Лекции. Лекции НЭЭ 27.09.2021. Конспект лекций для специальности 5В071800 Электроэнергетика Алматы 2021 алматинский университет энергетики и
 Скачать 2.37 Mb.
|
|
Лекция 4 Накопители электрической энергии, используемые в энергоустановках с ВИЭ. Натрий-серные аккумуляторы. Принцип действия натрий-серного аккумулятора показан на рис. 4.1 [14]. Во многом данная электрохимическая система напоминает литиевую – в разряженном состоянии натрий образует с серой химическое соединение (полисульфид натрия), в заряженном – сера и натрий представлены в виде чистых веществ, разделенных керамической мембраной. Есть ряд существенных отличий – электролит в данной системе керамический, что обуславливает высокую рабочую температуру аккумулятора (290- 360ºС). В японских системах, разработанных и серийно выпускаемых компанией NGK Insulators LTD, температура аккумулятора в режиме хранения поддерживается за счет токов саморазряда. Так как падение температуры приводит к замерзанию реагентов и резкому снижению ионной проводимости электролита, в конструкции предприняты дополнительные меры по теплоизоляции батареи. Помимо теплоизоляции внешнего корпуса применяются такие меры как откачка воздуха из внутреннего объема батареи, где расположены отдельные аккумуляторы, и пкрытие внутренних стенок этого объема фольгой (экранно- вакуумная теплоизоляция) [15]. Теоретическая энергоемкость данной системы может достигать 925 Вт*ч/кг, однако в реальности достигнуты гораздо меньшие цифры – 150-100 Вт*ч/кг [16]. Достигнутые на практике ресурсные характеристики демонстрируют значения от 2000 до 4000 циклов при глубине разряда до 80-90%. Следует отметить широкое применение подобных систем в Японии и США, как для возобновляемой, так и централизованной энергетики (рис. 4.2). Рисунок 4.1 - Принцип действия NaS аккумулятора. 1 7 Рисунок 4.2 - Примеры применения натрий-серных аккумуляторов для регулирования работы ветроэлектростанции мощностью 51 МВт (вверху, мощность накопителя 34 МВт) и подстанции централизованной электросети в США (внизу). Большие успехи в создании высоко мощных натрий-серных аккумуляторов достигнуты за последнее десятилетие в Японии в Tokyo Electric Power Company (TEPCO) и NGK Insulators, LTD., причем речь идет как о результатах НИОКР, так и о серийном производстве накопителей данного типа. Большие перспективы сернонатриевых аккумуляторов обусловлены целым рядом их достоинств, к которым относятся высокая удельная энергия и мощность, хорошая обратимость и большой ресурс, являющиеся следствием использования жидких электродов, отсутствие побочных реакций, герметичность и большой срок сохраняемости, дешевизна и доступность основных реагентов – натрия и серы. Этому уникальному сочетанию достоинств сернонатриевого аккумулятора противостоит один существенный недостаток – его относительно высокая рабочая температура (300 С), которая, в основном, и предопределяет области возможного применения этого вида накопителей. Несколько модулей за последние годы были инсталлированы в США, в основном для стабилизации работы ветровых электростанций (рис. 4.3) и крупных электрических сетей. Успешные испытания привели к тому, что в ноябре 2009 года, несмотря на финансовый кризис, General Electric и NGK начали строительство завода в США по производству таких аккумуляторов [16]. 1 8 Рисунок 4.3 - Натрий-серный аккумулятор в качестве буферного накопителя для ВЭУ (США) Накопитель мощностью 200 кВт был поставлен немецкой компании Younicos – системному интегратору в области фотовольтаики и строительства солнечных парков. Рисунок 4.4 - Накопитель мощностью 200 кВт на площадке компании Younicos (ФРГ, Берлин) В советское время разработкой отечественных натрий-серных аккумуляторов занимались НПО «Квант» (головная организация), НПО «Луч» (мелкосерийное производство), МАИ (технология формирования батарей), ФГУП «Красная звезда» (коррозионная защита), МГУ (перспективные керамические технологии электролитов). Развал СССР и отсутствие государственной политики в области ВИЭ, широкое проникновение в Россию зарубежных продуктов, хроническое недофинансирование тематики привели к полному сворачиванию работ на уровне ОКР. На уровне технологических НИР работы продолжались в ИМЕТ РАН, куда перешли ключевые сотрудники, работавшие над синтезом электролитов. 