03.12.10 12:01 | INFOLine, ИА (по материалам компании) | Advis.ru | В начале 1980-х годов появились первые концепции водородной энергетики. На сегодняшний день ясно, что использование водородных технологий не ограничивается автономным электроснабжением различных потребителей, но и экономически оправдано при их интеграции в газотурбинные приводы и двигатели внутреннего сгорания, поскольку повышает КПД и экологические показатели. ОАО "Газпром" разработана автономная энергоустановка на топливных элементах мощностью 3,5 кВт. Об этом сообщили ИА «INFOLine» (www.ADVIS.ru).
ГТС

При характеристике газотранспортной системы (ГТС) ОАО "Газпром" обычно указывают суммарную мощность 4,1 тыс. газоперекачивающих агрегатов (ГПА) - 47,1 ГВт. Между тем в этом показателе не учитывается малая энергетика, к которой относятся энергоисточники мощностью 100-5000 Вт для электропитания систем связи, автоматизированных систем управления технологическими процессами, станций катодной защиты магистральных газопроводов и др. Только для питания систем связи в "Газпроме" используется более 12 тыс. энергетических установок (ЭУ) малой мощности. При этом необходимо отметить, что малая энергетика, конечно, не способна заменить системы централизованного энергоснабжения, а может выступать как дополнение к ней. Создание таких систем особенно перспективно в районах с энергодефицитом, где централизованное энергоснабжение представляет собой весьма затратное мероприятие.
Для автономного электроснабжения в указанном диапазоне мощностей практически отсутствуют серийные ЭУ работающие на природном газе. Исключение составляют импортные паротурбинные установки ОRMAТ (Франция, Израиль) мощностью 0,4-2,1 кВт. Эти установки характеризуются высокой надежностью и большим ресурсом работы - 100 тыс. часов и более. Основные недостатки таких ЭУ: малый КПД (3-5 %), высокая стоимость - до 35 тыс. долларов за 1 кВт, зависимость потребителя от импортных поставок.
Существующие на сегодняшний день российские энергоустановки на базе термоэлектрических генераторов ограничены мощностью 150 Вт, имеют примерно сходную с установками ОRMAТ эффективность (~3 %) и удельную стоимость.
ВОДОРОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Понятие "водородные технологии" возникло в начале 1980-х годов после всемирного нергетического кризиса и появления концепций водородной энергетики. Ключевым элементом этих концепций являются энергетические установки на топливных элементах (ТЭ), которые представляют собой яркий пример ресурсосберегающей технологии и обладают многими достоинствами. Так, КПД таких ЭУ по электроэнергии составляет от 25 до 55 % и мал! зависит от изменения нагрузки (при уменьшении нагрузки от 100 до 20 % КПД установок снижается на 1-2 %, в то время как КПД тепловых двигателей снижается на 50 % и более); суммарный КПД (электричество + теплота) достигает 85 %, при этом выбросы оксидов азота и углерода на два порядка ниже, чем у тепловых машин.
В 1990-х годах наиболее целесообразным считалось создание энергоустановок мощностью 250-2000 кВт. В настоящее время произошел пересмотр позиций в сторону уменьшения мощности. Это объясняется тем, что преимущества топливных элементов в наибольшей степени и быстрее всего могут реализоваться в области децентрализованного энергоснабжения. Самым привлекательным с коммерческой точки зрения считается рынок энергоустановок мощностью 1-10 кВт.
Принцип работы всех ТЭ одинаков: при пропускании кислорода и водорода через пористые электроды, разделенные электролитом, происходит соединение атомов водорода с гидроксильным остатком OH, полученным в результате распада электролита на ионы. При этом образуется вода и высвобождаются электроны, которые направляются во внешнюю цепь на положительный электрод, где захватываются кислородом, в результате чего по внешней цепи образуется электрический ток. Таким образом, кислород непрерывно пополняет в электролите расход OH, а водород поддерживает необходимое количество воды.
Коммерциализацию ЭУ мощностью 1 кВт осваивают Япония и Южная Корея, а верхнюю границу диапазона -США и Западная Европа. В этом сегменте рынка предполагается, что у ЭУ на ТЭ, кроме высокой экономичности и экологичности, будут и дополнительные преимущества перед традиционными установками - бесшумность, одновременная когенерация электрической и тепловой энергии, сокращение времени, необходимого на обслуживание, высокое качество тока. В будущем такие автономные энергоустановки должны стать ядром децентрализованого энергоснабжения для коммунального использования (например, для энергообеспечения вахтовых поселков). При этом в указанном сегменте рынка нет необходимости создавать специальную водородную инфраструктуру, так как целесообразнее применять местное углеводородное топливо (природный газ, биогаз и пр.).
На сегодняшний день практического применения достигли установки на низкотемпературных ТЭ (до 100 градусов С) с твердополимерными и щелочными электролитами, а также на среднетемпературных (от 100 до 300 градусов) фосфорнокислых элементах. ЭУ данных типов применялись на космических кораблях (Gemini, Space Shuttle, "Буран") и в подводных аппаратах. Данные энергоустановки работали на водороде и кислороде.
В РОССИИ
В нашей стране развитию малой энергетики особое внимание уделяет корпоративный сектор экономики. Речь в данном случае идет об обеспечении энергобезопасности предприятий, так как система централизованного энергоснабжения страны в настоящее время переживает кризис. По данным отчета Минэнерго за 2009 год, рост генерирующих мощностей в целом по России составляет менее 1 % в год, что явно не соответствует необходимым темпам их увеличения минимум на 3 %.
