систему гарячого водопостачання палат і туалетів і на 80% – навантаження на систему гарячого водопостачання кухні (рис. 3).

Рис. 3. Схема системи тепло- та енергопостачання лікарні
на основі паливного елемента PC25 Model C.

Оскільки вироблення електричної і теплової енергії в паливному елементі відбувається безперервно, а споживання гарячої води на побутові потреби носить змінний характер, в системі гарячого водопостачання передбачено бак-акумулятор. Проектувальники використовували існуючий бак-акумулятор, до реконструкції задіяний у системі холодопостачання лікарні. Висота бака-акумулятора становить 2,1 м, діаметр – 1,8 м, місткість – 5670 л. Для циркуляції води між баком-акумулятором і паливним елементом використовується циркуляційний насос продуктивністю 95 л/хв, який повинен працювати весь час, поки паливний елемент використовується. З бака-акумулятора підігріта вода подається у водонагрівачі, а звідти йде до палат, туалетів і кухні. Можлива подача води з міського водопроводу безпосередньо в водонагрівачі у разі, коли паливний елемент не функціонує.

Блок кондиціонера № 4, розташований в технічному приміщенні, являє собою секцію нагрівання, яка забезпечує теплим повітрям перший і другий поверхи будівлі лікарні. У період охолодження (з середини березня до середини жовтня) підігріте повітря змішується з охолодженим повітрям для забезпечення більш комфортної температури. В опалювальний період (з середини жовтня до середини березня) підігріте повітря використовується для додаткового обігріву приміщень. У літній період пароводяний теплообмінник дозволяє подавати на опалювальний змійовик воду з температурою від 38 до 49°C (зазвичай 43°C). В зимовий період температура води, що подається на опалювальний змійовик, становить 66–71°C. Температура зворотної води на 5–10°C нижча. Вода від пароводяного теплообмінника подається на опалювальний змійовик за допомогою циркуляційного насоса продуктивністю 900 л/хв. Повне опалювальне навантаження на цьому кондиціонері становить 345,8 кВт. Частка тепла, яка вироблена паливним елементом, становить 56%.

Без урахування вартості амортизації обладнання річна економія енергії у вартісному вираженні становить $90 тис. При 100%-вом використанні теплової енергії, що виробляється в паливному елементі, ця цифра може скласти $126 тис. на рік.

Історія та сучасне використання паливних елементів

Принцип дії паливних елементів був відкритий в 1839 році. Англійський учений Вільям Гроув (Robert William Grove, 1811–1896) виявив, що процес електролізу – розкладання води на водень і кисень за допомогою електричного струму – оборотний, тобто водень і кисень можна об'єднувати в молекули води без горіння, але з виділенням тепла і електричного струму. Прилад, в якому вдалося провести таку реакцію, Гроув назвав газовою батареєю (gas battery), яка являла собою перший паливний елемент.

Активний розвиток технологій використання паливних елементів почався після Другої світової війни, і він пов'язаний з аерокосмічною галуззю. В цей час велися пошуки ефективного і надійного, але при цьому досить компактного джерела енергії. У 1960-х роках фахівці NASA (National Aeronautics and Space Administration, NASA) вибрали паливні елементи в якості джерела енергії для програм космічних кораблів «Apollo» (пілотовані польоти до Місяця), «Apollo-Soyuz», «Gemini» і «Skylab». На кораблі «Apollo» були використані три установки потужністю 1,5 кВт (пікова потужність 2,2 кВт), що використовують криогенний водень і кисень для виробництва електроенергії, тепла і води. Маса кожної установки становила 113 кг. Ці три паливні елементи працювали паралельно, але енергії, що вироблялося однією установкою, було достатньо для безпечного повернення. Протягом 18 польотів паливні елементи напрацювали в цілому 10000 годин без будь-яких відмов. Паливні елементи застосовуються в космічних кораблях багаторазового використання «Space Shuttle» (три установки потужністю 12 кВт, які виробляють всю електричну енергію на борту космічного корабля). Вода, що отримується в результаті електрохімічної реакції, використовується в якості питної, а також для охолодження обладнання.

У колишньому Радянському Союзі також велися роботи зі створення паливних елементів для використання в космонавтиці. Наприклад, паливні елементи застосовувалися для енергопостачання радянського корабля багаторазового використання «Буран».

Розробки методів комерційного використання паливних елементів почалися в середині 1960-х років. Ці розробки частково фінансувалися державними організаціями США.

В даний час розвиток технологій застосування паливних елементів йде в декількох напрямках. Це – створення стаціонарних електростанцій на паливних елементах (як для централізованого, так і децентралізованого енергопостачання), енергетичних установок транспортних засобів (створені зразки автомобілів і автобусів на паливних елементах), а також джерел живлення різних мобільних пристроїв (портативних комп'ютерів, мобільних телефонів т.д.).

Однією з перших комерційних моделей паливних елементів, призначених для автономного тепло- і електропостачання будівель, стала модель PC25 Model A виробництва компанії ONSI Corporation (зараз United Technologies, Inc.). Цей паливний елемент номінальною потужністю 200 кВт відноситься до типу елементів з електролітом на основі ортофосфорної кислоти (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC). Цифра «25» у назві моделі означає порядковий номер конструкції. Більшість попередніх моделей були експериментальними або випробувальними зразками, наприклад модель PC11 потужністю 12,5 кВт, що з'явилася в 1970-х роках. У нових моделях збільшувалася потужність, що знімається з окремою паливної комірки, а також зменшувалася вартість кіловата виробленої енергії. В даний час однією з найбільш ефективних комерційних моделей є паливний елемент PC25 Model C. Як і модель «A», це повністю автоматичний паливний елемент типу PAFC потужністю 200 кВт, призначений для установки безпосередньо на об'єкті в якості автономного джерела тепло- та електропостачання. Такий паливний елемент може встановлюватися зовні будівлі. Зовні він являє собою паралелепіпед довжиною 5,5 м, шириною і висотою 3 м, масою 18140 кг. На відміну від попередніх моделей – вдосконалений реформер і більш висока щільність струму.

В деяких типах паливних елементів хімічний процес може бути звернений: при подачі на електроди різниці потенціалів воду можна розкласти на водень і кисень, які збираються на пористих електродах. При підключенні навантаження регенеративний паливний елемент почне виробляти електричну енергію.

Перспективний напрямок використання паливних елементів – використання їх спільно з поновлюваними джерелами енергії, наприклад c фотоелектричними панелями або вітроенергетичними установками. Така технологія дозволяє повністю уникнути забруднення атмосфери.

Правила использования материалов сайта