1 9 Лекция 5 Накопители электрической энергии, используемые в энергоустановках с ВИЭ. Водородный цикл. Водородно-воздушные топливные элементы рассматривались как перспективные энергетические системы для различных применений в силу высокого кпд (50-55%) и отсутствия вредных выбросов в случае низкотемпературных систем – щелочных и твердополимерных топливных элементов [17]. Принцип действия водородно-воздушного топливного элемента показан на рисунке 5.1 [18]. На катализаторе анода происходит реакция разложения молекулы водорода на атомы и последующей их ионизации. Протоны движутся к катоду через тонкую полимерную мембрану, представляющую собой композиционный материал на основе фторопласта, включающий в себя сернокислые функциональные группы, которые, собственно, и обеспечивают транспорт протонов. Электроны также попадают на катод через внешнюю цепь. На катодном катализаторе происходит реакция восстановления кислорода воздуха до воды. Важно отметить, что топливные элементы генерируют электрическую энергию до тех пор, пока на анод и катод подаются топливо и окислитель. То есть мощность и энергоемкость данной системы независимы – последняя обеспечивается объемом запасенных топлива и окислителя, а первая – количеством топливных элементов в батарее и их площадью. Типичные значения рабочего напряжения единичной ячейки составляют 0,6-0,7 В, а токи – 200-400 мА/см 2 Рисунок 5.1 - Принцип работы топливного элемента с твердополимерным Электролитом 2 0 Электролизеры работают на тех же самых принципах, однако вместо генерации тока они разлагают воду на водород и кислород при подаче на электроды разности потенциалов выше 1,23 В. Электролизеры с твердополимерным электролитом допускают достижение высоких давлений в газовых линиях (40-120 атм.), что позволяет нагнетать водород и кислород в хранилища без дополнительного компремирования, в то время как стоимость щелочных электролизеров ниже из-за отсутствия платиновых катализаторов и твердополимерных мембран, а также трубопроводов и емкостей, рассчитанных на повышенные давления. Источником быстрой деградации, как электролизеров, так и топливных элементов являются примеси в газах или воде. Особую опасность представляют соединения углерода, серы, хлор (отравляют катализатор) и ионы железа, кобальта, никеля (подавляют проводимость мембран-электролитов). Поэтому при использовании данных систем необходима дополнительная очистка воды, то есть в состав установки с водородным циклом включается дистиллятор (для щелочных электролизеров) или станция получения деионизированной воды (для систем с твердым полимерным электролитом). Также необходимо осушение получаемых электролизом газов во избежание коррозии емкостей для их хранения (газгольдеров). Принципиальная схема реализации водородного цикла с топливными элементами представлена на рисунок 5.2. При избыточной генерации базового источника или в часы снижения потребления электроэнергии генерируемые водород и кислород проходят необходимые процедуры очистки, осушки и компремирования и запасаются в газгольдерах. При необходимости поддержки базового источник энергии, а газы подаются в топливные элементы [26]. В ОИВТ РАН длительное время ведутся работы по созданию парогенераторов для сжигания водорода в кислороде при высоких температурах. Таким образом, открывается возможность для замены ненадежных и дорогостоящих топливных элементов на отработанные парогенераторы и паровые турбины [19,20]. Близкая модификация водородного цикла с паровой турбиной предложена компанией Nature’s Electric Inc. (США) [21]. Запасенный водород направляется в каталитический бойлер, где преобразуется в пар, затем срабатываемый в паровой турбине. Минусами схемы является относительно длительный запуск турбины, и, главное, ее относительно невысокий кпд в диапазоне мощностей ниже 500 кВт [22]. 