Газпром" проводит научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в области водородной энергетики с 1992 года. Совместно с Федеральными ядерными центрами Министерства Российской Федерации по атомной энергии (в настоящее время - Федеральное агентство по атомной энергии, "Росатом") были проведены комплексные НИОКР по всем типам топливных элементов. В результате этих работ для практической реализации было отобрано два направления - создание ЭУ с протонообменной мембраной (ближайшая перспектива) и ЭУ с твер-дооксидным электролитом (на более отдаленную перспективу, 10-15 лет).
В 2009 году "Газпром" совместно с Российским федеральным ядерным центром - Всероссийским научно-исследовательским институтом экспериментальной физики (РФЯЦ ВНИИЭФ) завершил создание экспериментального образца автономной установки мощностью 3,5 кВт. Энергоустановка позволяет выдавать потребителю как переменный, так и постоянный ток высокого качества, КПД энергоустановки по электричеству - 24 % (более чем в пять раз выше, чем у находящихся в эксплуатации на данный момент).
Наиболее сложными и оригинальными устройствами данной установки являются интегрированные (по теплоте) каталитические реакторы на специально созданных наноструктурных катализаторах, которые позволили производить переработку природного газа в синтез-газ (Н2+СО) со сверхнизкой концентрацией монооксида углерода, что обеспечивает ресурс батареи ТЭ в 60 тыс. часов. Полученные технические характеристики позволяют утверждать, что созданная энергоустановка не имеет ни российских, ни зарубежных аналогов.
Примечательно, что при разработке топливного процессора для ЭУ его создателям пришлось решать те же задачи, которые возникают при разработке малотоннажных устройств газохимии, в частности малотоннажных комплексов по производству синтетических жидких топлив. Таким образом, "Газпром" создал задел по водородной энергетике для нового типа высокотехнологичных установок переработки, например, для так называемого низконапорного газа.
В настоящее время Управлением инновационного развития и Управлением энергетики "Газпрома" совместно с дочерней компанией ДОАО "Электро-газ" и РФЯЦ ВНИИЭФ прорабатываются вопросы организации серийного производства энергоустановок на ТЭ и расширения их мощностного ряда (5, 10, 15, кВт). Среди прочих задач - снижение стоимости 1 кВт установочной мощности до показателей, сравнимых с дизельными электростанциями. Планируется, что производство может начаться на собственных мощностях ДОАО "Элек-трогаз" и РФЯЦ ВНИИЭФ в масштабах 30-50 установок в год.
Дополнительная ценность разработки заключается в возможности ее практического использования в перспективе в других областях промышленности -в частности, как альтернативы электролизерам для получения из природного газа сверхчистого водорода, конкурентоспособного по цене. Разработанная технология является универсальной с точки зрения повышения эффективности практически всех тепловых двигателей - как двигателей внутреннего сгорания, так и газотурбинных.
ГПА
В настоящее время ГПА отечественного производства не удовлетворяют перспективным требованиям по выбросам оксидов азота и углерода. На работу приводных двигателей газоперекачивающих агрегатов расходуется около 8 % транспортируемого газа, при этом в год в атмосферу выбрасывается 140 тыс. т оксидов азота, 270 тыс. т оксида углерода, 84,8 млн т диоксида углерода. В то же время государственная политика в части ограничения выбросов загрязняющих веществ промышленными установками становится всё более жесткой. Так, Постановлением Правительства РФ №410 плата за выбросы в пределах установленных норм уже увеличена в 1 тыс. раз, а сверх установленных норм - в 1250 раз. После 2010 года возможно введение законодательных технических нормативов выбросов, основанных на принципе "наилучших доступных технологий", что может привести к резкому росту платежей "Газпрома" за сверхнормативные выбросы загрязняющих веществ.
Расчетные исследования в этой области показали, что добавка в топливный газ газотурбинных приводов ГПА водородсодержащей смеси позволит уменьшить уровень выбросов оксидов азота до 3,6 мг на 1 куб. м при действующей норме 50 мг на 1 куб. м. В настоящее время "Газпром" продолжает финансирование исследований по данному направлению.
ТРАНСПОРТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ
Еще одним результатом создания топливного процессора для ЭУ является разработка бортового генератора водо-родсодержащего синтез-газа для автомобильного транспорта. Технология реализована в виде опытного образца многотопливного автомобиля "Баргузин" с установленным бортовым генератором синтез-газа. В качестве основного топлива используется наиболее дешевое, доступное и экологически чистое сырье - природный газ. В силу своих физико-химических свойств метан в настоящее время рассматривается как вид топлива на этапе перехода к водородной энергетике.
Синтез-газ получается на борту машины из части основного топлива (природного газа) в специальном реакторе, размеры которого позволяют поместить его в моторном отсеке автомобиля. По оценкам специалистов ООО "Газпром ВНИИГАЗ", испытания опытного образца двигателя ЗМЗ-406, работающего на природном газе с добавкой 6 % синтез-газа, показали возможность обеспечения норм Евро-5 без применения каталитических нейтрализаторов выпускных газов, что весьма актуально для создания отечественных чистых транспортных силовых установок. Данные наработки могут быть реализованы в виде пилотных автотранспортных средств уже к сочинской Олимпиаде.
Внедрение созданной технологии позволит увеличить КПД транспортных двигателей с искровым зажиганием на режимах частичной нагрузки (до 80 % времени работы городского транспорта) на 15-20 % за счет сокращения времени горения топлива и удовлетворить требования по токсичности выпускных газов без использования дорогостоящих каталитических нейтрализаторов.

[ дополнительная информация ]{jcomments on}