ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИКЛА «ПРОИЗВОДСТВО, ТРАНСПОРТИРОВКА И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ» ВОДОРОДА КАК ТОПЛИВА ДЛЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

RESEARCH OF THE “PRODUCTION, TRANSPORTATION AND USE” CYCLE OF HYDROGEN AS A FUEL FOR POWER PLANTS

Cherkashin Artem Sergeevich

master student, Department of Power Supply and Electrical Engineering named after I.A. Budzko, RSAU-MSHA named after K.A. Timiryazev,

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассмотрена возможность уменьшения вредных выбросов в атмосферу путём использования водорода в качестве топлива для электрических станций.

ABSTRACT

This article discusses the possibility of reducing harmful emissions into the atmosphere by using hydrogen as fuel for power plants.

Ключевые слова: водород, альтернативное топливо, конверсия газа.

Keywords: hydrogen, alternative fuel, gas conversion.

В энергетике сегодняшнего дня остро стоит вопрос о перспективе ухода от углеводородного топлива. Ископаемые ресурсы являются конечными, что заставляет ученых всего мира исследовать возможности применения альтернативных энергоносителей в крупномасштабном производстве.

Главным направлением глобальной энергетической стратегии мира на ближайшую перспективу является уменьшение количества вредных выбросов в атмосферу при сжигании углеводородов. В свою очередь, на долгосрочную перспективу к одним из главных направлений относится широкое использование экологически чистых энергоресурсов при выработке различных объемов электроэнергии, от коммунально-бытовых, до промышленных [1].

Решить обе задачи и осуществить плавный переход от традиционных топлив к возобновляемым источникам энергии может широкое применение водорода.

Методы производства водородного топлива. Конверсия углеводородов

Атомы водорода, являясь самыми распространенными элементами на планете, входят в состав многих элементов, но в чистом виде встречаются достаточно редко. К основным способам получения водорода относят элетрохимический, физический и химический метод [Рис.1].

Рисунок 1. Основные источники и пути получения водорода [3]

Энергетика всего мира не может в короткий срок полностью перестроиться на использование возобновляемых источников энергии, но добиться сокращения количества вредных выбросов в атмосферу представляется возможным применении каталитической конверсии углеводородов.

В настоящее время в мире объемное производство водорода и производится в основном паровой конверсией метана, являющегося основным компонентом природного газа и содержащего 25% водорода. Для отделения водорода от углеродной основы в метане, используют пар и тепловую энергию. Для поддержания заданной реакционной среды сжигается часть поступаемого сырья. По данным учёных, применение конверсионных установок с точки зрения стоимости единицы топлива становится возможным только при крупных объемах производства газа [2].

В ходе протекания химической реакции из метана и его гомологов образуется водородосодержащий газ, который путем адсорбции и пропускания через фильтрующие мембраны разделяют на чистый водород и углекислый газ с малыми примесями не вступивших в реакцию углеводородов [Рис. 2].

Рисунок 2. Принцип получения водорода при использовании технологии отбора углекислого газа

Получившееся водородное топливо можно преобразовать в электрическую энергию с помощью топливных элементов, либо путём прямого сжигания на электростанциях. При этом, отделенный углекислый газ возможно направлять на захоронение, а не выбрасывать в атмосферу.

Цикл «производство, хранение и использование» электростанции на водородном топливе

В мире существуют проекты электростанций, предполагающие использование принципа получения водорода и захоронения углекислого газа, описанного выше. В частности, в 2004 году компанией British Petroleum была предложена модель электрической станции, расположение которой предполагается вблизи месторождений нефти и природного газа [4]. Одним из факторов, влияющих на экономическую эффективность конверсионного способа производства водорода, является стоимость природного газа. При расположении конверсионных установок опосредовано с газодобывающими платформами можно добиться минимальной стоимости исходного сырья.

Цикл преобразования энергии топлива в электрическую для данного проекта можно представить схемой, изображенной на рисунке 3.

Рисунок 3. Цикл преобразования энергии топлива

Оценив потери участков цикла «производство, хранение и использование» водородного топлива на электростанции, можно отметить, что основная часть потерь энергии находится на этапе реакции в топливном элементе и на этапе получения водородного топлива. Общий приблизительный коэффициент полезного действия цикла лежит в пределе 16-17%. Данное значение ниже, чем у традиционных электростанций, но может быть увеличено за счет уменьшения потерь нескольких этапов цикла.

Предлагаемый цикл «производство, хранение и использование» электростанции на водородном топливе

Возможными путями повышения эффективности цикла является применение прямого сжигания водорода и выработки не только электрической, но и тепловой энергии [Рис. 4].

Рисунок 4. Структурная схема переработанного цикла водородной электростанции

В ходе рассмотрения потерь на каждом участке предлагаемого цикла получено приблизительное значение коэффициента полезного действия. Для выработки электрической энергии данный параметр составляет 22%. При использовании топливных элементов КПД составлял 16%.

Положительной стороной предлагаемой схемы является отбор пара для процесса паровой конверсии метана и выработка не только электрической, но и тепловой энергии для нужд потребителей. Для комбинированной выработки энергии коэффициент полезного действия процесса будет значительно выше.

Заключение

В сравнении с традиционными станциями, коэффициент полезного действия водородной ТЭЦ будет ниже, но станция на альтернативном топливе обладает серьезным преимуществом в виде полного отсутствия выбросов продуктов сгорания в атмосферу. Данная модель может быть использована для плавного перехода энергетики к возобновляемым источникам энергии.

Список литературы:

1. Козлов С.И. Водородная энергетика: современное состояние, проблемы, перспективы / С.И. Козлов, В.Н. Фатеев; ООО «Газпром ВНИИГАЗ». М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2009. – 518 с.
2. Медников А.С.  Оптимизационные исследования энерготехнологических установок производства водорода и электроэнергии с удалением СО2: диссертация кандидата технических наук: 05.14.01; [Место защиты: РАН Сибирское отделение института систем энергетики им. Л.А. Мелентьева] – Иркутск,: 2008. − 143с.
3. Солонин Ю.М. Фундаментальные аспекты восстановительно-водородной энергетики и топливно-энергетических технологий / Солонин Ю.М. − Киев: Институт водородной энергетики НАН Украины, 2018. – 260 с.
4. Reimagining energy. Корпоративный каталог BP [электронный ресурс].− Режим доступа: https://www.bp.com/en/global/corporate/who-we-are/reimagining-energy.html/. (Дата обращения 15.02.20).