2 1 Рисунок 5.2 - Принципиальная схема реализации водородного цикла аккумулирования электроэнергии с использованием электролизера и топливных элементов. Австрийской фирмой Jenbacher предпринимались попытки создания газопоршневой энергоустановки (ГПУ), использующей водород в качестве топлива [23]. Учитывая, что при мощностях менее 1 МВт кпд ГПУ выше, чем в паротурбинной схеме, открываются возможности для применения тепловых машин в составе водородного цикла и при относительно низких мощностях. Важно отметить то обстоятельство, что в водородном цикле мощность и энергоемкость накопителя разделены – мощность определяется параметрами генератора (топливного элемента или теплового двигателя), а емкость – запасами газов-реагентов. Это позволяет гибко варьировать параметры накопителя, а также практически полностью исключить явление саморазряда. В мире уже реализован ряд проектов, связанных с ВИЭ и водородным циклом как на основе ВВТЭ, так и на основе теплового двигателя. Nature’s Electric реализовала проект ветропарка в штате Техас, в котором накопление избыточной энергии происходит в виде в композитных газгольдерах водорода и кислорода, полученных в процессе электролиза воды. Несмотря на то, что достаточно мощный ветропарк подключен к сети штата, сброс энергии туда бывает не всегда целесообразен из-за гибкой системы тарифов на закупку электроэнергии, действующей в США. Поэтому мощный накопитель позволяет продавать максимум энергии по наиболее выгодной цене. Системами с водородным циклом на основе топливных элементов занимается ряд компаний за рубежом, например Heliocentris. Подобный опыт в рамках одной из европейских программ по ВИЭ приобрела и голландская Nedstack Fuel Cell Technology B.V. Демонстрационная система на основе ФЭП и водородного цикла 2 2 смонтирована также в районе Берлина Адлерсхоф, в рамках крупного демонстрационного комплекса по солнечной энергетике. Все указанные проекты являются демонстрационными, мощность установок обычно не превышает 5 кВт. Это обусловлено, во-первых, европейскими особенностями применения солнечных батарей (системы для индивидуальных жилых домов с соответствующей мощностью), а во-вторых – высокой стоимостью и низким ресурсом топливных элементов. В Италии в 2003 г. (Agrate) была запущена в опытную эксплуатацию пилотная солнечно водородная установка, включающая в себя блок солнечных батарей, щелочной электролизер, ТЭ ТПЭ, СКА, систему управления и ряд вспомогательных систем. Фотографии основных узлов пилотной энергоустановки приведены на рисунках 5.3 – 5.6. Рисунок 5.3 - Блок солнечных батарей (36 модулей PW1000) пилотной автономной солнечно-водородной энергоустановки (Agrate, Италия) Рисунок 5.4 - Электролизер (3,6 кВт, 30 элементов по 150 см 3 , рабочее давление 30 бар) пилотной автономной солнечно-водородной энергоустановки (Agrate, Италия) 2 3 Рисунок 5.5 - Электрохимический генератор (2 кВт) пилотной автономной солнечно-водородной энергоустановки (Agrate, Италия) Рисунок – 5.6 - Хранилище водорода (4 м 3 , 10 бар) пилотной автономной солнечно-водородной энергоустановки (Agrate, Италия) Установка (рис. 5.7) была запущена в эксплуатацию в начале 2004 года. По утверждению авторов и журналистов это первый в мире реализованный на практике проект экологически чистого дома, энергоснабжение и горячее водоснабжение которого обеспечивается солнечно-водородной энергоустановкой. Дом построен на территории инженерного факультета Малазийского Кебангсанского университета как часть нового исследовательского центра, занимающегося исследованиями по применению топливных элементов, прежде всего, на транспорте. Дом и его инженерные системы разработаны профессором Kamaruzzaman Sopian и архитектором Shah Jaafar на средства Министерства науки, технологии и окружающей среды Малайзии. Площадь дома около 100 м 2 , на его строительство затрачено около $66 000. 2 4 Рисунок 5.7 - Солнечно-водородный дом в Малайзии Первичным источником энергии является фотоэлектрическая батарея, расположенная на крыше дома и состоящая из 42 кремниевых поликристаллических модулей суммарной пиковой мощностью около 5 кВт. Производство водорода и кислорода осуществляется в твердополимерном электролизере (рис.5.8) производительностью до 1 нм 3 в час по водороду. Изготовитель и поставщик электролизера – компания PROTON Energy Systems (США). Рисунок 5.8 - Электролизер HOGEN RE Series Произведенный в электролизере кислород выбрасывается в окружающую среду, а водород при давлении 13,8 бар, соответствующем давлению в электролизере, аккумулируется в ресивере объемом 1500 литров, расположенном вне дома. Накопленный в ресивере водород используется – на кухне для приготовления пищи, – для подогрева воды на санитарные нужды, – в водород-воздушном топливном элементе, генерирующем электроэнергию для энергопитания электрооборудования дома. Для обеспечения гарантированности энергопитания потребителей установка имеет возможность 2 5 подключения к централизованной сети. Учитывая, что в состав водородного цикла с ВВТЭ помимо последнего входит не менее дорогой электролизер, а также низкий кпд цикла в целом (что приводит к увеличению числа ФЭМ), можно показать, что стоимость получаемой электроэнергии достигает 100-120 руб./Вт*ч [24]. Несколько лучше в технико-экономическом плане выглядит водородный цикл с паровой турбиной – применение отработанных и высокоресурсных компонентов резко снижает затраты на обслуживание, а диапазон мощностей, в котором должны применяться данные системы, затрудняет использование других типов аккумуляторов (речь идет о системах с мощностью 1-100 МВт). Применение подобных систем в комбинации с различными типами ВИЭ (приливными, ветровыми, солнечными электростанциями), а также для регулирования потоков энергии в крупных сетях описано в статье С.П.Малышенко и др. [20]. Там же описаны работы ОИВТ РАН и КБХА (г. Воронеж) по созданию высокотемпературных водород-кислородных парогенераторов. В России достаточно широкий круг организаций занимается работами по водородной тематике. ООО НИК НЭП совместно с ФТИ РАН проектировало солнечно-ветровую ЭУ с водородным циклом, однако в результате затягивания сроков разработки, проблем с поставкой ряда ключевых компонентов и банкротством НИК НЭП в 2008 году собранная на площадке ФТИ РАН ЭУ включает в себя СКА в качестве буферного накопителя. Единственной организацией, успешно работающей над созданием электрохимических генераторов с ТЭ ТПЭ является ФГУП ЦНИИ СЭТ (С-Петербург) [25], а ЩТЭ – Уральский электрохимический комбинат (Северск) [33]. Работы ОАО НПП «Квант» по щелочным ТЭ с проточным электролитом в настоящее время полностью свернуты. Несколько лучше обстоят дела с отечественными электролизерами – среди разработчиков и производителей можно выделить ОАО «Уралхиммаш», ООО «Группа компаний ФНК», ГУП «МЭТИС». Первые две компании производят и продают щелочные электролизеры, последняя совместно с РНЦ «Курчатовский институт» разработало и организовало мелкосерийное производство твердополимерных электролизеров, позволяющих развить давление газов до 40- 50 атм., что делает ненужным водородный и кислородный компрессоры. Работы над высокотемпературными парогенераторами ведутся ОИВТ РАН и ОАО КБХА, паротурбинные установки серийно выпускаются рядом предприятий. 2 6 Лекция 6 Накопители электрической энергии, используемые в энергоустановках с ВИЭ. Проточные редокс-накопители. Редокс-накопитель (от англ. Redox – reduction (восстановление)+oxidation (окисление)) состоит из емкостей с электролитами (растворы солей или других химических соединений с разными степенями окисления одного или нескольких элементов), вспомогательных узлов (насосы для прокачки электролита по контурам анодов и катодов) и обратимых электрохимических ячеек – аналогов топливных элементов с твердополимерным электролитом. Пары элементов, на которых может быть построена такая система, приведены в таблице 6.1. [26]. Принцип работы накопителя заключается в том, что на одном из электродов протекает обратимая реакция окисления одного из элементов пары с передачей электрона (через внешнюю цепь) и протона (через ионообменную мембрану) на второй электрод, где происходит обратный процесс – восстановление второго элемента, находящегося в растворе (рис. 6.1). Также, как и в топливных элементах, энергоемкость данной системы определяется запасом растворов солей, а мощность – количеством и площадью электрохимических ячеек. Перезарядка системы производится за счет запуска процесса в обратную сторону (с подачей внешнего напряжения на ячейки) или перезаправкой емкостей свежими растворами. В настоящее время коммерческого применения достигли три электрохимические системы: Fe|Cr (Deeya Energy), Zn|Br (Premium Power, ZBB), V|V (Golden Energy Fuel Cell, Prudent Energy, Cellstrom Power). Первая и последняя системы используют растворы солей в жидкой фазе, в то время как в системах Premium Power и ZBB в процессе заряда выделяется газообразный бром. Возможность достижения больших давлений и токсичность самого газа побудили разработчиков обеспечить безопасность системы в режиме хранения путем связывания газообразного брома в составе металл- органического соединения. Накопители выпускаются в мобильном варианте (рис.6.2) 2 7 Рисунок 6.1 - Устройство и принцип работы редокс- накопителя с проточным электролитом (2 электрохимические ячейки, на примере пары V|V). Рисунок 6.2 - Мобильный накопитель электрической энергии на основе электрохимической системы Zn|Br (TransFlow2000, 2.8 МВтч, 500 кВт, компания Premium Power, США). Deeya Energy (США) выпускает небольшие системы для телекоммуникационных приложений мощностью 5-10 кВт. Система обладает наихудшими удельными характеристиками среди всех редокс-накопителей (10- 15 Втч/кг), поэтому, несмотря на дешевизну используемых материалов, специалисты компании активно работают над увеличением запасаемой в накопителе энергии. 2 8 Про использование накопителей двух вышеупомянутых типов в системах с ВИЭ нет достоверной информации, хотя по материалам разработчиков, такая ниша применения их продуктов предполагается. Наибольшее распространение получила система V|V, поэтому она рассмотрена более подробно. В ванадиевых и других редокс-накопителях используются те же самые материалы, что и в топливных элементах с твердополимерным электролитом – углеродные нетканые материалы с развитой поверхностью в качестве электродов, углерод-полимерные композитные биполярные пластины и перфторированные ионообменные мембраны типа Nafion (в случае сернокислотного электролита). Катализаторы на электродах отсутствуют, хотя в ряде исследований, направленных на повышение плотностей тока, рассматриваются наноструктурированные системы на основе рутения и палладия [27]. Наконец, наборная конструкция батареи и вопросы герметизации также аналогичны топливным элементам с твердополимерным электролитом. В этом плане характерна эволюция, которую претерпела китайская компания Golden Energy Fuel Cell, до 2007 года производившая преимущественно ТЭ ТПЭ, мембраны и газодиффузионные слои. С 2007 года компания, используя отработанные технологии, неуклонно наращивала предложения по ВРБ и их компонентам, учитывая рост интереса к ВИЭ и спад в области водородных технологий [28]. Рисунок 6.3 - Растворы солей ванадия с разной степенью окисления. Напряжение разомкнутой цепи на элементе для ванадиевой системы при концентрации ванадия в растворе 1М составляет 1,26 В. Кпд системы составляет 75-80% [29]. Стоимость таких систем составляет 30- 100 долл. США за кВт установленной мощности и 1-3 доллара за кВт*ч в зависимости от мощности и энергоемкости системы [3]. Особенно ярко преимущества данной системы проявляются при сезонном регулировании работы энергосистем – разделение мощности и емкости позволяет сформировать запас электролитов в летнее время для последующего его использования на покрытие пиков нагрузки в зимнее время. Предельная концентрация солей ванадия в настоящее время ограничивает энергоемкость системы 15-20 Вт*ч/кг, что сравнимо со свинцово-кислотными 2 9 аккумуляторами [30]. Несмотря на это, были разработаны и испытаны транспортные энергоустановки с применением ванадиевой системы [29. Стоимость таких систем составляет 2000- 8500 долл. США за кВт установленной мощности и 30-100 долларов за кВт*ч в зависимости от мощности и энергоемкости системы [31]. Стандартные электрохимические аккумуляторы при этом сталкиваются с проблемой саморазряда и необходимости подключения дополнительных батарей. Рисунок 6.4 - Опытный образец ванадиевого редокс-накопителя на автономной фотоэлектрической энергоустановке (Флоренция, Италия, мощность солнечной батареи – 3 кВт, мощность накопителя – 2 кВт, энергоемкость – 50 кВтч) [32]. |